Image Encryption Lab — AES + Modified S-Box (Affine Matrix)

Implementasi enkripsi–dekripsi gambar berbasis substitusi byte menggunakan S-Box dari AES serta S-Box hasil modifikasi berbasis eksplorasi matriks afin (affine matrices). Proyek ini mengacu pada dua paper berikut dan menyediakan metrik evaluasi citra serta analisis histogram kanal RGB:

• AES S-box modification uses affine matrices exploration for increased S-box strength — Nonlinear Dynamics (2024). DOI: https://doi.org/10.1007/s11071-024-10414-3
• S-box Construction on AES Algorithm using Affine Matrix Modification to Improve Image Encryption — Scientific Journal of Informatics (2023). DOI: 10.15294/sji.v10i2.42305

Mode yang didukung:

• AES Standard S-Box
• S-Box 44 (sesuai paper, metrik superior)
• Custom S-Box (JSON)

🚀 Quick Start

1. Install Dependencies

pip install -r requirements.txt

2. Jalankan Server

python -m uvicorn app.main:app --reload --host 0.0.0.0 --port 8000

Server akan berjalan di http://127.0.0.1:8000

3. Akses API Documentation

Buka browser dan kunjungi:

• Swagger UI: http://localhost:8000/docs
• ReDoc: http://localhost:8000/redoc

4. Gunakan Frontend (GUI)

• Buka frontend/index.html di browser (atau via Live Server).
• Lakukan Encrypt: pilih mode S-Box, masukkan kunci, upload gambar asli (PNG/JPG). Hasil enkripsi otomatis diunduh sebagai PNG.
• Lakukan Decrypt: upload file PNG hasil encrypt (bukan JPG). Output dekripsi akan identik dengan gambar asli.

📊 Testing dengan Script Python (opsional)

Test Enkripsi Gambar

# Test dengan S-Box 44
python test_image_encryption.py --image test_image.png --mode sbox44

# Test dengan AES Standard
python test_image_encryption.py --image test_image.png --mode standard

# Test keduanya sekaligus
python test_image_encryption.py --image test_image.png

Bandingkan Metrik S-Box

python test_image_encryption.py --compare

Output akan menampilkan:

• Entropy (H)
• NPCR (Number of Pixels Change Rate)
• UACI (Unified Average Changing Intensity)
• NPR (Number of Pixel Rate)
• Histogram data
• Evaluasi kualitas enkripsi

🧠 Cara Kerja Singkat

• Derivasi kunci: input key_hex diproses menjadi keystream byte via SHA-256 (loop sesuai ukuran citra).
• Enkripsi per piksel: untuk setiap byte p di gambar: c = S[p ⊕ k], dengan S adalah S-Box terpilih.
• Dekripsi per piksel: p = S⁻¹[c] ⊕ k dengan S⁻¹ inverse dari S-Box.
• Analisis: hitung Entropy, NPCR, UACI, NPR, dan histogram terpisah per kanal R, G, B untuk citra asli dan terenkripsi.

Catatan penting: Hasil enkripsi disimpan sebagai PNG (lossless). JPEG bersifat lossy dan akan merusak nilai piksel sehingga dekripsi tidak lagi persis sama dengan citra asli.

🔬 Metrik Pengujian

Nilai Ideal:

Metrik	Nilai Ideal	Deskripsi
Entropy	7.9 - 8.0	Distribusi pixel acak sempurna
NPCR	99.5% - 99.7%	Hampir semua pixel berubah
UACI	33.0% - 34.0%	Intensitas perubahan merata
NPR	99.5% - 99.7%	Persentase pixel berubah

Definisi singkat:

• Entropy: tingkat keacakan distribusi intensitas piksel.
• NPCR: proporsi piksel yang berubah antara citra asli dan terenkripsi.
• UACI: rata-rata intensitas perubahan antar piksel (skala 0–255) dalam persen.
• NPR: variasi jumlah piksel yang berubah (digunakan dalam project ini sebagai pelengkap).

📁 Struktur Project

Encrypt-Decrypt-Website/
├── app/
│   ├── __init__.py
│   ├── main.py              # FastAPI application & image encryption
│   ├── aes_core.py          # AES encryption core functions
│   ├── sbox_metrics.py      # S-Box cryptographic metrics
│   └── schemas.py           # Pydantic models
├── frontend/
│   ├── index.html           # Web interface
│   ├── main.js              # Frontend logic
│   └── styles.css           # Styling
├── requirements.txt         # Python dependencies
├── test_image_encryption.py # Testing script
├── IMPLEMENTASI_IMAGE_ENCRYPTION.md # Detailed documentation
└── README.md               # This file

🔐 API Endpoints

Image Encryption

POST /image/encrypt
Content-Type: multipart/form-data

Parameters:
- `mode`: `standard` | `sbox44` | `custom`
- `key_hex`: kunci (string hex/teks; diproses jadi keystream)
- `file`: gambar input (PNG/JPG). Output terenkripsi selalu PNG.
- `sbox_json` (opsional): array 256 elemen untuk Custom S-Box

Image Decryption

POST /image/decrypt
Content-Type: multipart/form-data

Parameters:
- `mode`: `standard` | `sbox44` | `custom`
- `key_hex`: kunci yang sama dengan saat enkripsi
- `file`: file PNG terenkripsi (hasil dari endpoint encrypt)
- `sbox_json` (opsional): harus cocok dengan saat enkripsi (jika custom)

Get S-Box Info

GET /sbox/standard   # AES Standard S-Box
GET /sbox/paper44    # S-Box 44 dari paper

📖 Referensi Paper

1. AES S-box modification uses affine matrices exploration for increased S-box strength — Nonlinear Dynamics (2024)

• DOI: https://doi.org/10.1007/s11071-024-10414-3

2. S-box Construction on AES Algorithm using Affine Matrix Modification to Improve Image Encryption — Scientific Journal of Informatics (2023)

• DOI: 10.15294/sji.v10i2.42305

🛠️ Troubleshooting

Server tidak bisa start

# Pastikan port 8000 tidak digunakan
netstat -ano | findstr :8000

# Kill process jika ada
taskkill /PID <PID> /F

Import error

# Pastikan di direktori project
cd d:\kriptograf\Encrypt-Decrypt-Website

# Install ulang dependencies
pip install -r requirements.txt

CORS error di frontend

Server sudah dikonfigurasi dengan allow_origins=["*"]. Pastikan server berjalan di localhost:8000.

Dekripsi tidak identik dengan citra asli

• Pastikan file yang didekripsi adalah PNG hasil dari fitur Encrypt pada aplikasi ini.
• Jangan konversi terenkripsi PNG ke JPG; JPEG bersifat lossy dan akan merusak byte sehingga dekripsi tidak presisi.

📝 Contoh Penggunaan Python

import requests
import base64

# Encrypt
with open('test.png', 'rb') as f:
    response = requests.post('http://127.0.0.1:8000/image/encrypt',
                           files={'file': f},
                           data={'mode': 'sbox44', 'key_hex': 'mykey'})
    result = response.json()
    
print(f"Entropy (original): {result['original_entropy']}")
print(f"Entropy (encrypted): {result['encrypted_entropy']}")
print(f"NPCR: {result['npcr']}% | UACI: {result['uaci']}% | NPR: {result['npr']}%")

# Decrypt (gunakan file PNG terenkripsi dari GUI atau simpan base64 ke file PNG dahulu)
import base64
enc_png = base64.b64decode(result['encrypted_image_base64'])
with open('encrypted_output.png', 'wb') as f:
    f.write(enc_png)

with open('encrypted_output.png', 'rb') as f:
    response = requests.post('http://127.0.0.1:8000/image/decrypt',
                             files={'file': f},
                             data={'mode': 'sbox44', 'key_hex': 'mykey'})
print(response.status_code, response.ok)

⚙️ Konfigurasi

Server configuration di app/main.py:

• FastAPI dengan CORS middleware
• Host: 0.0.0.0 (semua interface)
• Port: 8000 (default)
• Reload: enabled (development mode)

🤝 Kontribusi

Untuk development:

1. Clone repository
2. Install dependencies: pip install -r requirements.txt
3. Jalankan server dengan --reload: python -m uvicorn app.main:app --reload
4. Edit code dan test

📄 Lisensi & Catatan

Proyek edukasi untuk Image Encryption Lab. Mohon sitasi kedua paper jika menggunakan S-Box 44/varian affine dalam publikasi.