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基于多稳态特性与灰度差异熵的图像背景Python扩充方法

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西昌学院学报（自然科学版） 2023年第2期37卷 81-85,122页

作者：汤恒芜湖职业技术学院信息与人工智能学院安徽芜湖241006

图像应用范围逐渐扩大,相关技术发展迅速,其发展的主要支撑是大规模的图像数据集合。现有公开资源以图像目标数据集合为主,而背景数据集合较少,并且内部数据体量较小,制约了图像相关技术的发展与应用,故提出基于多稳态特性与灰度差异熵... 详细信息

图像应用范围逐渐扩大,相关技术发展迅速,其发展的主要支撑是大规模的图像数据集合。现有公开资源以图像目标数据集合为主,而背景数据集合较少,并且内部数据体量较小,制约了图像相关技术的发展与应用,故提出基于多稳态特性与灰度差异熵的图像背景数据Python扩充方法。基于图像背景与目标的灰度熵差异,选取灰度熵阈值分割原始图像,获取图像背景区域,采用k近邻(k-Nearest Neighbor,KNN)算法深度挖掘背景数据,应用多稳定特性构造混沌序列,加密处理图像背景数据,通过Python制定图像背景数据并行扩充程序,执行制定程序即可实现图像背景数据的扩充。实验数据显示:提出方法获得的图像背景区域分割效果更好,图像背景数据扩充量最大值为1800MB,充分证实了提出方法应用性能更好。

关键词：图像背景数据灰度差异熵数据挖掘 Python 多稳态特性数据扩充

基于现场可编程逻辑门阵列的磁控忆阻电路对称动力学行为分析

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物理学报 2019年第13期68卷 43-54页

作者：吕晏旻闵富红南京师范大学电气与自动化工程学院

将含绝对值项的磁控忆阻器引入改进型蔡氏电路,构建新型磁控忆阻混沌电路,通过分岔图与Lyapunov指数谱创新性地观察到系统的对称分岔行为,揭示系统双参数平面内运动状态分布的对称性.同时,基于忆阻电路参数-初值平面的系统运动分布图,... 详细信息

将含绝对值项的磁控忆阻器引入改进型蔡氏电路,构建新型磁控忆阻混沌电路,通过分岔图与Lyapunov指数谱创新性地观察到系统的对称分岔行为,揭示系统双参数平面内运动状态分布的对称性.同时,基于忆阻电路参数-初值平面的系统运动分布图,分析对称吸引域内系统的多稳态特性,相图的绘制进一步证明电路多稳态现象的存在性.此外,应用现场可编程逻辑门阵列完成电路实验,在数字示波器上捕捉实验结果,证明所构磁控忆阻电路的物理可实现性.

关键词：磁控忆阻系统对称动力学行为多稳态特性现场可编程逻辑门阵列

基于FPGA技术的双磁控忆阻Shinriki振荡器对称行为分析

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电子与信息学报 2021年第11期43卷 3384-3392页

作者：闵富红郑宏亮芮智曹弋南京师范大学电气与自动化工程学院南京210046

该文通过将无源磁控忆阻器替换Shinriki振荡器中的二极管串并联支路,并利用有源磁控忆阻代替RLC谐振回路中的电阻,同时在电感支路串联电阻,得到一个新型双磁控忆阻Shinriki振荡器。通过特定参数的共存分岔图和Lyapunov指数谱,开创性地... 详细信息

该文通过将无源磁控忆阻器替换Shinriki振荡器中的二极管串并联支路,并利用有源磁控忆阻代替RLC谐振回路中的电阻,同时在电感支路串联电阻,得到一个新型双磁控忆阻Shinriki振荡器。通过特定参数的共存分岔图和Lyapunov指数谱,开创性地发现了振荡器具有的对称分岔行为,在双参数平面内展现运动状态分布的对称性。同时,在对称参数-初值平面的吸引盆中,分析对称域内系统的多稳态特性。并对存在的对称反单调现象、多运动状态吸引子对称共存和对称域中依赖初值的不完全对称行为进行研究。此外,基于FPGA技术完成双磁控忆阻Shinriki振荡器的数字电路实验,示波器上捕捉的波形验证了系统对称动力学行为分析的正确性。

关键词：双磁控忆阻Shinriki振荡器对称动力学行为多稳态特性反单调性不完全对称行为

含单/双忆阻器的混沌电路复杂特性分析及同步控制研究

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含单/双忆阻器的混沌电路复杂特性分析及同步控制研究

作者：李闯南京师范大学

学位级别：硕士

忆阻器是一种非线性元件,可以记忆流过的电荷数量,通过控制电流的变化来改变其阻值。此外,忆阻器还具有良好的可扩展性、高集成度、低能耗性及物理结构简单等特点,使其在理论研究和工程应用方面有着巨大的潜在价值与研究意义。同时,忆... 详细信息

忆阻器是一种非线性元件,可以记忆流过的电荷数量,通过控制电流的变化来改变其阻值。此外,忆阻器还具有良好的可扩展性、高集成度、低能耗性及物理结构简单等特点,使其在理论研究和工程应用方面有着巨大的潜在价值与研究意义。同时,忆阻使基础元件由电阻、电容和电感增加到四个,为电路设计及其忆阻电路应用提供了全新的发展空间。本文讨论两种忆阻系统的动力学行为,研究忆阻系统之间的同步控制,利用忆阻混沌序列对彩色图像加密,完成忆阻数字电路的设计,具体研究工作总结如下:(1)构建了两种不同拓扑结构的忆阻混沌电路,分析系统的非线性动力学行为首先,研究单忆阻系统依赖系统参数的共存行为和随初值变化的多稳态特性;特别地,分析系统产生的特殊分岔行为和奇异吸引子共存现象。其次,展示含串并联忆阻器的混沌系统依赖系统参数所产生的共存分岔;对比研究串联型忆阻器对系统的混沌振荡和多稳态特性影响。最后,建立双忆阻系统的韦库模型,分析系统依赖参数的共存特性和对初始值的敏感性,并研究依赖初值的多稳态特性。(2)设计了非线性自适应控制器,实现异构忆阻系统的广义同步和图像加密首先,提出一种自适应广义同步方法,设计出非线性的自适应控制器及未知参数更新律,实现单忆阻混沌系统和双忆阻混沌系统之间的广义同步。其次,考虑外部扰动的影响,为此设计一种自适应滑模控制器,实现带有单频干扰的双忆阻混沌系统和单忆阻混沌系统之间的自适应广义同步。最后,提出一种彩色图像的混沌序列加密方案,结合忆阻系统的多稳态特性,加密彩色图像及性能分析。(3)提出了基于FPGA技术的忆阻混沌电路方案,完成硬件设计与电路实验首先,利用四阶Runge-Kutta算法,对含单/双忆阻器的混沌系统进行离散化处理,并将方程系数转换成IEEE-754标准浮点数。其次,介绍浮点数乘法器、浮点数加法器、浮点数/定点数转换器这三个基本模块。最后,提出一种用FPGA技术设计忆阻混沌数字电路的方案,利用Verilog语言描述电路模块,综合编译下载到FPGA开发板,完成相应的硬件实验。

关键词：忆阻混沌系统多稳态特性同步控制图像加密 FPGA

基于Python的彩色图像忆阻系统多稳态加密

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复杂系统与复杂性科学 2018年第3期15卷 82-88页

作者：施浩楠崔昊闵富红汤丹慧管浩浩南京师范大学南瑞电气与自动化学院江苏南京210046

为了增强对彩色图像的有效保护,通过Lyapunov指数谱和分岔图分析了一种四维磁控忆阻模型的多稳态特性,并利用Python编程环境实现了基于该系统的彩色图像加密。像素直方图、相邻像素相关性、抗攻击能力和密钥敏感性等分析表明,忆阻系统... 详细信息

为了增强对彩色图像的有效保护,通过Lyapunov指数谱和分岔图分析了一种四维磁控忆阻模型的多稳态特性,并利用Python编程环境实现了基于该系统的彩色图像加密。像素直方图、相邻像素相关性、抗攻击能力和密钥敏感性等分析表明,忆阻系统混沌态的加密性能要优于其周期态,该特性的分析为选择适合的密钥提供了方法和支持。

关键词：忆阻系统多稳态特性图像加密 Python语言

三次有源忆阻系统的多稳态分析及混沌同步控制

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三次有源忆阻系统的多稳态分析及混沌同步控制

作者：彭光娅南京师范大学

学位级别：硕士

忆阻器是典型的非线性器件,继电阻、电容、电感之后的第四种基本电路元件。忆阻器的记忆性、非易失性、高集成密度、纳米级结构等优点使其在信号处理、人工智能和混沌电路设计等领域得到了广泛的应用。忆阻混沌电路较一般系统而言,对初... 详细信息

忆阻器是典型的非线性器件,继电阻、电容、电感之后的第四种基本电路元件。忆阻器的记忆性、非易失性、高集成密度、纳米级结构等优点使其在信号处理、人工智能和混沌电路设计等领域得到了广泛的应用。忆阻混沌电路较一般系统而言,对初始值的改变更为敏感,具有更为复杂的动力学行为,使其在同步控制和保密通信中具有巨大的潜在价值与极好的应用前景。本文主要提出了两个含有三次有源磁控忆阻器的新型四维忆阻混沌系统,围绕这两个系统展开了多稳态分析、同步控制和图像加密等一系列的探索与对比研究,具有一定的实用性和创新性,主要研究内容如下:(1)提出两种异构忆阻混沌系统,分析了其多稳态特性及完成电路实验首先,分别以经典的Lorenz系统和Chua电路为基础研究对象,提出了两个拓扑结构相异的四维忆阻混沌电路。其次,分别计算了两个系统的耗散性和平衡点集以判断其稳定性,通过分岔图、李雅普诺夫指数和吸引盆等手段分析系统的动力学行为,着重研究其随初值变化的多稳态特性。最后,基于Multisim软件设计了忆阻混沌系统的等效电路,实验与数值仿真结果高度一致,验证了设计的有效性。(2)设计两种非线性反馈控制器,研究了同构和异构忆阻系统的同步控制首先,基于开环闭环耦合控制方法,设计了同构忆阻混沌系统的同步控制器,实现了同构系统的比例投影同步和函数投影同步。其次,改变控制器的反馈函数,实现了忆阻混沌系统的切换跟踪控制。最后,根据两个不同系统的微分方程,设计含有指数项的非线性同步控制器,实现了异构忆阻混沌系统的同步控制,并结合忆阻系统的多稳态特性进行同步控制研究。(3)实现了基于多稳态特性的灰色图像隐藏,完成了异构同步的彩色图像加密首先,根据忆阻混沌系统的多稳态共存现象,完成了灰色图像隐藏,并对比与总结不同稳定状态与不同忆阻混沌系统对图像隐藏效果的影响,系统的多稳态特性对密钥的选择具有指导性的意义。其次,选择合适的驱动系统和密钥,实现了异构忆阻混沌系统在彩色图像加密中的应用,研究结果表明,忆阻混沌系统用于图像加密具有很高的研究价值与工程意义。

关键词：忆阻器忆阻混沌系统多稳态特性同步控制图像加密

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基于忆阻器的非线性电路分析及图像加密应用

基于忆阻器的非线性电路分析及图像加密应用

作者：吕晏旻南京师范大学

学位级别：硕士

忆阻器作为一种具有电荷记忆特性的非线性二端口元件,在电路中极易产生混沌振荡信号,它的出现为电工电子、人工智能及非线性系统等领域的发展提供了全新的方向。其中,基于忆阻器的混沌电路构建及应用,受到研究者的广泛关注,成为非线性... 详细信息

忆阻器作为一种具有电荷记忆特性的非线性二端口元件,在电路中极易产生混沌振荡信号,它的出现为电工电子、人工智能及非线性系统等领域的发展提供了全新的方向。其中,基于忆阻器的混沌电路构建及应用,受到研究者的广泛关注,成为非线性领域及电工电子领域的研究热点之一。本文设计两种忆阻混沌振荡电路,分析电路中特殊的非线性动力学行为,并结合数字电路技术与模拟电路技术实现所构电路。后利用电路产生的混沌序列实现数字图像加密。具体研究工作总结如下:（1）构建含单个绝对值忆阻模型的非线性电路,分析系统复杂动力学行为并完成硬件电路实验。将绝对值型忆阻器引入改进型蔡氏电路,构建新型四维忆阻电路,在其伏安模型的基础上讨论系统动力学特性。发现所构系统存在,不同于改进型蔡氏电路的特殊对称共存分岔现象及对称域内多稳态现象,为忆阻混沌序列的加密应用打下基础。最后,采用电路分立元件完成所构电路的硬件实验,证实理论分析的正确性及电路的物理可实现性。（2）建立异构双忆阻电路的常规模型与降维模型,比较两者动力学特性的异同,并基于降维模型设计数字电路实现方案,物理调控系统多稳态行为。在单忆阻电路基础上增加一个三次非线性磁控忆阻器,设计含有两个不同忆阻器的双忆阻非线性电路。随后,分别基于基尔霍夫定律与磁通-电荷分析法,建立系统伏安模型与韦库模型,采用常规非线性动力学分析方法讨论两种模型对应的运动行为,明确系统不同运动状态对应的参数域或初值域。此外,证明磁通-电荷分析法应用在异构双忆阻混沌电路中的可行性与有效性,为类似的非线性系统分析提供理论参考。最后,利用数字电路实现技术,基于韦库模型物理实现双忆阻混沌振荡电路,并完成特殊多稳态现象的精准物理控制。（3）提出一种结合优化置乱算法与扩散算法的掩盖性加密算法,设计新型忆阻混沌数字图像密码系统。首先,对三个忆阻模型产生的混沌序列进行随机性测试,选定伪随机特性优良的序列作为混沌加密密码。随后,优化常规行、列置乱算法,得到二维矩阵转为一维向量后的无重复置乱算法。同时,在加取模扩散算法的基础上加入循环右移移位运算,组合得到新的扩散算法。将上述两种算法结合,基于文中所构忆阻模型,设计新型忆阻混沌数字图像密码系统。最后,通过密文统计特性及密钥敏感性两大类指标,分析三种忆阻密码系统的安全性与可靠性。

关键词：忆阻混沌电路对称共存多稳态特性图像加密

基于忆阻器的非自治神经元电路共存分析及混沌同步控制

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基于忆阻器的非自治神经元电路共存分析及混沌同步控制

作者：王义波南京师范大学

学位级别：硕士

忆阻器具有非线性、记忆和纳米级等杰出特性,使得其在模式识别、神经形态计算、神经网络等领域存在极大潜在的应用价值,并且在一定程度上促进了神经形态电路的发展。同时,混沌同步控制作为混沌应用的关键环节,近年来引起了人们的广泛关... 详细信息

忆阻器具有非线性、记忆和纳米级等杰出特性,使得其在模式识别、神经形态计算、神经网络等领域存在极大潜在的应用价值,并且在一定程度上促进了神经形态电路的发展。同时,混沌同步控制作为混沌应用的关键环节,近年来引起了人们的广泛关注,并迅速成为热点话题。本文构建两种非自治忆阻神经元电路,分析电路的丰富动力学行为,讨论非自治忆阻混沌系统之间的多稳态同步和忆阻耦合同步,并通过数字电路实验验证控制方法的物理可实现性。主要研究工作如下:(1)设计含光滑双曲正切忆阻器的非自治FitzHugh-Nagumo电路,分析系统共存分岔、多稳态等行为。将光滑双曲正切忆阻器替换FitzHugh-Nagumo电路中隧道二极管,构建新型单忆阻非线性电路,利用增量电荷-磁通方法获得精确降维模型,在韦库域进行动力学特性分析。研究发现,在不同的激励参数、系统参数及初值的变化情况下,所构系统呈现出共存分岔、混沌危机、极端多稳态等现象。忆阻器的引入给非自治FHN系统带来新的研究方向,特别地,在忆阻FitzHugh-Nagumo系统中创新性的观测到费根鲍姆树聚合现象。(2)构建含双曲正切忆阻器和三次非线性忆阻器的非自治FitzHugh-Nagumo电路,讨论系统多稳态、反单调等特性。在单忆阻FitzHugh-Nagumo神经元系统基础上,引入三次荷控忆阻器,建立四阶双忆阻FitzHugh-Nagumo电路,计算分析系统平衡点集稳定性。通过定量分析法多维度地分析非自治忆阻系统依赖激励参数、系统参数及初始状态的复杂动力学特性,包括吸引子共存特性、多稳态特性、反单调特性及多种对称特性。(3)设计同步控制策略,实现同构忆阻混沌系统的多稳态同步和忆阻耦合同步,并基于FPGA技术平台实现忆阻系统同步的数字电路。基于滑模控制和有限时间稳定性理论,设计一种新型的带有光滑函数的滑模同步控制器,实现三个具有不同初值且带有未知干扰的单忆阻FitzHugh-Nagumo系统的多稳态同步;其次,采用三次非线性磁控忆阻器分别单向耦合和双向耦合两个相同双忆阻FitzHugh-Nagumo神经元系统,推导出单向耦合系统和双向耦合系统同步的充分条件,并分析耦合参数和初始条件对同步的影响。最后,利用Verilog语言和FPGA技术平台分别完成两种忆阻系统同步的数字电路,验证设计控制器的有效性。

关键词：忆阻器 FitzHugh-Nagumo神经元模型多稳态特性混沌同步 FPGA

新型双曲忆阻混沌系统的动力学分析、同步控制与应用

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新型双曲忆阻混沌系统的动力学分析、同步控制与应用

作者：王珠林南京师范大学

学位级别：硕士

忆阻混沌系统是典型的非线性系统,由于具有对初始条件和系统参数极为敏感、具有瞬态混沌、多隐藏吸引子共存以及状态转移等与众不同的物理现象,因而有着极其复杂的动力学行为,并为混沌保密通信和实际工程应用提供了更新的有效路径。本... 详细信息

忆阻混沌系统是典型的非线性系统,由于具有对初始条件和系统参数极为敏感、具有瞬态混沌、多隐藏吸引子共存以及状态转移等与众不同的物理现象,因而有着极其复杂的动力学行为,并为混沌保密通信和实际工程应用提供了更新的有效路径。本文的研究内容具有一定的创新性和实用性,主要研究成果如下:(1)提出一个四维忆阻混沌系统,实现了其在图像加密中的应用首先,设计了一种新型双曲函数忆阻模型,并将其引入到改进的三维混沌系统中,得到了新型的四维双曲忆阻混沌电路系统,通过改变参数绘出了系统的Lyapunov指数谱和分岔图等,进而详细分析了系统的混沌演化过程。其次,设计了系统对应的硬件实验电路,实验结果与数值仿真一致;最后,将该系统的混沌序列应用到图像加密中,分析了加密直方图、相邻像素相关性以及抗攻击能力与密钥敏感性,仿真结果表明了忆阻混沌系统具有良好的图像加密效果。(2)设计了一个含两个双曲忆阻器的五维混沌振荡电路系统,并分析了其多稳态共存的特性首先,结合经典蔡氏电路,设计了具有两个双曲忆阻器的混沌振荡电路系统,并研究了系统随参数以及随忆阻初始状态变化的系统运行状态,证实了提出的双忆阻器系统不仅依赖于电路参数的变化,还极端依赖于系统初始条件的改变。此外,五维双曲忆阻混沌系统具有丰富的多稳态特性,包括了不同拓扑结构的混沌吸引子以及周期运动的共存,最多时可达到12种多隐藏吸引子共存。最后,利用幅值放大法有效地进行了系统的多稳态吸引子搜索,同样获得了不同的周期运动与混沌吸引子的共存,搜索结果与数值仿真存在较高的一致性。(3)实现了初始值不同的五维双忆阻器混沌系统的完全同步和投影同步首先,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了线性反馈控制器,实现了不同初始值条件下的五维双忆阻器混沌系统之间的完全同步,控制方案简单有效,易于实现。其次,利用主动同步控制法,设计了合适的非线性反馈控制器,实现了在不同初始状态下的同结构双曲忆阻混沌系统的投影同步,误差系统响应快,同步性能指标高。

关键词：忆阻多稳态特性混沌系统图像加密同步控制