This paper introduces the design of a hardware efficient reconfigurable pseudorandom number generator (PRNG) using two different feedback controllers based four-dimensional (4D) hyperchaotic systems i.e. Hyperchaotic-1 and -2 to provide confidentiality for digital images. The parameter's value of these two hyperchaotic systems is set to be a specific value to get the benefits i.e. all the multiplications (except a few multiplications) are performed using hardwired shifting operations rather than the binary multiplications, which doesn't utilize any hardware resource. The ordinary differential equations (ODEs) of these two systems have been exploited to build a generic architecture that fits in a single architecture. The proposed architecture provides an opportunity to switch between two different 4D hyperchaotic systems depending on the required behavior. To ensure the security strength, that can be also used in the encryption process in which encrypt the input data up to two times successively, each time using a different PRNG configuration. The proposed reconfigurable PRNG has been designed using Verilog HDL, synthesized on the Xilinx tool using the Virtex-5 (XC5VLX50T) and Zynq (XC7Z045) FPGA, its analysis has been done using Matlab tool. It has been found that the proposed architecture of PRNG has the best hardware performance and good statistical properties as it passes all fifteen NIST statistical benchmark tests while it can operate at 79.101-MHz or 1898.424-Mbps and utilize only 0.036 %, 0.23 %, and 1.77 % from the Zynq (XC7Z045) FPGA's slice registers, slice LUTs, and DSP blocks respectively. Utilizing these PRNGs, we design two 16 × 16 substitution boxes (S-boxes). The proposed S-boxes fulfill the following criteria: Bijective, Balanced, Non-linearity, Dynamic Distance, Strict Avalanche Criterion (SAC) and BIC non-linearity criterion. To demonstrate these PRNGs and S-boxes, a new three different scheme of image encryption algorithms have been developed: a) Encryption using S-box-1, b) Encryption using S-box-2 and, c) Two times encryption using S-box-1 and S-box-2. To demonstrate that the proposed cryptosystem is highly secure, we perform the security analysis (in terms of the correlation coefficient, key space, NPCR, UACI, information entropy and image encryption quantitatively in terms of (MSE, PSNR and SSIM)).

本文介绍了一种硬件高效可重构伪随机数发生器 (PRNG) 的设计，该生成器使用基于四维 (4D) 超混沌系统（即 Hyperchaotic-1 和 -2）的两个不同反馈控制器来为数字图像提供机密性。这两个超混沌系统的参数值被设置为特定值以获得好处，即所有乘法（除了少数乘法）都使用硬连线移位运算而不是二进制乘法来执行，二进制乘法不使用任何硬件资源。这两个系统的常微分方程 (ODE) 已被用于构建适合单一架构的通用架构。所提出的架构提供了根据所需行为在两个不同的 4D 超混沌系统之间切换的机会。为了保证安全强度，也可以在加密过程中使用，其中最多连续加密输入数据两次，每次使用不同的 PRNG 配置。建议的可重构 PRNG 是使用 Verilog HDL 设计的，在 Xilinx 工具上使用 Virtex-5 (XC5VLX50T) 和 Zynq (XC7Z045) FPGA 进行综合，其分析已使用 Matlab 工具完成。已经发现，所提出的 PRNG 架构具有最佳的硬件性能和良好的统计特性，因为它通过了所有 15 个 NIST 统计基准测试，同时它可以在 79.101-MHz 或 1898.424-Mbps 下运行，并且仅利用 0.036%、0.23% 和1.77% 来自 Zynq (XC7Z045) FPGA' s 切片寄存器、切片 LUT 和 DSP 模块。利用这些 PRNG，我们设计了两个 16 × 16 的替代框（S-box）。提议的 S 盒满足以下标准：双射、平衡、非线性、动态距离、严格雪崩标准 (SAC) 和 BIC 非线性标准。为了演示这些 PRNG 和 S-box，我们开发了一种新的三种不同的图像加密算法方案：a) 使用 S-box-1 加密，b) 使用 S-box-2 加密和，c) 使用 S 两次加密-box-1 和 S-box-2。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。利用这些 PRNG，我们设计了两个 16 × 16 的替代框（S-box）。提议的 S 盒满足以下标准：双射、平衡、非线性、动态距离、严格雪崩标准 (SAC) 和 BIC 非线性标准。为了演示这些 PRNG 和 S-box，我们开发了一种新的三种不同的图像加密算法方案：a) 使用 S-box-1 加密，b) 使用 S-box-2 加密和，c) 使用 S 两次加密-box-1 和 S-box-2。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。利用这些 PRNG，我们设计了两个 16 × 16 的替代框（S-box）。提议的 S 盒满足以下标准：双射、平衡、非线性、动态距离、严格雪崩标准 (SAC) 和 BIC 非线性标准。为了演示这些 PRNG 和 S-box，我们开发了一种新的三种不同的图像加密算法方案：a) 使用 S-box-1 加密，b) 使用 S-box-2 加密和，c) 使用 S 两次加密-box-1 和 S-box-2。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。平衡、非线性、动态距离、严格雪崩准则 (SAC) 和 BIC 非线性准则。为了演示这些 PRNG 和 S-box，我们开发了一种新的三种不同的图像加密算法方案：a) 使用 S-box-1 加密，b) 使用 S-box-2 加密和，c) 使用 S 两次加密-box-1 和 S-box-2。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。平衡、非线性、动态距离、严格雪崩准则 (SAC) 和 BIC 非线性准则。为了演示这些 PRNG 和 S-box，我们开发了一种新的三种不同的图像加密算法方案：a) 使用 S-box-1 加密，b) 使用 S-box-2 加密和，c) 使用 S 两次加密-box-1 和 S-box-2。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。b) 使用 S-box-2 加密，c) 使用 S-box-1 和 S-box-2 进行两次加密。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。b) 使用 S-box-2 加密，c) 使用 S-box-1 和 S-box-2 进行两次加密。为了证明所提出的密码系统是高度安全的，我们进行了安全分析（在相关系数、密钥空间、NPCR、UACI、信息熵和图像加密方面（MSE、PSNR 和 SSIM）定量）。