混沌在可重构逻辑电路及图像加密中的应用研究

论文摘要

目前,对于混沌理论的研究取得了大量的研究成果,成果包含了从发现混沌现象到混沌系统设计,从混沌动力学分析到混沌控制及同步,从数学模型构建到实际电路搭建等等各层面,已然形成了一套完整的科学理论。伴随混沌理论研究的步步深入,人们迫切希望将混沌的优良性质引入到实际的应用中。近年来,它已经被应用到保密通信、图像处理、生物传感、扩频通讯、大规模集成电路设计、神经网络模型搭建等诸多方面。现今,由于摩尔定律开始遭遇瓶颈以及信息安全被提升到国家规划的高度,寻求摩尔定律的延续或替代方法和对多媒体数据安全的相关研究被推向了新的高潮。本文根据上述亟需解决的热点问题,主要针对混沌在可重构逻辑电路和图像加密中的应用展开研究。本文研讨内容主要分为三个部分:一、根据场效应管的非线性特性,设计了一个非线性映射电路单元,并通过理论分析推导出该电路单元的传输特性方程。对推导出的数学模型做进一步分岔图分析,得出该一维数学模型可通过控制参数改变其传输特性曲线,进而包含混沌现象的结论。随后利用该电路单元的混沌特性,将其应用到下面章节将提到的集成电路中去。另外,正文还在Logistic映射的基础上做出改进得到一个新的一维混沌映射,通过两者Lyapunov指数谱、分岔图、近似熵等判别方法的对比,证明了提出的系统方程具有更加复杂的混沌特性及包含范围更宽的混沌区域。二、现在“摩尔定律”遭遇瓶颈,如果我们能设计一个用固定数量晶体管执行更多计算量的设备,将是一个有效的解决方案。基于此,本文设计了一种基于混沌特性的双输入单输出动态可重构逻辑功能集成电路。该电路可以在不同的时钟沿实现不同的数字功能,而无需复位进行重新配置或设计额外的独立电路。它实现了真正的单输出模式解决了附加的奇偶性判断问题。此外,通过组合电路和直接设计的方式分别实现了三输入单输出的动态可重构逻辑功能,打开了其执行更加复杂运算的大门。通过电路仿真和结果分析,证明了该电路具有友好的数字接口、丰富的函数关系,可以通过程序控制和组合设计实现多种逻辑运算。实现了在不增加晶体管数量的情况下提高硬件性能的目标,为设计更节能的电路系统提供了可能。三、考虑到信息安全在当今时代扮演着愈加重要的作用,本文设计了一种基于上述改进Logistic混沌映射的快速且安全的图像压缩加密及云辅助重构系统。该系统首先对图像进行稀疏表示,用提出的混沌映射构造出测量矩阵,利用压缩感知技术对稀疏数据进行压缩测量,紧接着运用图像加密算法对测量数据加密,以确保底层数据的隐匿性,随后云服务端接收加密后的数据。云服务端依靠自身超强的计算能力,去执行时间损耗大的解密算法和数据重构算法,大大减少了系统执行时间。最后由数据用户从云服务端解析出原始图像。在文章的最后,通过峰值信噪比(PSNR)、归一化的均方误差(NMSE)等工程算法,验证了该系统重构图像的有效性。结合密钥敏感性、密钥空间、相邻像素相关性等分析方法,分析了该系统的安全性和抗攻击性。

论文目录

摘要

Abstract

第一章引言

1.1 混沌概述

1.1.1 混沌的定义

1.1.2 混沌的基本特性

1.1.3 混沌的判别依据

1.2 混沌的起源及发展概述

1.3 混沌系统的应用概述

1.3.1 混沌在数字逻辑及集成电路设计中的应用

1.3.2 混沌在图像处理中的应用

1.4 论文的研究背景及意义

1.5 论文研究思路及结构

第二章理论基础

2.1 混沌可重构逻辑集成电路块

2.1.1 二值逻辑与多值逻辑

2.1.2 可重构逻辑与完备逻辑

2.1.3 可重构逻辑与多值逻辑的比较

2.1.4 几个经典的电路模型

2.2 压缩感知

2.2.1 压缩感知模型

2.2.2 基于混沌压缩感知的研究主题

第三章基于混沌特性的动态可重构逻辑集成电路设计

3.1 一维混沌映射

3.1.1 电路结构

3.1.2 输入输出传输特性

3.1.3 非线性动力学特性

3.2 动态可重构逻辑集成电路设计

3.2.1 设计框图

3.2.2 电路设计

3.2.3 实验结果

3.3 三输入可重构逻辑实现

3.3.1 电路设计

3.3.2 实验结果

3.4 本章小结

第四章基于混沌的图像压缩加密及云辅助重构系统

4.1 新的一维混沌映射

4.1.1 系统方程

4.1.2 Lyapunov指数分析

4.1.3 分岔图分析

4.1.4 近似熵分析

4.2 基于混沌的图像压缩、加密、传输、云辅助恢复系统的设计

4.2.1 系统框图设计

4.2.2 基于混沌控制的测量矩阵设计

4.2.3 压缩、加密、重构等问题的算法设计

4.2.4 图像压缩,加密及恢复的质量分析

4.2.5 安全性分析

4.3 本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表的学术论文

攻读硕士期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 关卫东

导师: 王丽丹

关键词: 混沌,可重构逻辑,压缩感知,图像加密,云服务

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 西南大学

分类号: TP309.7;O415.5

总页数: 67

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