CN113099234A - 基于预计算的dna快速编码方法 - Google Patents

Abstract

DNA计算是图像加密的重要手段之一，但由于DNA编码过程中存在着大量的重复计算，使得DNA编码效率很低。为提高DNA编码效率，受著名的外部设备联机并行操作（Simultaneous Peripheral Operations On‑Line，Spooling）系统启发，采取空间换时间的思想，设计了一种基于预计算的DNA快速编码方法。在DNA编码前，预先将{0,1,…,255}共256个像素值对应的碱基组合进行计算，并存储于计算机内存或硬盘中。在DNA编码时，通过“遍历编码”查询像素值对应碱基组合矩阵的行位置，从而直接可得到与像素值对应的碱基组合，避免了大量的重复计算，实现DNA快速编码。实验表明：该方法操作简单，易于实现，可明显提高DNA编码效率。

Description

基于预计算的DNA快速编码方法

技术领域

本发明涉及图像加密领域，具体涉及一种基于预计算的DNA快速编码方法。

背景技术

近年来，网络与信息系统的安全问题逐渐引起人们的重视。图像具有直观、生动、形象和信息量大等特征，已成为人们工作和生活中的重要信息载体，广泛的应用于通信、军事和医疗等领域。然而，因为互联网的开放性，信息在网络传输的过程中极易被截取或泄露，所以研究高效且安全的图像加密方法显得意义重大。

随着硬件成本的不断降低，人们通常对图像加密效率要求较高，而对存储空间开销（即占用的存储空间大小）要求相对较低。

1994年，图灵奖获得者Adleman通过使用分子生物学的工具DNA将一个7节点有向哈密顿路径问题进行了解答，这是首次通过实验证明了在分子水平上进行计算的可行性，展示了 DNA 分子强大的并行计算能力；DNA计算具有强大的信息存储能力、足够的信息处理能力、高度的并行性和极低能耗等显著优势；使得它在图像加密领域中发挥愈为重要的作用。近年人们提出多种基于DNA计算的图像加密方法；DNA计算是在DNA编、解码的基础上进行的；DNA编码是将一个十进制像素值转换为8位二进制数，每两位二进制数用一个碱基来表示，则一个8位二进制可用4个碱基表示；DNA解码是编码的逆过程，是将每4个DNA碱基通过解码规则转化成相应的十进制数，即解码图像像素值；然而，在进行DNA编码时，存在着大量重复计算，如图像中有1000个像素值为135的像素点，则需要重复进行1000次DNA编码，将会导致DNA编码效率很低；基于此，受著名的外部设备联机并行操作（SimultaneousPeripheral Operations On-Line，Spooling）系统启发，预先将 {0, 1, …, 255} 共256个像素值对应的碱基组合进行计算，并存储于计算机内存或硬盘中，利用空间换时间的思路以提高DNA编码效率。

发明内容

本发明的目的：针对DNA编码效率低的问题，提出一种基于预计算的DNA快速编码方法。

本发明的技术方案：为实现上述发明目的，设计了一种基于预计算的DNA快速编码方法，步骤详述如下：

步骤1：预存储碱基组合矩阵：在DNA编码前，采用第i种编码规则，预计算{0, 1,…, 255}共256个十进制像素值所对应的碱基组合，构成一个大小为2×256的碱基组合矩阵C _i（i=1, 2, …, 8），再将这些碱基组合矩阵存储于计算机内存或硬盘中；

步骤2：图像维数转换：将一个大小为m×n的原始图像I转换为一个长度为mn的向量P；步骤3：DNA快速编码：若采用第i种编码规则，i∈{1, 2, …, 8}，则利用C _i（i=1, 2,…, 8）“遍历编码”向量P，从而可得一个大小为mn×4的DNA碱基组合矩阵M；

步骤4：碱基组合矩阵维数转换：将二维矩阵M变换成一个大小为m×n×4的三维DNA碱基组合矩阵J，即为I对应的DNA编码矩阵。

进一步的，所述的步骤3中，“遍历编码”是指依序读取P中每个像素值，作为在C _i中查找该像素值所对应的碱基组合索引值，从而将查到的碱基组合作为该像素值的DNA编码结果；对P中所有的像素值进行类似操作，可得到一个大小为mn×4的DNA碱基组合矩阵M。

有益效果：本发明针对DNA编码效率低的问题，提出一种基于预计算的DNA快速编码方法。主要贡献为：（1）利用空间换时间的思路，通过预存储碱基组合矩阵，避免了大量重复计算；（2）提出的DNA快速编码方法操作简单，易于实现，可明显提高DNA编码效率。

附图说明

图1：基于预计算的DNA快速编码流程图；

图2：原始图像；

图3：预存储的碱基组合矩阵（规则1）。

具体实施方法

下面结合具体附图和实例对本发明的实施过程进一步详细说明。

图1是本方法的快速编码流程图。

采用的编程软件为Matlab R2016b，选取图2所示的大小为512×512的原始灰度图像作为原始图像I。采用本方法，对DNA编码的详述如下。

步骤1：预存储碱基组合矩阵：在DNA编码前，采用第i种编码规则，预计算{0, 1,…, 255}共256个十进制像素值所对应的碱基组合，构成一个大小为2×256的碱基组合矩阵C _i（i=1, 2, …, 8），再将这些碱基组合矩阵存储于计算机内存或硬盘中，其中编码规则1所对应得到碱基组合矩阵如图3所示。

步骤2：图像维数转换：将一幅大小为512×512的原始图像I转换为一个长度为262144的向量P。

步骤3：DNA快速编码：若采用第i种编码规则，i∈{1, 2, …, 8}，则利用C _i（i=1,2, …, 8）“遍历编码”向量P，从而可得一个大小为262144×4的DNA碱基组合矩阵M。

步骤4：碱基组合矩阵维数转换：将二维矩阵M变换成一个大小为512×512×4的三维DNA碱基矩阵J，即为I对应的DNA编码矩阵。

Claims (2)

1.基于预计算的DNA快速编码方法，其特征在于，编码过程如下：

步骤1：预存储碱基组合矩阵：在DNA编码码前，采用第i种编码规则，预计算{0, 1, …,255}共256个十进制像素值所对应的碱基组合，构成一个大小为2×256的碱基组合矩阵C _i（i=1, 2, …, 8），再将这些碱基组合矩阵存储于计算机内存或硬盘中；

步骤2：图像维数转换：将一个大小为m×n的原始图像I转换为一个长度为mn的向量P；

步骤3：DNA快速编码：若采用第i种编码规则，i∈{1, 2, …, 8}，则利用C _i（i=1, 2,…, 8）“遍历编码”向量P，从而可得一个大小为mn×4的DNA碱基组合矩阵M；

步骤4：碱基组合矩阵维数转换：将二维矩阵M变换成一个大小为m×n×4的三维DNA碱基组合矩阵J，即为I对应的DNA编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，“遍历编码”是指依序读取P中每个像素值，作为在C _i中查找该像素值所对应的碱基组合索引值，从而将查到的碱基组合作为该像素值的DNA编码结果；对P中所有的像素值进行类似操作，可得到一个大小为mn×4的DNA碱基组合矩阵M。

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