Kaos tabanlı bir görüntü şifreleme algoritması ve donanımsal ortamda gerçekleştirilmesi
A chaos-based image encryption algorithm with its hardware implementation
Yazar: HİDAYET OĞRAŞ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TÜRK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde, renkli ve gri görüntüler için kaos tabanlı simetrik bir görüntü şifreleme algoritması tasarlanmıştır. Sunulan algoritma, görüntü pikselleri ile ilgili permütasyon (karıştırma) ve değiştirme (dağılma) işlemlerini içermektedir. Karıştırma kısmında kaynak görüntünün piksel pozisyonlarını yer değiştirmek için Arnold kedi haritası kullanılmış ve ardından dağılma kısmında ise şifreleme kodlarının üretildiği iyileştirilmiş Lojistik harita sistemi piksel değerlerini değiştirmede kullanılmıştır. Öncelikle parametre alanı, karmaşıklık, tekdüzelik ve kaotik zenginlik bakımından standart Lojistik haritaya göre çok daha iyi performans sergileyen iyileştirilmiş bir kaotik sistem tasarlanmıştır. Bu sistemden üretilen şifreleme kodları sadece sistemin kontrol parametresine ve başlangıç durumuna bağlı olmadığı gibi aynı zamanda kaynak görüntü karakteristiğine de hassas duyarlıdır. Dolayısıyla sunulan yapı istatistiksel saldırılar, diferansiyel saldırılar, bilinen-bilgi ve seçilen-bilgi saldırı tekniklerine karşı dayanıklıdır. Ayrıca sistemden yüksek şifreleme gücü elde etmek için karıştırma ve dağılma işlemleri birden fazla tekrarlanmakta ve her iterasyonda farklı şifreleme kodları dağılma kısmında kullanılmaktadır.
Sunulan görüntü kripto sistem ile ilgili tüm istatistiksel ve diferansiyel analizler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Hız ve güvenlik açısından sunulan algoritma, mevcut bazı şifreleme algoritmaları ile karşılaştırıldığında tasarlanan algoritma çok daha iyi performans göstermiştir. Sunulan kripto sistemin uygulama tarafında ise anahtar üreteci, şifreleme ve çözme yapıları donanım olarak sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA) ortamında başarıyla sentezlenmiş ve gerçekleştirilmiştir. Teorik analizler ve benzetim sonuçları, sunulan görüntü şifreleme sisteminin yüksek güvenlik seviyesine sahip olduğunu doğrulamakta ve farklı ölçülerdeki karasel görüntüler üzerinde etkin bir şifreleme ve çözme işlemi gerçekleştirdiğini onaylamaktadır. Ayrıca deneysel sonuçlar, sunulan kripto sistemin pratik uygulamalarda kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, a chaos-based symmetric image encryption algorithm is designed for color and gray images. The proposed algorithm contains permutation (confusion) and modification (diffusion) processes related to the image pixels. In confusion part, Arnold Cat map is used to change the pixel positions of the plain image and then improved Logistic map for the generation of encryption key is used to modify the pixel values in diffusion part. Firstly, an improved chaotic map is designed to exhibit better performance than the standard Logistic map in terms of key space range, complexity, uniformity and chaotic substantiality. Generated encryption codes are not only sensitive to the control parameter and initial condition of the improved map but also strongly depend on the plain image characteristic. Hence, the proposed scheme can resist statistical attacks, differential attacks, known-plaintext and chosen-plaintext attacks. Furthermore, to get higher encryption strength of the cryptosystem, both confusion and diffusion processes are repeated one more time and different encryption codes are used in each iteration in diffusion part.
All statistical and differential analyses about the proposed cryptosystem are studied in detail. Compared to the results of the some conventional encryption algorithms, the proposed scheme shows superior performance according to the speed and security of the algorithm. The practical applications including key generator, encryption and decryption parts of the proposed cryptosystem are successfully synthesized and implemented into the FPGA (Field Programmable Gate Array) as a hardware environment. Theoretical analyses and simulation results confirm that the proposed image encryption system has high level of security and effectively encrypts and decrypts the square images with different sizes as well. Experimental results also demonstrate the feasibility of the proposed cryptosystem in practical applications.