Memristif Kaotik Devrelere Dayalı Görüntü Şifreleme Tekniği ve Gerçek Zamanlı Uygulaması

Abstract

Bu proje, günümüzde artan dijital veri kullanımıyla birlikte, özellikle medikal ve kişisel bilgilerin güvenliği açısından görüntü şifrelemenin önemini incelemektedir. Gelişen teknolojiyle birlikte, hassas görüntü verilerinin korunması, yetkisiz erişimlere karşı güvenlik sağlanması ve mahremiyetin korunması, bireylerin ve kuruluşların dijital dünyada güvenli bir iletişim kurmaları için kritik bir gereklilik haline gelmiştir. Kaotik sistemler temel alınarak yapılan görüntü şifreleme, rastgelelik, karmaşıklık ve güvenlik açısından önemli avantajlar sunar. Kaos tabanlı görüntü şifreleme yöntemleri, geleneksel şifreleme tekniklerinden ayrılarak daha yüksek güvenlik düzeyleri sağlar. Kaotik sistemlerin deterministik, ancak öngörülemez davranışı, şifrelenmiş görüntülerin tahmin edilmesini zorlaştırarak güvenlik sağlar. Bu proje kapsamında ilk olarak özgün memristör tabanlı kaotik ve hiperkaotik sistemler önerilmiştir. Önerilen modellerin tasarımı Ltpice simülasyon programında, dinamik analizleri ise Matlab platformunda yapılarak analiz edilmiştir. Ayrıca önerilen modeller için gerçek zamanlı sonuçlar elde edilerek memristör tabanlı hiperkaotik devre PCB olarak tasarlanmıştır. Önerilen bu devre modellerinden elde edilen bit dizileri istatiksel testlere tabi tutularak rasgeleliği araştırılmış olup bu aşamadan sonra son işlem algoritmalarına verilerek istatiksel testlerden başarıyla geçirilmiştir. Çalışmanın birinci kısmında hibrit şifreleme algoritması tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak özgün memristör tabanlı kaotik sistem temelli DNA şifreleme algoritması yayılma ve karıştıma yöntemleri ile birleştirilerek şifreleme işlemine tabi tutulmuştur. Bu uygulama gerçek zamanlı olarak PYNQ gömülü sistem platformunda gerçekleştirilerek şifreleme ve çözme süreleri elde edilmiştir. Güvenlik analizleri (histogram diyagramı, korelasyon analizi, diferansiyel atak analizi, NPCR ve UACI) gerçekleştirilerek sistemin güvenirliği ispatlanmıştır. Sistemin ayrıca DNA şifreleme algoritması olmadan da sonuçları elde edilerek karşılaştırması yapılmıştır. İkinci uygulama, Jetson TX2 platformunda gerçek zamanlı görüntü şifreleme işlemi için kullanılan hibrit şifreleme algoritmasını detaylı bir şekilde incelemiştir. Memristör tabanlı hiperkaoitk devre için yukarıda verilen şifreleme yönteminde OTP, mutasyon ve çaprazlama yöntemleri ilave edilmiş mevcut DNA algoritması ise genişletilmiştir. Sunulan yeni algoritmanın donanım entegrasyonu, şifreleme ve çözme süreleri, güvenlik analizi ve görsel farklılık analizi üzerinde detaylı bir değerlendirme yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, Jetson TX2 platformunda başarılı bir şekilde çalıştırılan hibrit şifreleme algoritmasının gerçek zamanlı görüntü şifreleme uygulamalarında etkili bir performans sergilediğini göstermektedir. Son uygulama, önerilen hiperkaotik devre modeli ile FPGA (Zynq ultrascale+ ZCU106) üzerinde gerçek zamanlı gri seviyeli video şifreleme uygulamasının başarıyla gerçekleştirilmesini içermektedir. FPGA kartındaki şifreleme işlemleri, hiperkaotik devreden elde edilen rasgele bit dizileri ve DNA son-işlem algoritması kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, önerilen hibrit şifreleme algoritmasının FPGA platformunda güvenli bir şekilde video şifreleme uygulamalarında kullanılabileceğini göstermektedir. Bu proje, önerilen hibrit şifreleme algoritmalarının farklı platformlarda başarılı bir şekilde çalıştığını ve güvenli şifreleme uygulamalarında potansiyel bir kullanım alanına sahip olduğunu vurgulamaktadır.