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dc.contributor.advisor1Janier Arias Garcíapt_BR
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8970295096106835pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Erivelton Geraldo Nepomucenopt_BR
dc.contributor.referee1Eduardo Mazoni Andrade Marçal Mendespt_BR
dc.contributor.referee2Fernando de Oliveira Souzapt_BR
dc.contributor.referee3Márcio Júnior Lacerdapt_BR
dc.contributor.referee4Gustavo Terra Bastospt_BR
dc.creatorLucas Giovani Nardopt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8127271665421949pt_BR
dc.date.accessioned2024-08-30T15:43:50Z-
dc.date.available2024-08-30T15:43:50Z-
dc.date.issued2024-04-22-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/1843/75848-
dc.description.abstractAfter the groundbreaking contributions of Henri Poincaré and Edward Lorenz to the field of chaos, chaotic systems have received significant attention in the scientific community. These systems exhibit characteristics like sensitivity to initial conditions and non-periodic behavior. Researchers have used these features in diverse digital applications, from pseudo-random number generation to metaheuristic optimization algorithms. However, implementing and simulating chaotic systems in the digital realm is a complex task, necessitating careful consideration of many issues, such as number representation, finite precision, and dynamical degradation of their chaotic properties. This thesis shows that the orbits of chaotic systems can vary across distinct hardware and software setups, negatively impacting applications like chaos-based encryption schemes. This divergence extends to mathematically equivalent chaotic system models when the order to perform their arithmetic operations differs. Furthermore, while substantial efforts have been devoted to digitally representing chaotic systems and mitigating dynamical degradation, limited attention has been given to developing efficient digital circuits for these systems. Thus, this thesis uses these insights to exploit the chaotic dynamics through three distinct approaches. First, a novel chaotic image encryption algorithm based on finite fields is introduced. By adapting the logistic map using Galois field to generate pseudo-random numbers, this approach ensures that encryption results are consistent across different digital devices and guarantees security against cyberattacks. Second, a new method to estimate the positive largest Lyapunov exponent of chaotic systems using SPICE-like programs is proposed. This approach simplifies the estimation by directly analyzing systems represented in circuit diagrams, inspired by interval extensions and pseudo-orbits of chaotic systems. Thus, users with basic SPICE-like program skills can readily employ this method. Third, utilizing FPGA as a digital platform and using 1's complement fixed-point format, a hardware-efficient solution for implementing the tent map and also a hardware perturbation method to reduce its dynamical degradation are presented. The resulting digital circuit maintains chaotic properties and serves as a pseudo-random number generator for particle swarm optimization. In summary, this thesis not only explores chaotic systems in digital environments but also offers practical solutions and insights with implications for diverse applications.pt_BR
dc.description.resumoApós as inovadoras contribuições de Henri Poincaré e Edward Lorenz no campo de estudo da teoria do caos, sistemas caóticos começaram a receber significativa atenção na comunidade científica. Sistemas caóticos exibem características, como a sensibilidade às condições iniciais e o comportamento não periódico. Assim, pesquisadores têm usado essas características em diversas aplicações digitais, desde a geração de números pseudoaleatórios, até em algoritmos de otimização metaheurística. No entanto, implementar e simular sistemas caóticos em um ambiente digital é uma tarefa complexa, que exige demasiada consideração em muitas questões, como a representação numérica, precisão finita e a degradação dinâmica de suas propriedades caóticas. Diante desse cenário, esta tese demonstra que as órbitas geradas, via sistemas caóticos, podem variar em diferentes configurações de hardware e software, o que afeta negativamente aplicações de criptosistemas baseados em caos, por exemplo. Essa divergência se estende, também, para os modelos de sistemas caóticos matematicamente equivalentes quando a ordem de execução das suas respectivas operações aritméticas se difere. Além disso, embora esforços substanciais tenham sido dedicados à representação digital de sistemas caóticos e à mitigação da degradação dinâmica, pouca atenção foi dada ao desenvolvimento de circuitos digitais eficientes para tais sistemas. Assim, essa tese utiliza dessas percepções para explorar a dinâmica caótica por meio de três abordagens distintas. Primeiramente, um novo algoritmo de criptografia de imagens baseado em corpos finitos é apresentado. Ao adaptar o mapa logístico usando corpos de Galois para gerar números pseudoaleatórios, tal abordagem assegura resultados consistentes no processo de criptografia em diferentes dispositivos digitais, garantindo, também, a segurança contra ataques cibernéticos. Em segundo lugar, um novo método para estimar o maior e positivo expoente de Lyapunov de sistemas caóticos usando programas SPICE é proposto. Tal abordagem simplifica a respectiva estimativa ao analisar diretamente sistemas representados em diagramas de circuitos, inspirando-se em extensões intervalares e pseudo-órbitas de sistemas caóticos. Assim, usuários com habilidades básicas em programas semelhantes ao SPICE podem empregar facilmente esse método. Em terceiro lugar, utilizando o FPGA como uma plataforma digital e usando a representação numérica em ponto fixo e complemento de 1, uma solução eficiente em hardware para implementar o mapa tenda, como também um método de perturbação via hardware para reduzir a sua degradação dinâmica, são apresentados. O circuito digital resultante mantém as propriedades caóticas e atua como um gerador de números pseudoaleatórios para problemas de otimização por enxame de partículas. Por fim, esta tese não apenas explora sistemas caóticos em ambientes digitais, mas também oferece soluções práticas e insights com implicações para diversas aplicações.pt_BR
dc.description.sponsorshipFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Geraispt_BR
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorpt_BR
dc.languageengpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Geraispt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétricapt_BR
dc.publisher.initialsUFMGpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pt/*
dc.subjectChaospt_BR
dc.subjectChaotic systempt_BR
dc.subjectComputer arithmeticpt_BR
dc.subjectDynamical degradationpt_BR
dc.subjectGalois fieldpt_BR
dc.subjectHardware architecturept_BR
dc.subjectImage encryptionpt_BR
dc.subjectLyapunov exponentpt_BR
dc.subjectPseudo-random number generatorpt_BR
dc.subject.otherLiapunov, Funções dept_BR
dc.subject.otherTeoria do caospt_BR
dc.subject.otherSistemas caóticospt_BR
dc.subject.otherComputadores - Medidas de segurançapt_BR
dc.subject.otherGalois, Teoria dept_BR
dc.titleExploiting the chaotic dynamics: novel approaches for cryptosystems, digital systems, and Lyapunov exponent estimationpt_BR
dc.typeTesept_BR
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