基于混沌加密的移动诊疗平台研究与实现
这是一篇关于移动平台,Flutter框架,混沌系统,图像加密,像素置换的论文, 主要内容为传统的医疗行业中,医生与患者的交互方式单一。且由于患者诊疗记录可能出自不同医院,医生很难及时全面的获取到患者的既往病史和各类检查记录,有可能导致医生对患者病情的判断不准确,或无法精确把握患者病情的进展程度。而移动APP为患者提供了随时随地上传诊疗信息或与医生交流的方法。但目前的移动APP面临着跨平台开发成本高、隐私信息明文传输困难和传统加密方式不适合图片等问题。因此本文针对上述问题,结合实际需求,基于云病历项目,设计并实现了一个完整的基于Flutter与混沌加密的移动诊疗平台。本文的工作主要包含以下三个部分:第一,调研并选定Flutter作为开发架构,并针对Flutter及平台需求设计了系统架构。针对目前主流的跨平台开发方法存在的渲染性能低下、开发框架与系统底层交互困难、开发框架与原生系统的交互方式过于繁杂和不同系统底层接口存在差异等问题,本文经过调研选择了Flutter作为平台开发框架。本文在对Flutter的架构设计、基础组件、数据类型、本地存储和网络通讯等机制进行了详细调研后,考虑到Flutter独特的设计,为避免传统MVC架构带来的弊端,使用MVP架构,设计了基于Flutter的客户端架构。然后结合项目对平台的功能性和非功能性需求以及项目的特点,对平台的前后端架构、数据库和各个功能模块进行设计。第二,考虑到移动医疗平台对加密的安全性以及性能需求,设计了新的图像加密算法。本文对国内外加密算法的研究现状进行了调研,对目前主流的图像加密方法的优劣势进行了研究,发现传统加密方法面对高分辨率图像时均存在加密效率较低或加密强度不够等缺点。考虑到平台客户端需要运行于移动设备,使用的加密算法需要兼顾加密速度和安全性,本文选择使用基于混沌理论的加密方法。该方法具有经典的置乱-扩散过程,并利用混沌系统生成开销低、随机性高和初值敏感等特点,使用混沌系统对加密方法进行驱动。为解决低维混沌序列存在的参数较少、相空间轨迹简单和存在被预测风险,以及高维混沌系统生成时运算成本过高等问题,本文将Logistic序列与ICMIC混沌序列进行调制,并与2D-LISM混沌系统进行复合,生成了一个新的复合混沌系统对置换过程进行驱动。同时本文利用Lorenz混沌系统具有三维序列的特性,使用Lorenz序列对图像RGB像素通道进行混淆,完成加密方法中扩散的过程。第三,对平台和加密方法进行实现和整合,对平台各个模块的进行测试,同时还对加密方法的性能进行了测试。最后对全文的工作进行了总结,分析了平台的不足之处以及未来可能的改进方向。
一类混沌系统的设计及其同步控制应用
这是一篇关于混沌系统,无穷平衡点,共存吸引子,图像加密,DNA编码的论文, 主要内容为非线性是自然界的本质状态,而混沌理论是非线性学研究分支之一,其表现为确定性、随机性和不可预测性的统一。研究混沌理论有助于认识非线性科学的本质,而混沌控制可以应用在不同的研究领域。无穷平衡点混沌系统、无平衡点混沌系统和稳定平衡点混沌系统都存在共存吸引子,多种吸引子共存现象使混沌系统存在多稳定性,对混沌理论的发展具有重要意义,从而引起了更多的关注。本文是从一类无穷平衡点混沌系统入手,分析其非线性动力学特性,探讨其同步控制实现机制,并研究自适应同步控制在彩色图像加密中的应用。本文的主要研究内容和结果如下:(1)在文献基础上构建一类新无穷平衡点混沌系统,给出这个系统的平衡点、稳定性分析、庞加莱截面分析、李雅普诺夫(Lyapunov,LE)指数和分叉图分析,研究其局部变化的分岔图和系统运动状态。此外,研究新系统多稳定性和复杂度,从多角度证明该系统是混沌的。进而,设计新系统的电路原理图,从电路仿真结果和数值模拟结果进行一致性验证,探讨系统电路实现的可行性。(2)研究新系统的同步控制,探讨李雅普诺夫稳定性理论设计同步控制器。首先,设计实现主动同步控制,进而设计自适应同步控制器和参数控制策略,使得参数得到准确估计,同时也使系统在有限的时间内达到同步。其次,研究同步系统控制增益对同步时间的影响针对以上两种同步控制方式,给出实验验证。结果表明,其控制方法有效可行,并且从具体设计和仿真角度分析了两种方法的优缺点。(3)提出将自适应同步控制系统应用在彩色图像加密。处理同步系统产生的混沌序列使其符合密钥流的特点,用驱动系统产生序列做加密操作,响应系统序列做解密操作。图像加密在置乱阶段使用升序方法排列,在扩散阶段使用脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)编码做异或运算,得到最终的加密图像。该加密方法具有密钥空间大、密钥敏感性强和加密图像信息熵更接近理论值等特点。文中提出一类具有无穷平衡点的混沌系统,分析其非线性动力学特性和复杂度,设计电路仿真,并且实现驱动—响应系统的同步以及图像加密应用设计。结果表明,提出的新系统具有复杂动力学行为,并且可观察到其共存吸引子;设计的同步控制系统同步效果较好;同步系统应用在图像加密具有良好的加密效果,验证了新系统的复杂性和可应用性。
基于压缩感知的图像压缩传输系统
这是一篇关于FPGA,压缩感知,图像压缩,混沌系统,小波变换的论文, 主要内容为随着信息领域的高速发展,传统感知系统在满足海量数据获取、处理、实时存储以及高效传输需求问题上由于奈奎斯特采样定理的限制逐渐陷入瓶颈。压缩感知理论的提出丰富了信号获取理论,也为图像处理与传输系统的研究与实现带来了解决传输效率和硬件成本问题的新思路。相较于传统图像压缩方法,基于压缩感知的图像压缩方法能够建立延迟更低、资源损耗低、传输效率更高且实时性更好的数据处理传输系统。本论文重点针对图像信号的压缩感知算法应用开展了研究,并在FPGA硬件平台上进行了基于压缩感知的图像压缩传输系统的设计与实现。本文针对压缩感知理论下的图像压缩处理方法展开了以下三个方面的研究:图像稀疏表示方法的选择、测量矩阵的构造以及图像重构算法的研究。首先,通过分析多种稀疏表达方式及其稀疏基性能,选择采用sym小波变换基实现图像的稀疏表示;随后,以便于硬件实现和良好测量性能为导向展开了对于确定性矩阵的研究。本文设计了一个基于Lorenz混沌系统和Chen混沌系统建立的交替混沌测量矩阵,并对其进行了约束等距性质、随机性、重构性能的分析验证;最后,对压缩感知理论下的重构算法进行了研究分析,选择通过OMP算法实现压缩图像的重构。在硬件实现层面,本文设计的基于压缩感知的图像压缩传输系统以Cyclone IV系列FPGA为核心,实现了图像采集处理、降维压缩、编码重组和以太网传输功能。图像采集处理功能基于OV5640模组实现,由FPGA完成时序控制以及后续图像组帧、高斯滤波和格式转换过程。降维压缩部分根据压缩感知理论通过降维投影运算的思想实现数据的压缩,本文依照FPGA的流水线结构和并行运算能力设计了一种流水线脉动行列压缩结构,使系统按照行列顺序流水线式地通过传感矩阵对图像数据实施压缩。降维压缩后的数据采用并行化处理策略进行Delta编码和Zigzag编码的后续编码实现进一步的数据压缩处理,此后通过编码重组模块实现码流转换输出。压缩的图像数据通过DDR2实现数据的缓存,再由传输模块按照命令解析结果完成数据包的封装和数据帧的传输。最后,本文对实现的图像压缩传输系统进行了性能分析和评估。实验结果表明,该系统能够实现高效的图像压缩和传输,并具有较高的压缩比。在Matlab中进行压缩图像的重构,通过PSNR(峰值信躁比)和SSIM(结构相似度)两个指标来衡量解压缩所得图像的质量。根据测试数据分析可知,重构图像质量良好。
基于压缩感知的图像压缩传输系统
这是一篇关于FPGA,压缩感知,图像压缩,混沌系统,小波变换的论文, 主要内容为随着信息领域的高速发展,传统感知系统在满足海量数据获取、处理、实时存储以及高效传输需求问题上由于奈奎斯特采样定理的限制逐渐陷入瓶颈。压缩感知理论的提出丰富了信号获取理论,也为图像处理与传输系统的研究与实现带来了解决传输效率和硬件成本问题的新思路。相较于传统图像压缩方法,基于压缩感知的图像压缩方法能够建立延迟更低、资源损耗低、传输效率更高且实时性更好的数据处理传输系统。本论文重点针对图像信号的压缩感知算法应用开展了研究,并在FPGA硬件平台上进行了基于压缩感知的图像压缩传输系统的设计与实现。本文针对压缩感知理论下的图像压缩处理方法展开了以下三个方面的研究:图像稀疏表示方法的选择、测量矩阵的构造以及图像重构算法的研究。首先,通过分析多种稀疏表达方式及其稀疏基性能,选择采用sym小波变换基实现图像的稀疏表示;随后,以便于硬件实现和良好测量性能为导向展开了对于确定性矩阵的研究。本文设计了一个基于Lorenz混沌系统和Chen混沌系统建立的交替混沌测量矩阵,并对其进行了约束等距性质、随机性、重构性能的分析验证;最后,对压缩感知理论下的重构算法进行了研究分析,选择通过OMP算法实现压缩图像的重构。在硬件实现层面,本文设计的基于压缩感知的图像压缩传输系统以Cyclone IV系列FPGA为核心,实现了图像采集处理、降维压缩、编码重组和以太网传输功能。图像采集处理功能基于OV5640模组实现,由FPGA完成时序控制以及后续图像组帧、高斯滤波和格式转换过程。降维压缩部分根据压缩感知理论通过降维投影运算的思想实现数据的压缩,本文依照FPGA的流水线结构和并行运算能力设计了一种流水线脉动行列压缩结构,使系统按照行列顺序流水线式地通过传感矩阵对图像数据实施压缩。降维压缩后的数据采用并行化处理策略进行Delta编码和Zigzag编码的后续编码实现进一步的数据压缩处理,此后通过编码重组模块实现码流转换输出。压缩的图像数据通过DDR2实现数据的缓存,再由传输模块按照命令解析结果完成数据包的封装和数据帧的传输。最后,本文对实现的图像压缩传输系统进行了性能分析和评估。实验结果表明,该系统能够实现高效的图像压缩和传输,并具有较高的压缩比。在Matlab中进行压缩图像的重构,通过PSNR(峰值信躁比)和SSIM(结构相似度)两个指标来衡量解压缩所得图像的质量。根据测试数据分析可知,重构图像质量良好。
一类混沌系统的动力学分析及图像加密应用
这是一篇关于混沌系统,动力学分析,电路实现,图像加密的论文, 主要内容为混沌理论作为非线性科学的三大理论之一,它在自然界是广泛存在的。混沌系统目前被应用到各种领域中,但是都存在一些共性问题:即如何设计有更复杂动力学表现的混沌系统以及降低混沌电路的设计和实现的复杂性。然而混沌系统的类型种类十分丰富,本文针对其中的一类混沌系统以及上述问题,开展了以下研究工作。(1)通过在广义的三阶Rucklidge系统中引入二次非线性有源磁控忆阻器,构建了一个四阶超混沌电路系统。对该系统的动力学行为进行理论分析和数值仿真,系统相图、Lyapunov指数谱、分岔图和共存吸引子均表明该系统具有丰富的动力学行为和新的拓扑结构。此外还讨论研究了系统在参数不同取值范围下,系统的空间相图以及所处状态的具体变化。并设计出系统的电路原理图,在Multisim电路软件中仿真实现,同时也利用FPGA实现其数字硬件电路。(2)在Rucklidge系统基础上引入两个非线性项,以及常数c设计一个具有多个不同平衡点的新三维不对称双翼超混沌系统。对系统的相图、分岔图、李亚普诺夫指数谱、庞加莱截面图和复杂度进行了合理的分析,得到了非常丰富的系统动力学行为。此外在对新系统的动力学分析中,发现新系统具有多稳定性、多状态过渡现象、多个吸引子共存等特征。在系统电路原理图设计时简化了其电路组成元件和设计。在Multisim电路仿真软件对系统的电路进行了仿真验证,并且通过FPGA实现了其数字硬件电路。(3)对Rucklidge系统进行W方向的扩展,加入控制器kw,从而使它具有X-W方向的偏置增强,同时引入双曲正弦函数,并且减少第一个方程的非线性项,最后得到一个具有线平衡点和不稳定平衡点的对称四翼混沌系统。通过相图、分岔图、李亚普诺夫指数谱、庞加莱截面图和复杂度等对系统进行了动力学分析和数值模拟。在动力学分析中,发现该系统不仅具有常规的动力学性能,而且还具有多重稳定性、偏置增强、多态过渡、瞬态混沌、间歇混沌、多吸引子共存的特性。对该系统进行了硬件电路设计,使用Multisim软件进行了仿真分析,以及利用FPGA进行了电路实现。该系统具有丰富的特性,所以研究具有重要意义。(4)对比上述三个系统,并与文献中的其他混沌系统进行比较,选择复杂度最高、动力学丰富的第二个系统,研究其在混沌数字图像加密中的应用。利用LGS图像选择,结合DNA动态加密,提出了一种混沌加密方法,并从加密直方图、相邻像素相关性、密钥敏感性、鲁棒性和信息熵等方面分析了加密后的图像。结果表明,新系统对混沌密钥和明文都非常敏感,密钥空间很大,提出的混沌系统应用于图像加密时具有很高的安全性能。
基于复合混沌系统的分块图像加密算法研究
这是一篇关于混沌系统,分块图像加密,双重置乱,扩散的论文, 主要内容为数字图像因其能够承载大量可识别信息,在网络传输中应用广泛。而图像加密技术,作为一种效果显著的图像安全性保护方法,逐渐成为研究热点。混沌系统的初值敏感性、稳定性、非周期性以及遍历性等特点,符合密码学对密钥序列的特性要求,因而常被用于图像加密领域。本论文以构建性能良好的混合混沌系统为基础,结合多种矩阵变换方法,设计了基于置乱和扩散机制的混沌图像加密算法,将明文图像转换为无法识别的类噪声图像,并对提出的算法进行了安全性能评估。本论文的主要工作内容包括以下几个方面:(1)提出基于耦合Tent混沌映射的比特级分块图像加密算法针对一维混沌映射存在的混沌范围窄,且不连续等问题,本算法首先将Tent作为基映射,利用其特殊的线性结构耦合Sine和Logistic映射,构造耦合Tent混沌映射(Coupled Tent chaotic map,CTCM),通过评估测试验证了CTCM具有较好的混沌行为;然后,利用比特移位规则和混沌序列,对分块置乱的明文像素进行比特重组和循环移位,实现双重比特置乱的同时改变了像素值,并通过按位拼接和提取方法混淆像素位置,解决了比特置乱受限于8比特位的问题;最后,引入与加密阶段不同的混沌序列,通过mod运算和异或运算改变中间密文的像素值,实现像素的二次扩散,获得加密图像。安全性分析表明,该算法具有较高的安全性,足够抵抗穷举攻击等典型攻击。(2)提出基于余弦-指数混沌映射的分块图像加密算法针对现有混沌映射存在的混沌行为简单,混沌轨迹易预测等问题,本算法首先利用指数项调制结合了Tent映射的余弦函数,构造混沌性能较好的二维余弦-指数混沌映射(Cosine-exponential chaotic map,2D-CECM),并引入SHA-256生成与明文相关密钥,以抵抗选择明文攻击;然后,基于位级变换和拉丁方规则,设计了扩展比特位和双重拉丁方算法,并结合二维约瑟夫序列,对块间预置乱的明文执行块内置乱,实现子块的差异化置乱;最后,基于Zig-Zag变换,采用环状仿Zig-Zag结构设计了闭环交叉Zig-Zag变换算法,结合混沌序列实现中间密文的双向非线性扩散,得到密文图像。安全性分析表明,该算法对密钥高度敏感,能有效抵抗暴力和差分分析等攻击。(3)提出基于级联调制余弦混沌系统的分块图像加密算法针对单一混沌映射难以保证加密图像的高度安全性问题,本算法提供了一个通用的混沌框架,即可以同时生成多个不同混沌映射的级联调制余弦混沌系统(Cascade modulation cosine chaotic system,CMCCS)。通过引入现有混沌映射作为种子映射,以多个非线性函数项作为种子函数,将两者级联后执行余弦变换拓展映射维数,该操作可以有效地混合种子映射的混沌特性,同时产生多个性能优异的混沌映射。在此基础上,设计了一种融合拉丁方和U字形变换的分块图像加密算法,该算法充分利用CMCCS的特点,实现一次一密;然后,通过组合多个混沌序列构造正交拉丁方,设计了双重正交拉丁方置乱算法,实现块间和块内的双重置乱;最后,基于拉丁方索引的位置变换方法,设计了U字形变换和随机索引变换,实现了块内和块间的多重非线性扩散。安全性分析表明,该算法能有效抵抗噪声分析、统计分析、剪切分析等典型攻击,安全性高。图[47]表[11]参[85]
一类复变量混沌系统的鲁棒控制问题
这是一篇关于复变量,混沌系统,外部扰动,滤波器,渐近估计,镇定,跟踪,鲁棒的论文, 主要内容为混沌系统是一类复杂的动力学系统,具有高度敏感依赖于初始条件的特性。混沌系统的理论研究源于上世纪末期的非线性科学发展,而随着计算机技术的不断发展,混沌系统的研究得到了进一步推进和应用拓展。在混沌系统中,状态变量可以在实数域或复数域中取值。状态变量位于复数域的混沌系统称为复变量混沌系统,因为其状态变量存在虚部,故其相对于实变量混沌系统更加复杂和丰富。复变量混沌系统的研究内容包括其动力学特性、镇定控制和跟踪等问题,研究对象包括单个复变量混沌系统、多变量复混沌系统以及耦合复变量混沌系统等。复变量混沌系统的研究具有广泛的学科背景和应用领域。例如,在通信和图像处理领域,研究复变量混沌系统的同步问题可以用于保护通信和图像传输的安全性;在电力系统和化学反应控制等领域,复变量混沌系统的镇定和控制研究可以用于改善电力系统和化学反应过程的稳定性和效率。因此,对复变量混沌系统的深入研究和应用具有重要的理论和实践意义。在混沌系统中,由于其动力学行为的复杂性,控制器的设计变得更加困难,尤其是在面对扰动时更为复杂。因此,混沌系统的鲁棒控制成了一个重要的研究领域。鲁棒控制方法可以通过提高系统的稳定性和可控性来保证系统在扰动的情况下仍能保持特定的行为模式,例如,抑制混沌现象、实现同步控制等。现代控制理论和技术的发展为混沌系统的鲁棒控制提供了新的思路和方法,如反馈线性化、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等方法都可以用于混沌系统的鲁棒控制。随着混沌系统在实际中的广泛应用,对其鲁棒控制的研究将会越来越受到关注。本文通过设计合适的滤波器精确地估计外部扰动,并通过设计控制器消除的方法解决了复变量混沌系统在外部扰动下的镇定和跟踪问题。本文的主要工作如下:(1)设计了能渐近地估计外部扰动的滤波器,从而有效地抑制了外部扰动的影响,进而提高了系统的鲁棒性和控制性能。需要指出的是本文不仅为有界的周期外部扰动设计了合适的滤波器,而且为某些无界(多项式增长类型的,指数增长类型的)外部扰动设计了相应的渐近估计滤波器。为无界扰动设计相应的渐近估计滤波器是本文的一个原创之处。(2)基于上述设计的滤波器,本文提出了一种新的基于扰动估计的鲁棒控制策略。该策略能实现复变量混沌系统在受到外部扰动的情况下的镇定和精确跟踪问题。数值仿真实验结果表明,本文提出的控制策略在抑制外部扰动方面具有很好的性能,并且可以实现系统的高精度跟踪。这些研究结果对于实际工程应用具有一定的指导意义。为受到外部扰动的复变量混沌系统设计基于扰动估计的新的控制策略是本论文的另一个创新之处。(3)研究了复变量混沌系统的镇定问题。分两步解决了受到外部扰动的复变量混沌系统的镇定问题。第一步,通过设计控制器解决了标称复变量混沌系统的镇定问题。第二步,根据外部扰动的类型,设计了相应的滤波器,并基于该滤波器并设计了对外部扰动渐近估计的观测器。综上两步,基于动态增益反馈控制方法和类线性反馈方法设计了基于扰动估计的镇定控制器。数值实例结合仿真结果验证了上述理论结果的准确性和可靠性。(4)研究了复变量混沌系统的三个跟踪问题:完全同步问题、反同步问题以及投影同步问题,实现了变量的相同跟踪、相反数跟踪,部分变量的相反数跟踪以及部分变量的成比例跟踪。分两步提出了一种能够实现给定受外部扰动的复变量混沌系统跟踪问题的控制器设计方法。第一步,解决了标称复变量混沌系统的跟踪问题。第二步,根据外部扰动的类型,设计了相应的滤波器,并基于该滤波器设计了对外部扰动渐近估计的观测器。综合以上两步,基于动态增益反馈控制方法和类线性反馈方法,设计出一种基于扰动估计的跟踪控制器。数值实例和仿真结果验证了该理论方法的正确性和可行性。对反同步问题和投影同步问题存在性分别给出了一个充要条件是本论文的第三个创新之处。
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