基于预计算的DNA快速编码方法技术

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

【技术实现步骤摘要】
基于预计算的DNA快速编码方法


[0001]本专利技术涉及图像加密领域，具体涉及一种基于预计算的DNA快速编码方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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（Simultaneous Peripheral 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。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的：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。
[0006]本专利技术的技术方案：为实现上述专利技术目的，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。
[0007]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。
[0008]有益效果：本专利技术针对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
[0009]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）。
[0010]具体实施方法下面结合具体附图和实例对本专利技术的实施过程进一步详细说明。
[0011]图1是本方法的快速编码流程图。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓强，田婧希，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：