计算物理 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (2): 232-242.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8850
收稿日期:
2023-10-24
出版日期:
2025-03-25
发布日期:
2025-04-08
作者简介:
赵益波, 研究方向为忆阻神经元及忆阻器神经网络在图像加密、表情识别中的应用, E-mail: yibozhaodn@163.com
基金资助:
Yibo ZHAO1,2(), Qing YANG1,2, Chengcheng YU1,2, Minghua LIU3
Received:
2023-10-24
Online:
2025-03-25
Published:
2025-04-08
摘要:
提出一种磁控忆阻器模型, 建立磁感应耦合Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型。通过分岔图、李雅普诺夫指数谱、相位图以及时序图对所构建的神经元模型进行非线性动力学分析, 进而将模型所产生的混沌序列应用于DNA混沌图像加密算法。实验结果表明: 这种电磁感应HR神经元模型在磁感应强度的影响下能够产生多种放电模式和复杂的混沌行为, 并且基于该模型产生的混沌序列具有随机性, 初值敏感性, 遍历性等特点, 应用于混沌图像加密算法中具有较强的安全性。为理解神经元隐藏动力学机制和构建忆阻器神经元网络提供支持, 对神经元相关的病变治疗具有价值。
赵益波, 杨清, 于程程, 刘明华. 磁控忆阻器耦合Hindmarsh-Rose神经元模型及其在DNA图像加密中的应用[J]. 计算物理, 2025, 42(2): 232-242.
Yibo ZHAO, Qing YANG, Chengcheng YU, Minghua LIU. Novel Magnetron Memristor Coupled Hindmarsh-Rose Neuron Model and Its DNA Image Application in Encryption[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2025, 42(2): 232-242.
图1 忆阻器的紧磁滞回线(a)f=1 Hz时不同幅度下的紧磁滞回线; (b)A=1 V时不同频率下的紧磁滞回线
Fig.1 Memristor tight hysteresis loop (a) pinched hysteresis at different amplitudes with f=1 Hz; (b) pinched hysteresis loops at different frequencies with A=1 V
图2 磁感应强度参数k∈(0.2, 1.8)变化时的动力学状态分布(a)分岔图;(b)李雅普诺夫指数谱
Fig.2 Dynamic state distribution with change of k∈(0.2, 1.8) (a) bifurcation diagram; (b) Lyapunov exponents
图3 不同磁感应强度k的吸引子和对应的膜电位时序图(a)吸引子,k=0.6; (b)膜电位时序图,k=0.6;(c)吸引子,k=1.2; (d)膜电位时序图,k=1.2; (e)吸引子,k=1.6; (f)膜电位时序图,k=1.6
Fig.3 Time series diagram of attractors and corresponding membrane potential for different magnetic induction intensities k (a) attractor with k=0.6; (b) potential sequence diagram with k=0.6; (c) attractor with k=1.2; (d) potential sequence diagram with k=1.2; (e) attractor with k=1.6; (f) potential sequence diagram with k=1.6
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
A | 00 | 00 | 01 | 01 | 10 | 10 | 11 | 11 |
T | 11 | 11 | 10 | 10 | 01 | 01 | 00 | 00 |
G | 01 | 10 | 00 | 11 | 00 | 11 | 01 | 10 |
C | 10 | 01 | 11 | 00 | 11 | 00 | 10 | 01 |
表1 DNA编码解码方式
Table 1 DNA encoding and decoding methods
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
A | 00 | 00 | 01 | 01 | 10 | 10 | 11 | 11 |
T | 11 | 11 | 10 | 10 | 01 | 01 | 00 | 00 |
G | 01 | 10 | 00 | 11 | 00 | 11 | 01 | 10 |
C | 10 | 01 | 11 | 00 | 11 | 00 | 10 | 01 |
算法 | 水平 | 垂直 | 对角线 | 平均值 |
原始图像 | 0.977 2 | 0.977 5 | 0.954 5 | 0.969 7 |
本文 | -0.002 4 | -0.009 5 | 0.003 6 | 0.005 2 |
Ref.[ | 0.016 8 | 0.044 5 | -0.002 2 | 0.021 2 |
Ref.[ | 0.002 8 | 0.009 6 | 0.006 2 | 0.006 2 |
Ref.[ | 0.014 0 | 0.014 3 | 0.014 6 | 0.014 3 |
Ref.[ | 0.007 8 | 0.005 8 | -0.016 4 | 0.010 0 |
表2 Pepper图像相关系数
Table 2 Correlation coefficients of Pepper images
算法 | 水平 | 垂直 | 对角线 | 平均值 |
原始图像 | 0.977 2 | 0.977 5 | 0.954 5 | 0.969 7 |
本文 | -0.002 4 | -0.009 5 | 0.003 6 | 0.005 2 |
Ref.[ | 0.016 8 | 0.044 5 | -0.002 2 | 0.021 2 |
Ref.[ | 0.002 8 | 0.009 6 | 0.006 2 | 0.006 2 |
Ref.[ | 0.014 0 | 0.014 3 | 0.014 6 | 0.014 3 |
Ref.[ | 0.007 8 | 0.005 8 | -0.016 4 | 0.010 0 |
通道 | R | G | B |
原始图像 | 7.268 2 | 7.590 1 | 6.995 1 |
加密图像 | 7.999 3 | 7.999 3 | 7.999 3 |
表3 原始图像与密文图像信息熵
Table 3 Information entropy between original image and ciphertext image
通道 | R | G | B |
原始图像 | 7.268 2 | 7.590 1 | 6.995 1 |
加密图像 | 7.999 3 | 7.999 3 | 7.999 3 |
图7 加入不同密度椒盐噪声的解密图像,密度为(a) 0.005;(b) 0.01;(c) 0.05;(d) 0.1
Fig.7 Decrypted images of added salt and pepper noise with different densities (a) 0.005; (b) 0.01; (c) 0.05; (d) 0.1
图8 遮挡攻击实验结果(a) 数据丢失1/16; (b) 数据丢失1/8; (c)数据丢失1/4; (d)数据丢失1/2; (e)图(a)的解密结果;(f) 图(b)的解密结果; (g) 图(c)的解密结果; (h) 图(d)的解密结果
Fig.8 Experimental results of occlusion attack (a) data loss 1/16; (b) data loss 1/8 of encrypted images; (c) data loss 1/4;(d) data loss 1/2 s; (e) decryption of figure (a); (f) decryption of figure (b); (g) decryption of figure (c); (h) decryption of figure (d)
算法 | 图像 | 加密时间/s |
本文 | Pepper | 2.577 2 |
Ref.[ | Babbon | 5.785 5 |
Ref.[ | Lena | 9.182 7 |
Ref.[ | Lena | 4.392 0 |
表4 不同算法的时间
Table 4 Time of different algorithms
算法 | 图像 | 加密时间/s |
本文 | Pepper | 2.577 2 |
Ref.[ | Babbon | 5.785 5 |
Ref.[ | Lena | 9.182 7 |
Ref.[ | Lena | 4.392 0 |
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