神經計算智能信息處理

1、神經計算智能信息處理何振亞東南大學1目錄1.引言2.混沌神經網絡模型3.混沌檢測與預測4.混沌同步與控制5.混沌通信6.混沌聯(lián)想記憶7.混沌優(yōu)化計算8.結論與討論 2 1、引言混沌神經網絡具有豐富的非線性動力學行為，它具有高的潛在應用價值，生物學家已證明人腦的思維是在混沌與有序的邊界上演化，因此研究混沌神經網絡和獲得類腦信息處理系統(tǒng)具有重大的學科前沿性意義。3Evolution ComputingChaoticDynamicsNeural NetworkFuzzySystemBrain andCognitionNeurocomputingScienceBrain-likeInformation

2、 SystemThinking and Consciousness SubsystemVideo and Audio SubsystemIntelligent Control SubsystemInformationScienceLarge-scale Combinatory OptimizationInformation TheoryEvolution Quantum Computing SoftwareDynamic NeuralNetworksBrain-likeComputingQuantum MechanicsDNAComputing41.引言研究與生物神經元密切相關的混沌神經網絡模

3、型及動力學行為的成果，為探索人腦信息處理機制，特別是思維意識問題，提供堅實基礎。混沌神經網絡具有無限個互不重疊的不穩(wěn)定周期軌道，如每個軌道上寄存一個信息矢量，將可以實現(xiàn)動態(tài)海量存儲器；混沌預測、優(yōu)化方法，如用在自然災害、天氣變化、金融工程等非平穩(wěn)復雜現(xiàn)象分析，將起到不可估量的經濟及社會效益；項目成果在信息安全、通信、生物醫(yī)學工程的具體應用，將為信息科學中許多新出現(xiàn)或傳統(tǒng)方法難以解決甚至不能解決的問題探索一類嶄新的解決途徑。52. 混沌神經網絡模型建立新的混沌時延細胞神經元模型建立最準確描述胃電活動的HH-GEA模型發(fā)現(xiàn)心臟節(jié)律存在混沌的CWF模型提出反對稱混沌神經元、目標信息指引、多值模式、動

4、態(tài)吸引參數的混沌聯(lián)想記憶模型 提出一類折疊次數無限的混沌自映射模型提出一類漸近確定性隨機模型62.2胃電活動的動力學模型（HH-GEA）描述細胞電活動的一般性數學模型HH方程(獲諾貝爾獎)的解與實測的接近幽門處平滑肌細胞膜電位相似，但不能準確反應既包含慢波又包含峰電位（快波）的胃平滑肌電活動（GEA）。通過對GEA電生理機制反復研究，提出了依賴于電壓的Ca2+通道（L和T型），混合Ca2+-K+通道，建立了完善的HH-GEA模型。I=VVgIgI+V-gIV+-+-VVVVgggggI=gIIIII+V-VHH方程等效電路HH-GEA模型等效電路72.2HH-GEA的動力學行為(一)當松弛時間

5、很小時，膜電位表現(xiàn)為3cpm的慢波。當松弛時間增加時，膜電位表現(xiàn)為慢波疊加峰電位的動態(tài)行為，可以很好描述平滑肌細胞內GEA的全部特性。82.2HH-GEA的動力學行為(二)HH-GEA模型動力學行為實測胃電活動92.2 HH-GEA模型的意義建立了最準確描述胃電活動的HH-GEA模型。考證了胃電活動的耦合機制及其混沌的時空模型。在該模型的基礎上，將混沌神經網絡用于胃電信號的分析與識別，獲得了可應用于臨床的成果。102.2該成果獲全國優(yōu)秀博士學位論文及指導教師獎112.2美國出版Nonlinear Biomedical Signal Processing一書第13章“Rhythms and Ch

6、aos in the Stomach”全面介紹了HH-GEA模型，并將我們的成果作為該書封面。122.6 漸近確定性隨機模型混沌是確定性系統(tǒng)產生的類隨機現(xiàn)象，連接了確定性與隨機過程.確定性隨機是確定性系統(tǒng)產生的不可預測行為,連接了混沌和隨機過程, 不但在非線性動力學研究以及很多研究領域具有重要作用，而且研究表明確定性隨機與數論研究一些開問題相關聯(lián). 132.6 漸近確定性隨機模型更正了關于確定性隨機產生條件、動力學特性的一些錯誤結論，揭示了實際系統(tǒng)中僅存在漸近確定性隨機，且目前已有解釋模型僅為漸近確定性隨機的近似形式。 構造出目前唯一能準確描述漸近確定性隨機行為的模型: 李沙育映射. 對李沙育

7、的不動點、倍周期分叉、Lyapunov指數譜等相關動力學特性進行了初步分析，發(fā)現(xiàn)漸近確定性隨機既與一維及高維混沌有內在聯(lián)系，又有本質區(qū)別，連接了混沌與隨機過程。142.6 漸近確定性隨機模型152.6 李沙育映射動力學特性分析 李沙育映射倍周期分叉過程類似于Logistic映射分叉過程導數的“調頻”變換 162.6 李沙育映射動力學特性分析 符號序列和初始值之間對應關系: (a)Logistic映射;(b)斜Tent映射;(c)分段線性映射;(d)李沙育映射172.6 理論與實際意義一維混沌映射,如Logistic及二階切比雪夫映射是李沙育映射的特例.與一維混沌，李沙育映射具有多值對應關系；與

8、高維混沌比較，其Lyapunov指數和為正，是對耗散系統(tǒng)的發(fā)展.在非線性動力學研究以及很多研究領域具有重要作用,在非經典密碼學方面具有重要作用.182.6 相關論文Neur. Inform. Proc-Lett. Rev. 2004.IEEE ICNNSP03, (優(yōu)秀論文獎).中國科學E輯,(已投).19小 結綜上可見，基礎研究很重要，它可以挖掘自然規(guī)律，獲得知識創(chuàng)新，帶動相關多學科發(fā)展。譬如，由于胃平滑肌電活動的動態(tài)模型具有高的現(xiàn)實機理，能反映胃內信息，就有可能從體外提取信息代替插入體內胃鏡的診斷方法。心室顫動會造成猝死，國際上對心臟節(jié)律的內在機制（隨機的還是混沌）仍沒有明確結論，現(xiàn)在我們

9、發(fā)現(xiàn)其蘊涵確定性分量和由此產生混沌現(xiàn)象，可為為醫(yī)療診斷提供新手段。 204.混沌同步與控制混沌系統(tǒng)的同步方法：系統(tǒng)分離法、離散耦合法、頻域補償法和變量驅動法混沌系統(tǒng)的控制方法：脈沖負反饋控制法、變量比例反饋控制法、外加周期激勵控制法和延遲反饋控制法混沌保密通信方案：基于線性系統(tǒng)的非線性時延反饋、離散耦合混沌同步保密通信方案214.2 一種基于離散耦合混沌同步的數字保密通信方案傳統(tǒng)的混沌遮掩保密通信方案由于信噪比低且容易受到基于動力學預測和系統(tǒng)參數辨識等方法攻擊的缺點。我們提出了一種新的混沌數字保密通信方案。該方案可有效地抵御上述兩類方法的攻擊，并且具有更為優(yōu)越的頻帶利用率和抗噪性能。22單路話

10、音信號的混沌保密通信方案23 原始語音信號24方案一(常規(guī)遮掩法)的傳輸信號25方案二(本工作所提方案)的傳輸信號26回歸映射方法(a)為方案一中傳輸信號得到的回歸映射圖，(b)為相應的恢復話音信號，27(c)是由方案二中傳輸信號重構出的回歸映射散點圖，(d)為恢復信號。285 混沌通信混沌跳頻通信混沌保密通信 2.1 基于混沌遍歷性的混沌保密通信 2.2 基于混沌同步性的混沌保密通信 2.3 神經保密通信295.1 混沌圖象加密算法安全性分析研究背景非線性映射具有的初始值敏感性質與狀態(tài)遍歷性與密碼學中的基本概念“擴散”與“混淆”存在本質上的相似與聯(lián)系;密碼學是混沌走向實際應用的最有可能的領域

11、;快速有效，高度密鑰敏感性，有效改變像素間相關性,抵抗統(tǒng)計與差分攻擊的能力；相關工作按具體實現(xiàn)包括灰度值替代算法、像素位置變換算法以及組合算法;基于三維CAT映射的圖象加密算法是目前最優(yōu)秀的方案之一.( G.R.Chen,2004).305.1 基于3D CAT映射的混沌圖象加密算法315.1 基于3D CAT映射的混沌圖象加密算法325.1 基于3D CAT映射的混沌圖象加密算法335.1 混沌圖象加密算法安全性分析密鑰保護步并不必要，攻擊者只需攻擊出Cat變換矩陣A或其等價矩陣以及擴散操作的初始參數便可完全破解該加解密系統(tǒng)；輸入灰度值相同的明文圖像時，密碼安全性僅依賴擴散草操作；輸入特殊明

12、文圖像（僅一位像素灰度值不為0），密碼安全性僅依賴像素位置變換操作?？梢苑植焦舫鯟at變換矩陣A或其等價矩陣和擴散操作的密鑰。345.1 混沌圖象加密算法安全性分析:擴散操作輸入各像素灰度值全部相同的明文圖像，此時輸出密文僅與擴散操作有關 ；根據C(k),C(k-1),I(k)，計算所有滿足擴散操作的混沌符號 及對應區(qū)間 ；根據Logistic映射，求每個 所對應根據C(k),C(k+1),I(k+1) ，計算所有滿足擴散操作混沌符號 及對應區(qū)間 ；計算 與 的交集 ，得 重復上述操作，獲得任意長符號區(qū)間序列。355.1 混沌圖象加密算法安全性分析:像素位置變換依次輸入分別在(1,1,1)，

13、 (0,1,1)， (1,0,1)，(1,1,0)坐標處像素灰度值為255，其余各處灰度值為0的明文圖像。 根據擴散操作可知，當I(k)=0，則C(k)=C(k-1)。因此可通過比較序列中相鄰元素數值變化情況，找出灰度值不為零像素在密文圖像中的位置。根據像素在明文圖像和密文圖像中的位置變化，通過解方程的方法可以解出3D cat變換矩陣或等價矩陣；等價矩陣可以和3D cat變換矩陣不同，但是同樣可以解密。365.1 混沌圖象加密算法安全性分析:像素位置變換375.1 混沌圖象加密算法安全性分析:攻擊結果385.1 相關論文Phys. Lett. A, 2005.通信學報,(已投)395.2 一類

14、時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析研究背景:研究初期，大部分混沌保密通信基于低維混沌, 很多攻擊方案如：非線性預測、回歸圖、自適應參數估計及EFA等均可有效攻擊系統(tǒng).之后,研究重點轉移到高維，然而研究表明僅依賴于高維并不保證安全, 并且Hu. G 提出用OCML的級聯(lián)來提高密鑰敏感性.相關工作S.H. Wang提出將OCML與取整取模結合進一步提高密鑰敏感性，以及抵抗諸如參數估計攻擊等的能力。G. N. Tang將S盒引入系統(tǒng)，再次提高了安全性。H. P. Lu將系統(tǒng)擴展至二維提高了系統(tǒng)的加解密效率和抗噪性能此結果先后被Physics News Update ，Physical Review Foc

15、us 和Information Security Magazine 被公認為是最成功的基于同步的混沌保密通信系統(tǒng),并被應用于保密電話系統(tǒng)405.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:加密機結構415.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析優(yōu)點:目前公認混沌保密通信最優(yōu)秀方案之一;具有強密鑰敏感性;能抵御現(xiàn)有所有攻擊;二維結構能夠實現(xiàn)并行加解密,且抗噪聲干擾能力強.缺陷:單級混淆和擴散的強度不夠;一維結構下并行加解密需很強耦合;在常數驅動下退化為一維映射;425.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 單級混淆和擴散的強度不夠434.4 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 一維結構下并行加解密需很強耦合445.2

16、 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 在常數驅動下退化為一維映射455.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 在常數驅動下退化為一維映射465.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法475.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法485.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法495.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法505.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法515.2 時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊結果525.2 相關論文Chaos Solitons & Fractals,2005 (

17、已修改,評審意見為”Excellent”).535.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng)545.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng)555.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 同步性能565.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 并行加解密性能575.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 抗噪聲干擾性能585.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 密鑰敏感性595.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 統(tǒng)計攻擊605.3 基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng): 類差分攻擊615.3 相關論文Phys.Lett.A (

18、已投).625.4 安全性與同步性統(tǒng)一的神經密鑰交換協(xié)議問題提出目前存在大量基于數論的密鑰交換協(xié)議,但存不存在基于數論之外的密鑰交換協(xié)議？可否交換N比特信息獲得大于N比特的密鑰?研究背景I. Kanter發(fā)現(xiàn)兩個神經網絡通過互學習可以實現(xiàn)同步，并首次提出神經密碼學概念。RSA創(chuàng)始人之一的A. Shamir將這種多輪同步評價為“一個嶄新的概念，為數論之外的密鑰交換提供了新思路” 。New Scientist及Technology Research News對NC的成果進行報道，并將其評價為有可能應用于快速、安全的信息傳輸。635.4 神經網絡互學習結構645.4 安全性與同步性統(tǒng)一的神經密鑰交換協(xié)議KKK協(xié)議在Flipping攻擊下性能非最優(yōu)及在組合攻擊下完全不安全是由于隱層的不充分混淆提出混淆和同步分離的思想（確定性隨機的思想），使得在充分混淆下的同步成為可能。655.4 抵抗幾何攻擊的能力665.4 抵抗組合攻擊的能力675.4 相關論文該項工作得到神經密碼學創(chuàng)始人高度評價,并與我們開展合作研究.CNNC04, 2004.(優(yōu)