Parçacık sürü optimizasyon algoritması ile kaotik tabanlı görüntü şifreleme
Chaotic-based image encryption with particle swarm optimization algorithm
Yazar: ÖMER KOÇAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UĞUR ERKAN ; DOÇ. DR. ABDURRAHİM TOKTAŞ
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
İletişim teknolojileri ve akıllı multimedya cihazların son yıllarda hızla gelişmesiyle birlikte verilerin, özellikle de görüntülerin iletimi ve depolanması sürecinde görüntü güvenliğinin sağlanması hayati konulardan biri haline gelmiştir. Görüntülere yapılacak olası yetkisiz erişim denemeleri ve saldırılara karşı koruma sağlamak amacıyla kullanılan görüntülerin şifreli bir şekilde iletilmesi veya depolanması en fazla tercih edilen güvenlik yaklaşımlarından birisi olmuştur.
Optimizasyon tabanlı görüntü şifreleme algoritmaları son zamanlarda sıklıkla kullanılan bir tekniktir. Optimizasyona dayalı görüntü şifreleme algoritmaları, şifrelenecek görüntünün tamamında işlem yaptıkları için iterasyonlar uzun sürmekte ve üretilen anahtarı optimize etmek zorlaşmaktadır. Bu nedenle gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılması pek mümkün görülmemektedir. Bu çalışmada, parçacık sürü optimizasyon algoritması ve kaotik haritaya dayalı bir görüntü şifreleme yöntemi önerilmiştir. Görüntüyü şifreleyecek anahtarı optimize ederken görüntünün tamamı yerine belirli bir kısmı kullanan, gerçek zamanlı kullanılabilecek bir teknik benimsenmiştir. Ayrıca, geniş bir parametre aralığında yüksek kaotik davranışlar sergileyen, tek boyutu yeni bir kaotik harita önerilmiştir. Önerilen yeni kaotik harita ile görüntünün belirli bir kesiti üzerinde permütasyon ve difüzyon işlemleri uygulanarak görüntü şifrelenmiştir.  Elde edilen şifreli görüntü kesiti PSO algoritmasına parametre olarak verilerek, bitişik pikseller arası korelasyon katsayısı düşük ve entropi değeri yüksek tüm görüntüyü şifreleyecek optimum anahtar elde edilmiştir. Son olarak, elde edilen anahtar ile görüntünün tamamı şifrelenmiştir.
Önerilen görüntü şifreleme algoritması çeşitli güvenlik analizleri ile test edilmiştir. Uygulanan analiz sonuçlarına göre, önerilen sistemin güvenlik saldırılarına karşı oldukça iyi bir performans sergilediği ve görüntü şifreleme için verimli ve gerçek zamanlı uygulamalarda kullanışlı bir yöntem olduğu görülmüştür.

Abstract:
With the rapid development of communication technologies and smart multimedia devices in recent years, ensuring image security in the process of transmission and storage of data, especially images, has become one of the vital issues. Encrypted transmission or storage of images used to protect against possible unauthorized access attempts and attacks on images has been one of the most preferred security approaches.
Optimization-based image encryption algorithms are frequently used technique lately. Since image encryption algorithms based on optimization operate on the entire image to be encrypted, iterations take longer and it becomes difficult to optimize the generated key, so it doesn't seem possible to use it in real-time applications. In this study, particle swarm optimization algorithm and an image encryption method based on a chaotic map are proposed. While optimizing the key to encrypt the image, a real-time technique is adopted, which uses a specific part of the image instead of the whole image. In addition, a new one-dimensional chaotic map is proposed, exhibiting highly chaotic behavior over a wide parameter range. With the proposed new chaotic map, the image is encrypted by applying permutation and diffusion processes on a certain section of the image. The obtained encrypted image section is given as a parameter to the PSO algorithm, and the optimum key to encrypt the entire image with low correlation coefficient between adjacent pixels and high entropy value is obtained. Finally, the entire image is encrypted with the obtained key.
The proposed image encryption algorithm has been tested with various security analyzes. According to the analysis results, it has been seen that the proposed system performs very well against security attacks and is an efficient and useful method for image encryption in real-time applications.