Görüntü Şifreleme İçin Yeni Bir Gerçek Rastgele Bit Üreteci Tasarımı ve İstatistiksel Analizi

Abstract

Bu çalışma; rastgele sayıları kullanarak geliştirilen yazılımla görüntü dosyalarını şifreleyip istatistiksel teste tabi tutarak yapılan şifreleme işleminin başarılı olup olmadığını test etmeyi amaçlamaktadır. Şifreleme sürecinde, rastgele sayı üretimi için belirli matematiksel modellere dayalı bir sahte rastgele sayı üretim yaklaşımı kullanılmıştır. Bu yaklaşımda, üretilen her yeni değer, önceki değerler ve tanımlanan parametreler doğrultusunda hesaplanarak elde edilmiştir. Görüntü şifrelemesinde, verilerin güvenliğini artırmak amacıyla rastgele permütasyon işlemleri ve S-Box tabanlı ileri seviye karıştırma adımları da entegre edilmiştir. Bu bütüncül yaklaşım ile, farklı türdeki veriler üzerinde kullanılabilecek esnek bir şifreleme yapısı geliştirilmiştir.

Keywords

• Rastgele Sayı Üreteçleri
• Kriptoloji
• Şifreleme
• Linear Congruential Generator (LCG)

A Novel True Random Bit Generator Design for Image Encryption and Its Statistical Analysis

Abstract

This study aims to test whether the encryption process is successful by encrypting image and video files with software developed using random numbers and subjecting them to statistical testing. During the encryption process, a pseudo-random number generation approach based on mathematical models was employed. In this approach, each new value is generated through calculations based on previous values and predefined parameters. In image encryption, random permutation operations and advanced S-Box-based mixing steps have also been integrated to enhance data security. With this comprehensive approach, a flexible encryption framework that can be applied to different types of data has been developed.

Keywords

• Cryptology
• Encryption
• Linear Congruential Generator (LCG)
• Random Number Generators

References

1. F. Talo, “DNA tabanlı Kriptoloji Uygulaması,” Düzce Üniversitesi, 2021. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
2. M. Alcin, M. Tuna, P. Erdogmus, and I. Koyuncu, “FPGA-based Dual Core TRNG Design Using Ring and Runge-Kutta-Butcher based on Chaotic Oscillator,” Chaos Theory Appl., vol. 3, no. 1, pp. 20–28, 2021, doi: 10.51537/chaos.783548.
3. E. İNCE, “Kaos Tabanlı Gerçek Rasgele Sayı Üreteci Tasarımı Ve Fpga Ortamında Video Şifreleme Uygulaması,” Fırat Üniversitesi, 2022. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
4. S. Coşkun, İ. Pehli̇Van, A. Akgül, and B. Gürevin, “A new computer-controlled platform for ADC-based true random number generator and its applications,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 27, no. 2, pp. 847–860, 2019, doi: 10.3906/elk-1806-167.
5. L. Merah, A. Ali-pacha, N. H. Said, and M. Mamat, “Design and FGPA implementation of Lorenz chaotic system for information security issues,” Appl. Math. Sci., vol. 7, no. 5–8, pp. 237–246, 2013, doi: 10.12988/ams.2013.13022.
6. X. Wang, Y. Jin, F. Xie, and Y. Long, “Tri-stage training with language-specific encoder and bilingual acoustic learner for code-switching speech recognition,” Appl. Acoust., vol. 218, no. July 2023, p. 109883, 2024, doi: 10.1016/j.apacoust.2024.109883.
7. C. ARSLAN, “Tamsayılı ve Kesirli Dereceden Farklı Kaotik Sistemler ile Rasgele Sayı Üreteçleri ve Arayüz Tasarımı,” Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, 2019. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
8. İ. ÖZTÜRK, “Kaotik Sistem Tabanlı Sözde Rastgele Sayı Üreteçlerinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi,” Erciyes Üniversitesi, 2008. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/

9. R. Melki, M. Noura, Hassan N. Mohammad M., and A. Chehab, “A survey on OFDM physical layer security,” Phys. Commun., vol. 32, pp. 1–30, 2019, doi: 10.1016/j.phycom.2018.10.008.
10. T. Etem, “Kriptografi-Bilgi Güvenliği için Rastgele Sayı Üreteci Geliştirilmesi,” Fırat Üniversitesi, 2022. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
11. İ. Koyuncu, M. Tuna, İ. Pehlivan, C. B. Fidan, and M. Alçın, “Design, FPGA implementation and statistical analysis of chaos-ring based dual entropy core true random number generator,” Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 102, no. 2, pp. 445–456, 2020, doi: 10.1007/s10470-019-01568-x.
12. M. S. Azzaz, R. Fellah, C. Tanougast, and R. Kaibou, “Design and FPGA implementation of TRNG based on a new multi-wing attractor in Lorenz chaotic system,” Eur. Phys. J. Spec. Top., vol. 230, no. 18–20, pp. 3469–3480, 2021, doi: 10.1140/epjs/s11734-021-00234-6.
13. M. M. Abutaleb, “A novel true random number generator based on QCA nanocomputing,” Nano Commun. Netw., vol. 17, pp. 14–20, 2018, doi: 10.1016/j.nancom.2018.04.001.
14. T. Etem and T. Kaya, “Fast image encryption algorithm with random structures,” Int. J. Comput. Appl., vol. 45, no. 10, pp. 626–637, 2023, doi: 10.1080/1206212X.2023.2260617.
15. T. Etem and T. Kaya, “Self-generated encryption model of acoustics,” Appl. Acoust., vol. 170, p. 107481, 2020, doi: 10.1016/j.apacoust.2020.107481.
16. Y. Genç, “İnsan Hareketleri Tabanlı Gerçek Rasgele Sayı Üretimi,” Fırat Üniversitesi, 2019. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
17. S. Yakut, T. Tuncer, and A. B. Ozer, “Secure and efficient hybrid random number generator based on sponge constructionsfor cryptographic applications,” Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 25, no. 4, pp. 40–46, 2019, doi: 10.5755/j01.eie.25.4.23969.
18. M. Abumuala, O. Khalifa, and A. H. A. Hashim, “A new method for generating cryptographically strong sequences of pseudo random Bits for stream cipher,” Int. Conf. Comput. Commun. Eng. ICCCE’10, no. May, pp. 1–4, 2010, doi: 10.1109/ICCCE.2010.5556778.
19. E. Avaroğlu, “Donanım Tabanlı Rasgele Sayı Üretecinin Gerçekleştirilmesi,” Fırat Üniversitesi, 2014. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
20. F. İLKBAHAR, “Video Görüntüleri Üzerinde FPGA İle Gerçek Zamanlı Yüz Eşleştirme,” Düzce Üniversitesi. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
21. S. Arslan Tuncer and T. Kaya, “True Random Number Generation from Bioelectrical and Physical Signals,” Comput. Math. Methods Med., vol. 2018, 2018, doi: 10.1155/2018/3579275.
22. M. E. GÜLŞEN, “Random Sequences In Vehıcle Routıng Problem,” Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 2022. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
23. A. R. ÖZÖREN, “Random Number Generatıon Usıng Chaotıc Dynamıcal Maps,” Boğaziçi Üniversitesi, 2007. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
24. T. GENÇ, “Kimyasal Reaksiyonlarla Gerçek Rastgele Sayı Üretme,” Fırat Üniversitesi, 2022. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
25. S. YILDIRIM, “A True Random Number Generator In Fpga For Cryptographıc Applıcatıons,” Mıddle East Technıcal Unıversıty, 2012. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
26. A. Z. Ünal ÇAVUŞOĞLU, Sezgin KAÇAR, İhsan PEHLİVAN, “Secure image encryption algorithm design using a novel chaos based S-Box,” ELSEVIER, vol. 95, pp. 92–101, 2017, doi: 10.1016/j.chaos.2016.12.018.
27. T. Etem and T. Kaya, “Modified bernoulli map-based scramble and s-box supported colour image encryption,” Signal, Image Video Process., vol. 19, no. 1, pp. 1–10, 2025, doi: 10.1007/s11760-024-03572-9.
28. A. S. M. and F. Özkaynak, “Secure Image Encryption Algorithm Based on Chaotic Systems Optimization Algorithms and PUFs,” pp. 13, 824., 2021, [Online]. Available: https://doi.org/10.3390/ sym13050824
29. S. YAKUT, “Gerçek Rastgele Sayı Üreteçleri̇ni̇n Tasarlanmasi Ve Anali̇zi̇,” Fırat Üniversitesi, 2019. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
30. D. YOSUNLU and E. AVAROĞLU, “Son İşlem Algoritmaları İçin Web Tabanlı Yazılım Suiti Geliştirilmesi,” Eur. J. Sci. Technol., no. 28, pp. 493–499, 2021, doi: 10.31590/ejosat.1008063.
31. S. COŞKUN, “Kaos kaynakli ve ADC tabanli özgün gerçek rasgele sayi üreteçleri̇ni̇n tasarim ve gerçeklenmesi̇,” Sakarya Üniversitesi, 2017. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
32. A. M. Gari̇pcan, “Gerçek Rasgele Sayı Üreteçlerinin Performansını İyileştirmek İçin Yer Değiştirme Kutularını Temel Alan Yeni Bir Yaklaşım,” Fırat Üniversitesi, 2021. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
33. X.-B. C. Mingjie Zhao, Zheng Yuan, Lixiang Li, “A novel efficient S-box design algorithm based on a new chaotic map and permutation,” pp. 64899–64918, 2024, doi: 10.1007/s11042-023-17720-9.
34. N. Nalla Anandakumar, S. K. Sanadhya, and M. S. Hashmi, “FPGA-Based True Random Number Generation Using Programmable Delays in Oscillator-Rings,” IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 67, no. 3, pp. 570–574, Mar. 2020, doi: 10.1109/TCSII.2019.2919891.
35. İ. Koyuncu, “Kriptolojik uygulamalar için FPGA tabanlı yeni kaotik osilatörlerin ve gerçek rasgele sayı üreteçlerinin tasarımı ve gerçeklenmesi,” Sakarya Üniversitesi, 2014. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp
36. D. Bakır, “Rastgele Sayı Üreteçlerinin Donanımsal Olarak Gerçekleştirilmesi,” Munzur Üniversitesi, 2017. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
37. Y. Genç and S. A. Tuncer, “İnsan Hareketleri Tabanlı Gerçek Rasgele Sayı Üretimi,” BEÜ Fen Bilim. Derg., vol. 8, no. 1, pp. 261–269, 2019.
38. M. V. Serkan AKKAYA, İhsan PEHLİVAN, Akif AKGÜL, “The design and application of bank authenticator device with a novel chaos based random number generator,” J. Fac. Eng. Archit. Gazi Univ., vol. 33, no. 3, pp. 1171–1182, 2018, doi: 10.17341/gazimmfd.416418.
39. G. Yıldırım, “Kesir Dereceli Kaotik Sistemlerin Bilgisayar Bilimlerine Uygulanması,” Fırat Üniversitesi, 2024. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
40. S. Akkaya, “Yeni Bir Kaos Tabanlı Rasgele Sayı Üreteci Kullanan Banka Şifrematik Cihazı Tasarımı ve Uygulaması,” Sakarya Üniversitesi, 2016. [Online]. Available: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/