CN111681290B - 一种基于dna编码技术的图片存储方法 - Google Patents

一种基于dna编码技术的图片存储方法 Download PDF

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Abstract

一种基于DNA编码技术的图片存储方法，所述方法包括步骤：获取待存储图片；将所述图片转换为RGB文本格式；构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树；对所述最优三叉哈夫曼树进行三进制编码，以得到三进制编码文件；对所述三进制编码文件添加检验和；对所述三进制编码文件进行DNA编码。本申请提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法的优点为：(1)可并行访问性；(2)信息保真度高且久；(3)高存储密度和强兼容性；(4)可解决大规模信息存储问题。

Description

一种基于DNA编码技术的图片存储方法
技术领域
本发明属于信息存储领域，具体涉及一种基于DNA编码技术的图片存储方法。
背景技术
由于互联网和计算机的广泛使用，数据呈指数型增长。消费者和企业将大量的图像、视频和文件数据放置在其大容量硬盘驱动器和存储服务器上。2011年全球数据总量突破1.8ZB，约为2006年的10倍。模拟信号到数字信号的转换也被认为是增加全局存储介质负担的重要原因。当前庞大的存储解决方案还无法满足目前对数据存储的需求，最终都需要新的方法来存储这些数据。由此可见，日益增长的数据对我们的存储空间要求也越来越高，需要更好的存储设备。
目前，数据存储载体主要是移动硬盘，比如可记录光盘、MP3、MP4、USB闪存盘、闪存卡等，这些载体的通用缺点就是能写入的数据量不是很大，且保存时间不是很长，受到各种工作原理、性能和成本的限制，不能满足未来存储的需要。因此需要寻找到一种高密度、长保质期的存储介质来解决数据爆炸的问题。
分子数据存储是密集型和持久型信息存储最有吸引力的替代方案，这是处理信息生成与存储数据能力之间日益扩大的差距所急需的，DNA是分子形式有效档案数据存储的明显例子。DNA由于其每克数据PB级的信息密度、高耐久性、可并行访问性、长久存储、高存储密度、强兼容性等特点，有望成为新一代存储技术，并且可通过优化仪器来完美地复制这些信息。同为存储载体，DNA比移动硬盘、光盘等更为轻便，在低温环境下保存的时间更长。但是目前缺少一种基于DNA存储方式的存储方法来充分发挥DNA存储方式的优势。
发明内容
本发明提供一种基于DNA编码技术的图片存储方法，解决了现有技术中缺少一种基于DNA存储方式的存储方法来充分发挥DNA存储方式的优势的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于DNA编码技术的图片存储方法，所述方法包括步骤：
获取待存储图片；
将所述图片转换为RGB文本格式；
构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树；
对所述最优三叉哈夫曼树进行三进制编码，以得到三进制编码文件；
对所述三进制编码文件添加检验和；
对所述三进制编码文件进行DNA编码。
优选地，所述获取待存储图片包括步骤：
爬取所述待存储图片；
将所述待存储图片转换为预设格式。
优选地，所述将所述图片转换为RGB文本格式包括步骤：
遍历所述图片上每个像素点；
获取每个所述像素点对应的RGB值；
将每一所述RGB值按照其对应的所述像素点所处位置排列在文本中，以得到所述RGB文本。
优选地，所述构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树包括步骤：
获取所述RGB文本；
将所述RGB文本中出现的每个字符作为一个叶子结点；
将每个所述字符出现的频度作为对应所述叶子结点的权值；
将所有所述字符在哈夫曼树中以叶子结点形式呈现，以得到所述最优三叉哈夫曼树。
优选地，所述对所述三进制编码文件添加检验和包括步骤：
获取所述三进制编码文件；
按照每行八位长度对所述三进制编码文件进行切段，以得到八位切段文本；
将每一所述八位切段文本分别与初始三进制文本进行三进制加法检验，以得到八位检验和文本；
将每一所述八位检验和文本添加至对应的所述八位切段文本之后，以得到十六位切段文本；
使用换行符合并所有所述十六位切段文本。
优选地，所述对所述三进制编码文件进行DNA编码包括步骤：
构建碱基与三进制编码对应关系；
根据所述碱基与三进制编码对应关系确定每行第一个碱基；
根据前一个碱基来确定相邻的下一个唯一的碱基类型。
优选地，在所述对所述三进制编码文件进行DNA编码之后还包括：
对DNA编码序列添加SNP噪声。
优选地，所述对DNA序列添加SNP噪声包括步骤：
获取所述DNA编码序列及其碱基总量；
获取SNP突变关系；
根据所述SNP突变关系对预设比例的所述DNA编码序列添加SNP噪音。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法的优点为：(1)可并行访问性；(2)信息保真度高且久；(3)高存储密度和强兼容性；(4)可解决大规模信息存储问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法中RGB文本的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法中碱基与三进制编码对应关系的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法中图片添加SNP噪音后的像素信息示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
参见图1，在本申请实施例中，本发明提供了一种基于DNA编码技术的图片存储方法，所述方法包括步骤：
S101：获取待存储图片；
S102：将所述图片转换为RGB文本格式；
S103：构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树；
S104：对所述最优三叉哈夫曼树进行三进制编码，以得到三进制编码文件；
S105：对所述三进制编码文件添加检验和；
S106：对所述三进制编码文件进行DNA编码。
在本申请实施例中，步骤S101中所述获取待存储图片包括步骤：
爬取所述待存储图片；
将所述待存储图片转换为预设格式。
在本申请实施例中，采用python爬虫技术的正则匹配从华中科技大学新闻网(http：//www.news.hust.edu.cn)上获取图片，如图5(a)所示，此图片保存格式为JPG格式。
在本申请实施例中，步骤S102中所述将所述图片转换为RGB文本格式包括步骤：
遍历所述图片上每个像素点；
获取每个所述像素点对应的RGB值；
将每一所述RGB值按照其对应的所述像素点所处位置排列在文本中，以得到所述RGB文本。
在本申请实施例中，使用python的imread模块读取图5(a)中所示图像，根据图片的高度(记为y)和宽度(记为x)来遍历图像的每个像素点上的RGB值，并记录对应的x，y值，进而将图片的像素信息转化为RGB值存入文本，得到RGB文本，如图2所示。
在本申请实施例中，步骤S103中所述构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树包括步骤：
获取所述RGB文本；
将所述RGB文本中出现的每个字符作为一个叶子结点；
将每个所述字符出现的频度作为对应所述叶子结点的权值；
将所有所述字符在哈夫曼树中以叶子结点形式呈现，以得到所述最优三叉哈夫曼树。
在本申请实施例中，将每个出现的字符当做一个独立的叶子结点，将每个字符出现的频度作为对应叶子结点的权值，将所有字符在哈夫曼树中以叶子结点的形式呈现，构建最优三叉哈夫曼树。
在本申请实施例中，经过步骤S103后可以得到最优三叉哈夫曼树，然后对所述最优三叉哈夫曼树进行三进制编码，可以得到三进制编码文件。比如，图片中有一段字符串为aacccbfffffddddeeeeee，根据其最优三叉哈夫曼树，这些字符对应的三进制编码为a：21、b：20、c：22、d：0、e：2、f：1，所以该字符串对应的三进制编码为212122222220111110000222222。
在本申请实施例中，步骤S105中所述对所述三进制编码文件添加检验和包括步骤：
获取所述三进制编码文件；
按照每行八位长度对所述三进制编码文件进行切段，以得到八位切段文本；
将每一所述八位切段文本分别与初始三进制文本进行三进制加法检验，以得到八位检验和文本；
将每一所述八位检验和文本添加至对应的所述八位切段文本之后，以得到十六位切段文本；
使用换行符合并所有所述十六位切段文本。
参见图3，在本申请实施例中，三进制编码文件为00121110021121201021012，按照每行八位长度对00121110021121201021012进行切段后，可以得到三个八位切段文本，分别为：00121110、02112120和10210120(不满8位的用0补齐)，再将每一所述八位切段文本分别与初始三进制文本(00000000)进行三进制加法检验，以得到八位检验和文本，分别为：00121110、02112120和10210120，而后将每一所述八位检验和文本添加至对应的所述八位切段文本之后，以得到十六位切段文本，分别为：0012111000121110、0211212002112120和1021012010210120，然后使用换行符合并所有所述十六位切段文本，最终的编码文本如图3所示。
在本申请实施例中，步骤S106中所述对所述三进制编码文件进行DNA编码包括步骤：
构建碱基与三进制编码对应关系；
根据所述碱基与三进制编码对应关系确定每行第一个碱基；
根据前一个碱基来确定相邻的下一个唯一的碱基类型。
在本申请实施例中，参见图4为碱基与三进制编码对应关系，每行的第一个碱基有三种对应关系：0对应C、1对应G、2对应T，可以根据此对应关系确定每行第一个碱基，而之后的碱基编码则根据前一个碱基确定，从而可以将所述三进制编码文件进行DNA编码，比如图4中的三进制编码0012120100121201经过碱基与三进制编码对应关系后得到的DNA编码为CGATCACTACTGATAG。
在本申请实施例中，在步骤S106中所述对所述三进制编码文件进行DNA编码之后还包括：
S107：对DNA编码序列添加SNP噪声。
在本申请实施例中，由于DNA普遍存在变异现象，所以为了模拟此种实际情况，可以对DNA编码序列添加SNP噪声，尽可能的模拟现实中DNA在复制和保存中普遍存在的SNP变异问题。
在本申请实施例中，步骤S107中所述对DNA序列添加SNP噪声包括步骤：
获取所述DNA编码序列及其碱基总量；
获取SNP突变关系；
根据所述SNP突变关系对预设比例的所述DNA编码序列添加SNP噪音。
在本申请实施例中，首先获取DNA编码序列及其碱基总量，然后获取实际情况中DNA的SNP突变关系，具体为为A-D、T-S、G-Q、C-W，接着可以选择是否添加SNP噪音。当添加SNP噪音时，SNP噪音按碱基总量的比例进行添加，对应的设置多线程处理，并添加SNP噪音对图像模糊化信息，具体如图5，处理后的图片与原始图片的相度与加入的SNP噪音的比例有关，且呈线性负相关。
本申请提供的一种基于DNA编码技术的图片存储方法的优点为：(1)可并行访问性；(2)信息保真度高且久；(3)高存储密度和强兼容性；(4)可解决大规模信息存储问题。
最后，还需要说明的是，术语“包括"、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
获取待存储图片；
将所述图片转换为RGB文本格式；
构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树；
对所述最优三叉哈夫曼树进行三进制编码，以得到三进制编码文件；
对所述三进制编码文件添加检验和；
对所述三进制编码文件进行DNA编码；
所述对所述三进制编码文件添加检验和包括步骤：
获取所述三进制编码文件；
按照每行八位长度对所述三进制编码文件进行切段，以得到八位切段文本；
将每一所述八位切段文本分别与初始三进制文本进行三进制加法检验，以得到八位检验和文本；
将每一所述八位检验和文本添加至对应的所述八位切段文本之后，以得到十六位切段文本；
使用换行符合并所有所述十六位切段文本。
2.根据权利要求1所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述获取待存储图片包括步骤：
爬取所述待存储图片；
将所述待存储图片转换为预设格式。
3.根据权利要求1所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述将所述图片转换为RGB文本格式包括步骤：
遍历所述图片上每个像素点；
获取每个所述像素点对应的RGB值；
将每一所述RGB值按照其对应的所述像素点所处位置排列在文本中，以得到所述RGB文本。
4.根据权利要求1所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述构建所述RGB文本的最优三叉哈夫曼树包括步骤：
获取所述RGB文本；
将所述RGB文本中出现的每个字符作为一个叶子结点；
将每个所述字符出现的频度作为对应所述叶子结点的权值；
将所有所述字符在哈夫曼树中以叶子结点形式呈现，以得到所述最优三叉哈夫曼树。
5.根据权利要求1所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述对所述三进制编码文件进行DNA编码包括步骤：
构建碱基与三进制编码对应关系；
根据所述碱基与三进制编码对应关系确定每行第一个碱基；
根据前一个碱基来确定相邻的下一个唯一的碱基类型。
6.根据权利要求1所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，在所述对所述三进制编码文件进行DNA编码之后还包括：
对DNA编码序列添加SNP噪声。
7.根据权利要求6所述的基于DNA编码技术的图片存储方法，其特征在于，所述对DNA编码序列添加SNP噪声包括步骤：
获取所述DNA编码序列及其碱基总量；
获取SNP突变关系；
根据所述SNP突变关系对预设比例的所述DNA编码序列添加SNP噪音。
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