Pues de igual forma yo lo hacia, pero no resultaba, y cuando metia la ruta .../imagen.php, salien perfectamente, el codigo lo encontre en otro foro:
<?php
$imagen[]="1.jpg";
$imagen[]="2.jpg";
$imagen[]="3.jpg";
$aleatoria=rand(0,count($imagen)-1);
readfile ($imagen[$aleatoria]);
?>