Hibrit veri sıkıştırma algoritmalarının geliştirilmesi ve pratik uygulamaları
Improvement of hybrid data compression algorithms and practical applications
Yazar: FIRAT ARTUĞER
Danışman: DOÇ. DR. FATİH ÖZKAYNAK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yazılım Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: JPEG = JPEG ; Kaos = Chaos ; Nicemleme = Quantization ; Veri sıkıştırma = Data compression ; Yer değiştirme = Displacement

Özet:
Son yılların en önemli problemleri hiç şüphesiz verilerin yüksek boyutu ve güvensiz ağlar üzerinden uzaklara iletilmesi ya da depolanmasıdır. Bu problemlerin üstesinden gelmek için genellikle sıkıştırma ve şifreleme algoritmaları kullanılmaktadır. Günümüzde şifreleme için kullanılan yaklaşımlardan biri, blok şifreleme algoritmalarıdır. Blok şifreleme algoritmalarında karıştırma gereksinimini sağlamak için en önemli kriptolojik bileşenlerden biri yer değiştirme kutularıdır (s-box). Çünkü s-box 'lar doğrusal olmayan yapılar olup, bu sayede diferansiyel kriptanalize karşı algoritmayı dirençli hale getirmektedir. Bu yüzden s-box 'ın doğrusal olmama değeri ne kadar yüksek olursa o kadar saldırılara karşı dirençli olacaktır. Kaos tabanlı s-box yapılarının en önemli dezavantajı doğrusal olmama özelliğinin matematiksel temelli s-box yapılarına göre düşük olmasıdır. Bu tez çalışmasında ilk olarak kaos tabanlı s-box yapılarının doğrusal olmama değerlerinin arttırılması için yedi farklı yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşımların tamamında s-box 'ların performansı iyileştirilmiştir.
JPEG algoritmasının birçok platformda yaygın olarak kullanılmasından dolayı önemi yadsınamaz bir gerçektir. Ancak, kullanıcıların daha fazla veri depolama ve daha hızlı veri iletimi/işleme ihtiyaçlarını karşılamaya yönelik yapılabilecek iyileştirmeler dijital dönüşümle birlikte ivme kazanmıştır. Bu çalışmalardan niceleme tabloları algoritmanın başarısını etkileyen kritik bir bileşen olduğundan bu alandaki iyileştirme çalışmaları farklı niceleme tablolarının tasarımına odaklanmıştır. Bu çalışmada farklı niceleme tabloları oluşturmak için ilk kez kaotik sistemler temel alınarak bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntem basit bir yapıya sahiptir ve yüksek sıkıştırma oranları elde etmektedir. Yüksek sıkıştırma oranı elde edilmesine rağmen görüntü kalitesinden ödün verilmemesi önerilen yöntemin bir diğer avantajı ve özgün yönüdür. JPEG algoritmasının performansını iyileştirmek için literatürde kullanılan bir diğer yaklaşım, niceleme tablolarının optimizasyon yöntemleri ile üretilmesidir. Önerilen yöntem bu yaklaşımlarla karşılaştırıldığında hesapsal karmaşıklığının daha düşük olması önerilen yöntemin bir diğer avantajı olarak ön plana çıkmaktadır. Bu sonuçlar, nesnelerin interneti, endüstri 4.0 ve yapay zekâ çalışmaları gibi birçok uygulama alanı için gelecekte yapılacak çalışmalarda iyileştirmeler yapılabileceğini, önemli depolama tasarrufları ve daha hızlı veri iletimi/işleme sağlanabileceğini göstermektedir.

Abstract:
The most important problems of recent years are undoubtedly the high size of data and the transmission or storage of data over insecure networks. Compression and encryption algorithms are generally used to overcome these problems. One of the approaches used for encryption today is block cipher algorithms. One of the most important cryptological components to meet the confusion requirement in block cipher algorithms is s-boxes. Because s-boxes are nonlinear structures, making the algorithm resistant to differential cryptanalysis. Therefore, the higher the nonlinearity of the s-box, the more attack resistant it will be. The most important disadvantage of chaos-based s-box structures is that their nonlinearity is lower than mathematically-based s-box structures. In this thesis, firstly, seven different approaches are proposed to increase the nonlinearity values of chaos-based s-box structures. All of these approaches have improved the performance of s-boxes.
Since the JPEG algorithm is widely used on many platforms, its importance is an undeniable fact. However, improvements that can be made to meet users' needs for more data storage and faster data transmission/processing have gained momentum with the digital transformation. As quantization tables from these studies are a critical component that affects the success of the algorithm, improvement studies in this area have focused on the design of different quantization tables. In this study, a method based on chaotic systems is proposed for the first time to create different quantization tables. The proposed method has a simple structure and achieves high compression ratios. Despite achieving a high compression ratio, not sacrificing image quality is another advantage and unique aspect of the proposed method. Another approach used in the literature to improve the performance of the JPEG algorithm is to generate quantization tables using optimization methods. When the proposed method is compared with these approaches, the lower computational complexity stands out as another advantage of the proposed method. These results show that improvements can be made in future studies for many application areas such as the internet of things, industry 4.0 and artificial intelligence studies, significant storage savings and faster data transmission/processing can be achieved.