Bueno .. ese es el problema del error que describes y su solución es la de llamar a tu script PHP por un tag HTML de imagen ...
Ahora, si necesitas "adjuntar" algo de información a esa imagen que se ha generado .. lo que deberías es separar los procesos "puros" de generación de la imagen (que necesita enviar cabeceras HTTP vía header()) y los procesos que generen el dato asociado a esta ..
Para eso te vendría bien usar sesiones o cookies Y . si no te importa mucho si podrían ver otras imagenes .. podrías propagar las variables necesarias en el URL simplemente.
Se trata de tener un script que bajo un identificador (sea lo que sea: ID, nombre del archivo .. etc) genere ese thumbnail de la imagen . .Esa misa referencia la usaras para asociar otros datos como un link bajo un array/base de datos/etc que uses ..
ver_thumb.php
Código PHP:
<?
$id=$_GET['id']; // o usas cookies/sesiones
//tu código que hace el thumbnail de la imagen .. NO el código que la seleciona aleatoriamente ..
?>
Su uso.
<img src="ver_thumb.php?id=referencia">
Y .. será tu código que usas actualmente para generar esa referencia aleatoria la que componga ese link (todo esto en scripts aparte).
Código PHP:
<?
código que generar la refencia aleatoria: $referencia (link y nombre del thumb o ID .. )
?>
<a href="<? echo $referencia['link'] ?>"><img src="ver_thumb.php?id=<? echo $referencia['nombre'] ?"></a>
ahí mismo ya podrás usar tus otras referencias de esa imagen (link .. etc) que las usaras en tu BD o donde lo uses.
Un saludo,