神經(jīng)計(jì)算智能信息處理

1、神經(jīng)計(jì)算智能信息處理何振亞東南大學(xué)1目錄1.引言2.混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型3.混沌檢測(cè)與預(yù)測(cè)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(jì)算8.結(jié)論與討論 2 1、引言混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有豐富的非線性動(dòng)力學(xué)行為，它具有高的潛在應(yīng)用價(jià)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。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(jīng)元密切相關(guān)的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模

3、型及動(dòng)力學(xué)行為的成果，為探索人腦信息處理機(jī)制，特別是思維意識(shí)問題，提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?；煦缟窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有無限個(gè)互不重疊的不穩(wěn)定周期軌道，如每個(gè)軌道上寄存一個(gè)信息矢量，將可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)海量存儲(chǔ)器；混沌預(yù)測(cè)、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(jì)及社會(huì)效益；項(xiàng)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。52. 混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立新的混沌時(shí)延細(xì)胞神經(jīng)元模型建立最準(zhǔn)確描述胃電活動(dòng)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(duì)稱混沌神經(jīng)元、目標(biāo)信息指引、多值模式、動(dòng)

4、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(jī)模型62.2胃電活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型（HH-GEA）描述細(xì)胞電活動(dòng)的一般性數(shù)學(xué)模型HH方程(獲諾貝爾獎(jiǎng))的解與實(shí)測(cè)的接近幽門處平滑肌細(xì)胞膜電位相似，但不能準(zhǔn)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(dòng)（GEA）。通過對(duì)GEA電生理機(jī)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72.2HH-GEA的動(dòng)力學(xué)行為(一)當(dāng)松弛時(shí)間

5、很小時(shí)，膜電位表現(xiàn)為3cpm的慢波。當(dāng)松弛時(shí)間增加時(shí)，膜電位表現(xiàn)為慢波疊加峰電位的動(dòng)態(tài)行為，可以很好描述平滑肌細(xì)胞內(nèi)GEA的全部特性。82.2HH-GEA的動(dòng)力學(xué)行為(二)HH-GEA模型動(dòng)力學(xué)行為實(shí)測(cè)胃電活動(dòng)92.2 HH-GEA模型的意義建立了最準(zhǔn)確描述胃電活動(dòng)的HH-GEA模型?？甲C了胃電活動(dòng)的耦合機(jī)制及其混沌的時(shí)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(hào)的分析與識(shí)別，獲得了可應(yīng)用于臨床的成果。102.2該成果獲全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文及指導(dǎo)教師獎(jiǎng)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(jī)模型混沌是確定性系統(tǒng)產(chǎn)生的類隨機(jī)現(xiàn)象，連接了確定性與隨機(jī)過程.確定性隨機(jī)是確定性系統(tǒng)產(chǎn)生的不可預(yù)測(cè)行為,連接了混沌和隨機(jī)過程, 不但在非線性動(dòng)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(jī)與數(shù)論研究一些開問題相關(guān)聯(lián). 132.6 漸近確定性隨機(jī)模型更正了關(guān)于確定性隨機(jī)產(chǎn)生條件、動(dòng)力學(xué)特性的一些錯(cuò)誤結(jié)論，揭示了實(shí)際系統(tǒng)中僅存在漸近確定性隨機(jī)，且目前已有解釋模型僅為漸近確定性隨機(jī)的近似形式。 構(gòu)造出目前唯一能準(zhǔn)確描述漸近確定性隨機(jī)行為的模型: 李沙育映射. 對(duì)李沙育

7、的不動(dòng)點(diǎn)、倍周期分叉、Lyapunov指數(shù)譜等相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)漸近確定性隨機(jī)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(jī)過程。142.6 漸近確定性隨機(jī)模型152.6 李沙育映射動(dòng)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 162.6 李沙育映射動(dòng)力學(xué)特性分析 符號(hào)序列和初始值之間對(duì)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172.6 理論與實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系；與

8、高維混沌比較，其Lyapunov指數(shù)和為正，是對(duì)耗散系統(tǒng)的發(fā)展.在非線性動(dòng)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.182.6 相關(guān)論文Neur. Inform. Proc-Lett. Rev. 2004.IEEE ICNNSP03, (優(yōu)秀論文獎(jiǎng)).中國科學(xué)E輯,(已投).19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(shí)創(chuàng)新，帶動(dòng)相關(guān)多學(xué)科發(fā)展。譬如，由于胃平滑肌電活動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型具有高的現(xiàn)實(shí)機(jī)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(dòng)會(huì)造成猝死，國際上對(duì)心臟節(jié)律的內(nèi)在機(jī)制（隨機(jī)的還是混沌）仍沒有明確結(jié)論，現(xiàn)在我們

9、發(fā)現(xiàn)其蘊(yùn)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。 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(bǔ)償法和變量驅(qū)動(dòng)法混沌系統(tǒng)的控制方法：脈沖負(fù)反饋控制法、變量比例反饋控制法、外加周期激勵(lì)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(shí)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(shù)字保密通信方案?jìng)鹘y(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(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)等方法攻擊的缺點(diǎn)。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。22單路話

10、音信號(hào)的混沌保密通信方案23 原始語音信號(hào)24方案一(常規(guī)遮掩法)的傳輸信號(hào)25方案二(本工作所提方案)的傳輸信號(hào)26回歸映射方法(a)為方案一中傳輸信號(hào)得到的回歸映射圖，(b)為相應(yīng)的恢復(fù)話音信號(hào)，27(c)是由方案二中傳輸信號(hào)重構(gòu)出的回歸映射散點(diǎn)圖，(d)為恢復(fù)信號(hào)。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(jīng)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(zhì)與狀態(tài)遍歷性與密碼學(xué)中的基本概念“擴(kuò)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

11、;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(jì)與差分攻擊的能力；相關(guān)工作按具體實(shí)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(hù)步并不必要，攻擊者只需攻擊出Cat變換矩陣A或其等價(jià)矩陣以及擴(kuò)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(shí)，密碼安全性僅依賴擴(kuò)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(jià)矩陣和擴(kuò)散操作的密鑰。345.1 混沌圖象加密算法安全性分析:擴(kuò)散操作輸入各像素灰度值全部相同的明文圖像，此時(shí)輸出密文僅與擴(kuò)散操作有關(guān) ；根據(jù)C(k),C(k-1),I(k)，計(jì)算所有滿足擴(kuò)散操作的混沌符號(hào) 及對(duì)應(yīng)區(qū)間 ；根據(jù)Logistic映射，求每個(gè) 所對(duì)應(yīng)根據(jù)C(k),C(k+1),I(k+1) ，計(jì)算所有滿足擴(kuò)散操作混沌符號(hào) 及對(duì)應(yīng)區(qū)間 ；計(jì)算 與 的交集 ，得 重復(fù)上述操作，獲得任意長(zhǎng)符號(hào)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(biāo)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(kuò)散操作可知，當(dāng)I(k)=0，則C(k)=C(k-1)。因此可通過比較序列中相鄰元素?cái)?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3D cat變換矩陣或等價(jià)矩陣；等價(jià)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(jié)果385.1 相關(guān)論文Phys. Lett. A, 2005.通信學(xué)報(bào),(已投)395.2 一類

14、時(shí)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(cè)、回歸圖、自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)及EFA等均可有效攻擊系統(tǒng).之后,研究重點(diǎn)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(jí)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(jìn)一步提高密鑰敏感性，以及抵抗諸如參數(shù)估計(jì)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(kuò)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Physics News Update ，Physical Review Foc

15、us 和Information Security Magazine 被公認(rèn)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)405.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析:加密機(jī)結(jié)構(gòu)415.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析優(yōu)點(diǎn):目前公認(rèn)混沌保密通信最優(yōu)秀方案之一;具有強(qiáng)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(qiáng).缺陷:單級(jí)混淆和擴(kuò)散的強(qiáng)度不夠;一維結(jié)構(gòu)下并行加解密需很強(qiáng)耦合;在常數(shù)驅(qū)動(dòng)下退化為一維映射;425.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 單級(jí)混淆和擴(kuò)散的強(qiáng)度不夠434.4 時(shí)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(qiáng)耦合445.2

16、 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 在常數(shù)驅(qū)動(dòng)下退化為一維映射455.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 在常數(shù)驅(qū)動(dòng)下退化為一維映射465.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法475.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法485.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法495.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法505.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊方法515.2 時(shí)空混沌加密系統(tǒng)的安全性分析: 類差分攻擊結(jié)果525.2 相關(guān)論文Chaos Solitons & Fractals,2005 (

17、已修改,評(píng)審意見為”Excellent”).535.3 基于李沙育映射的時(shí)空混沌保密通信系統(tǒng)545.3 基于李沙育映射的時(shí)空混沌保密通信系統(tǒng)555.3 基于李沙育映射的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)空混沌保密通信系統(tǒng): 統(tǒng)計(jì)攻擊605.3 基于李沙育映射的時(shí)空混沌保密通信系統(tǒng): 類差分攻擊615.3 相關(guān)論文Phys.Lett.A (

18、已投).625.4 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(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過互學(xué)習(xí)可以實(shí)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將這種多輪同步評(píng)價(jià)為“一個(gè)嶄新的概念，為數(shù)論之外的密鑰交換提供了新思路” 。New Scientist及Technology Research News對(duì)NC的成果進(jìn)行報(bào)道，并將其評(píng)價(jià)為有可能應(yīng)用于快速、安全的信息傳輸。635.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)645.4 安全性與同步性統(tǒng)一的神經(jīng)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(jī)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(guān)論文該項(xiàng)工作得到神經(jīng)密碼學(xué)創(chuàng)始人高度評(píng)價(jià),并與我們開展合作研究.CNNC04, 2004.(優(yōu)