神經(jīng)計算智能信息處理課件

神經(jīng)計算智能信息處理1神經(jīng)計算智能信息處理神經(jīng)計算智能信息處理2目錄1.引言2.混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型3.混沌檢測與預(yù)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(jié)論與討論

神經(jīng)計算智能信息處理31、引言混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有豐富的非線性動力學(xué)行為，它具有高的潛在應(yīng)用價值，生物學(xué)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和獲得類腦信息處理系統(tǒng)具有重大的學(xué)科前沿性意義。神經(jīng)計算智能信息處理4EvolutionComputingChaoticDynamicsNeuralNetworkFuzzySystemBrainandCognitionNeurocomputingScienceBrain-likeInformationSystemThinkingandConsciousnessSubsystemVideoandAudioSubsystemIntelligentControlSubsystemInformationScienceLarge-scaleCombinatoryOptimizationInformationTheoryEvolutionQuantumComputingSoftwareDynamicNeuralNetworksBrain-likeComputingQuantumMechanicsDNAComputing神經(jīng)計算智能信息處理51.引言研究與生物神經(jīng)元密切相關(guān)的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及動力學(xué)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(chǔ)。混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yù)測、優(yōu)化方法，如用在自然災(zāi)害、天氣變化、金融工程等非平穩(wěn)復(fù)雜現(xiàn)象分析，將起到不可估量的經(jīng)濟及社會效益；項目成果在信息安全、通信、生物醫(yī)學(xué)工程的具體應(yīng)用，將為信息科學(xué)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。神經(jīng)計算智能信息處理62.混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立新的混沌時延細胞神經(jīng)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(jīng)元、目標信息指引、多值模式、動態(tài)吸引參數(shù)的混沌聯(lián)想記憶模型提出一類折疊次數(shù)無限的混沌自映射模型提出一類漸近確定性隨機模型神經(jīng)計算智能信息處理72.2胃電活動的動力學(xué)模型（HH-GEA）描述細胞電活動的一般性數(shù)學(xué)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(yīng)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(fù)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模型等效電路神經(jīng)計算智能信息處理82.2HH-GEA的動力學(xué)行為(一)當松弛時間很小時，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(nèi)GEA的全部特性。神經(jīng)計算智能信息處理92.2HH-GEA的動力學(xué)行為(二)HH-GEA模型動力學(xué)行為實測胃電活動神經(jīng)計算智能信息處理102.2HH-GEA模型的意義建立了最準確描述胃電活動的HH-GEA模型?？甲C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(chǔ)上，將混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于胃電信號的分析與識別，獲得了可應(yīng)用于臨床的成果。神經(jīng)計算智能信息處理112.2該成果獲全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文及指導(dǎo)教師獎神經(jīng)計算智能信息處理122.2美國出版《NonlinearBiomedicalSignalProcessing》一書第13章“RhythmsandChaosintheStomach”全面介紹了HH-GEA模型，并將我們的成果作為該書封面。神經(jīng)計算智能信息處理132.6漸近確定性隨機模型混沌是確定性系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)生的不可預(yù)測行為,連接了混沌和隨機過程,不但在非線性動力學(xué)研究以及很多研究領(lǐng)域具有重要作用，而且研究表明確定性隨機與數(shù)論研究一些開問題相關(guān)聯(lián).神經(jīng)計算智能信息處理142.6漸近確定性隨機模型更正了關(guān)于確定性隨機產(chǎn)生條件、動力學(xué)特性的一些錯誤結(jié)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(gòu)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.對李沙育的不動點、倍周期分叉、Lyapunov指數(shù)譜等相關(guān)動力學(xué)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(nèi)在聯(lián)系，又有本質(zhì)區(qū)別，連接了混沌與隨機過程。神經(jīng)計算智能信息處理152.6漸近確定性隨機模型神經(jīng)計算智能信息處理162.6李沙育映射動力學(xué)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(dǎo)數(shù)的“調(diào)頻”變換神經(jīng)計算智能信息處理172.6李沙育映射動力學(xué)特性分析

符號序列和初始值之間對應(yīng)關(guān)系:(a)Logistic映射;(b)斜Tent映射;(c)分段線性映射;(d)李沙育映射神經(jīng)計算智能信息處理182.6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(yīng)關(guān)系；與高維混沌比較，其Lyapunov指數(shù)和為正，是對耗散系統(tǒng)的發(fā)展.在非線性動力學(xué)研究以及很多研究領(lǐng)域具有重要作用,在非經(jīng)典密碼學(xué)方面具有重要作用.神經(jīng)計算智能信息處理192.6相關(guān)論文Neur.Inform.Proc-Lett.Rev.2004.IEEEICNNSP’03,(優(yōu)秀論文獎).中國科學(xué)E輯,(已投).神經(jīng)計算智能信息處理20小結(jié)綜上可見，基礎(chǔ)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(guān)多學(xué)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(nèi)信息，就有可能從體外提取信息代替插入體內(nèi)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(nèi)在機制（隨機的還是混沌）仍沒有明確結(jié)論，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)其蘊涵確定性分量和由此產(chǎn)生混沌現(xiàn)象，可為為醫(yī)療診斷提供新手段。

神經(jīng)計算智能信息處理214. 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(qū)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神經(jīng)計算智能信息處理224.2一種基于離散耦合混沌同步的數(shù)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(xué)預(yù)測和系統(tǒng)參數(shù)辨識等方法攻擊的缺點。我們提出了一種新的混沌數(shù)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。神經(jīng)計算智能信息處理23單路話音信號的混沌保密通信方案神經(jīng)計算智能信息處理24

原始語音信號神經(jīng)計算智能信息處理25方案一(常規(guī)遮掩法)的傳輸信號神經(jīng)計算智能信息處理26方案二(本工作所提方案)的傳輸信號神經(jīng)計算智能信息處理27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(yīng)的恢復(fù)話音信號，神經(jīng)計算智能信息處理28(c)是由方案二中傳輸信號重構(gòu)出的回歸映射散點圖，(d)為恢復(fù)信號。神經(jīng)計算智能信息處理295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(jīng)保密通信神經(jīng)計算智能信息處理305.1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(zhì)與狀態(tài)遍歷性與密碼學(xué)中的基本概念“擴散”與“混淆”存在本質(zhì)上的相似與聯(lián)系;密碼學(xué)是混沌走向?qū)嶋H應(yīng)用的最有可能的領(lǐng)域;快速有效，高度密鑰敏感性，有效改變像素間相關(guān)性,抵抗統(tǒng)計與差分攻擊的能力；相關(guān)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).神經(jīng)計算智能信息處理315.1基于3DCAT映射的混沌圖象加密算法神經(jīng)計算智能信息處理325.1基于3DCAT映射的混沌圖象加密算法神經(jīng)計算智能信息處理335.1基于3DCAT映射的混沌圖象加密算法神經(jīng)計算智能信息處理345.1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(shù)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。神經(jīng)計算智能信息處理355.1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(guān)；根據(jù)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(yīng)區(qū)間；根據(jù)Logistic映射，求每個所對應(yīng)根據(jù)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(yīng)區(qū)間；計算與的交集，得重復(fù)上述操作，獲得任意長符號區(qū)間序列。神經(jīng)計算智能信息處理365.1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)，(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(jù)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(shù)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(jù)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3Dcat變換矩陣或等價矩陣；等價矩陣可以和3Dcat變換矩陣不同，但是同樣可以解密。神經(jīng)計算智能信息處理375.1混沌圖象加密算法安全性分析:像素位置變換神經(jīng)計算智能信息處理385.1混沌圖象加密算法安全性分析:攻擊結(jié)果神經(jīng)計算智能信息處理395.1相關(guān)論文Phys.Lett.A,2005.通信學(xué)報,(已投)神經(jīng)計算智能信息處理405.2一類時空混沌加密系統(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(yù)測、回歸圖、自適應(yīng)參數(shù)估計及EFA等均可有效攻擊系統(tǒng).之后,研究重點轉(zhuǎn)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(guān)工作S.H.Wang提出將OCML與取整取模結(jié)合進一步提高密鑰敏感性，以及抵抗諸如參數(shù)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(jié)果先后被PhysicsNewsUpdate，PhysicalReviewFocus和InformationSecurityMagazine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(yīng)用于保密電話系統(tǒng)神經(jīng)計算智能信息處理415.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:加密機結(jié)構(gòu)神經(jīng)計算智能信息處理425.2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(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(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(jié)構(gòu)下并行加解密需很強耦合;在常數(shù)驅(qū)動下退化為一維映射;神經(jīng)計算智能信息處理435.2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神經(jīng)計算智能信息處理444.4時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

一維結(jié)構(gòu)下并行加解密需很強耦合神經(jīng)計算智能信息處理455.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

在常數(shù)驅(qū)動下退化為一維映射神經(jīng)計算智能信息處理465.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

在常數(shù)驅(qū)動下退化為一維映射神經(jīng)計算智能信息處理475.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊方法神經(jīng)計算智能信息處理485.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊方法神經(jīng)計算智能信息處理495.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊方法神經(jīng)計算智能信息處理505.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊方法神經(jīng)計算智能信息處理515.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊方法神經(jīng)計算智能信息處理525.2時空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:

類差分攻擊結(jié)果神經(jīng)計算智能信息處理535.2相關(guān)論文ChaosSolitons&Fractals,2005(已修改,評審意見為”Excellent”).神經(jīng)計算智能信息處理545.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng)神經(jīng)計算智能信息處理555.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng)神經(jīng)計算智能信息處理565.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

同步性能神經(jīng)計算智能信息處理575.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

并行加解密性能神經(jīng)計算智能信息處理585.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

抗噪聲干擾性能神經(jīng)計算智能信息處理595.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

密鑰敏感性神經(jīng)計算智能信息處理605.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

統(tǒng)計攻擊神經(jīng)計算智能信息處理615.3基于李沙育映射的時空混沌保密通信系統(tǒng):

類差分攻擊神經(jīng)計算智能信息處理625.3相關(guān)論文Phys.Lett.A(已投).神經(jīng)計算智能信息處理635.4安全性與同步性統(tǒng)一的神經(jīng)密鑰交換協(xié)議問題提出目前存在大量基于數(shù)論的密鑰交換協(xié)議,但存不存在基于數(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過互學(xué)習可以實現(xiàn)同步，并首次提出神經(jīng)密碼學(xué)概念。RSA創(chuàng)始人之一的A.Shamir將這種多輪同