纠错码理论在DNA计算编码中的应用进展

在DNA计算中,编码问题是目前DNA计算中的重点和难点之一,实验证明有效的编码设计能够提高DNA计算过程中的可靠性。本文主要介绍了近几年国内外关于纠错码理论DNA计算编码问题的应用进展,分析了其在DNA计算中的应用的两个主要方面,介绍了较为实用的两种代数编码方法,最后给出了未来研究的三点方面。     

基于汉明距离的DNA编码约束研究

DNA计算是将现实问题进行编码映射到DNA分子上,通过生物实验产生出代表问题的解的DNA分子,最后通过检测技术提取出该DNA分子。高质量的DNA编码可以尽可能避免或减少计算过程中出现的错误,并使检测阶段易于提取出代表问题的解的DNA分子。对DNA编码约束进行了研究,分析了基于汉明距离的编码约束可以有效降低DNA分子间相似程度,减少DNA计算过程中DNA分子间的相互干扰,从而提高DNA计算的有效性和可靠性。还证明了基于汉明距离的编码约束存在等价的序列组合,降低了编码计算的复杂度。     

DNA编码限制条件与编码策略

以评价DNA编码的基本限制条件之一——Hamming距离为出发点分析了DNA编码的三个参量：码字个数、码字长度与Watson-Crick Hamming距离,并得到它们之间的内在联系;讨论了Watson-Crick Hamming距离与DNA码字重量之间的关系;在此基础上得到了DNA编码的编码策略;提出了适合DNA编码的改进Watson-Crick Hamming距离及DNA编码模块化的定义,对DNA编码的优化做出了详细分析,为DNA计算的发展注入了活力。     

DNA编码问题及其复杂性研究

高质量的DNA编码可以避免DNA分子间的非特异性杂交,提高DNA计算的有效性和可靠性。首先对DNA编码的约束条件进行归类,分析了各编码约束对编码质量的影响;然后研究了编码质量、编码数量、序列长度与DNA计算可靠性、有效性、可扩充性之间的关系;最后通过类比DNA编码问题和图的独立集问题,说明了求解最大DNA序列集合问题是NP完全的。     

信息安全中的DNA编码技术

DNA计算是一种模拟生物分子的结构并借助于分子生物技术进行计算的新模式。它引入了崭新的数据结构和计算方法,为解决NP完全问题提供了全新的途径。用DNA分子作为信息载体,以实现数据隐藏、认证、加密等安全技术。本文借鉴生物DNA的表达方式,定义了用户DNA、文件DNA的串结构,从而提高系统中信息安全控制的可靠性。     

最小自由能约束的DNA编码设计研究

首先介绍了DNA编码设计中自由能约束的重要性,以及自由能约束的计算公式,进而采用一种改进的蚁群优化算法来求解。仿真实验表明此算法产生一组能满足特定自由能约束和统一的解链温度约束的DNA序列,算法利用蚁群算法的并行性提高了编码设计算法的效率,利用最小自由能约束产生更稳定的DNA序列。     

DNA计算研究

本文主要讨论了DNA计算原理,综述了DNA计算的特点、DNA计算模型,指出了DNA计算目前存在的问题．最后就DNA计算的发展前景进行了展望。     

基于聚类小生境遗传算法的DNA编码优化

DNA编码优化问题是DNA计算中的核心问题。分析DNA编码优化的约束条件,在单链DNA序列集合上引入h距离,将聚类小生境技术应用于小种群遗传算法的构造,对DNA编码优化问题进行求解。基于h距离定义DNA序列间的相似函数,将碱基字母编码为4进制整数、DNA编码序列作为个体编码为4进制整数向量、种群编码为4进制整数矩阵,基于模4算术运算,构造相应的遗传算子,并给出DNA编码序列的具体计算结果。实验结果表明,与现有DNA编码序列优化结果相比,该算法可得到更好的DNA编码序列且计算效率较高。     

DNA编码文法的分析与设计

DNA编码问题是DNA计算中初始数据库的设计问题,DNA编码优劣直接影响DNA计算的成功与否。提出了将DNA编码视为是某个文法产生的语言的思想,并且证明了DNA编码文法的存在性;进而通过化简文法的字母表,将DNA编码文法的设计问题转化为二进制文法的设计问题;同时设计出产生某个具体DNA编码的文法,最后得到了DNA编码文法的两个性质。     

基于部分字的DNA编码设计与分析*

DNA编码问题是DNA计算中的第一步也是最重要的一步,是DNA计算中的一个基本问题。引入部分字与其洞的定义,研究了部分字的洞与沃森—克里克汉明距离的内在联系,得到沃森—克里克汉明距离与DNA编码的关系;通过分析不完全匹配部分字中洞的出现位置,对发生错误匹配的DNA码进行了优化。解决了DNA编码中除去洞分散分布在DNA双链中的不完全匹配问题,有效弥补了杂交过程中出现的假阳性的缺陷,为DNA编码的研究注入了活力。     

DNA计算中编码序列的过滤函数研究

构造了用于DNA编码序列过滤的函数,并给出了DNA序列编码的算法,采用该文设计的过滤函数和算法所得到的DNA编码序列,能够满足一定的组合约束条件,并满足一定热力学条件,大大提高了DNA编码字的质量,有利于提高DNA计算的可靠性。     

多目标优化机制下DNA编码序列模型

针对现有DNA计算中存在的编码序列设计稳定性、可靠性不完善等问题,充分考虑基本编码问题,设计出一种基于多目标优化机制的DNA编码序列设计算法。在一定的约束条件下,该算法利用了多目标优化机制以及采取小种蚁群算法,将h-distance因子添加到单链DNA架构中,建立一种DNA序列公用方法。通过模拟实验表明,该算法与同类型算法相比,在计算效率、优化性方面具有一定优势。     

基于KNN模型的层次纠错输出编码算法

纠错输出编码是一种解决多类分类问题的有效方法,但其编码矩阵只对类进行编码且都采用事先构造出来的统一形式,适应性较差。为此,提出一种新颖的层次纠错输出编码算法。该算法在训练阶段先通过KNN模型算法在数据集上构建多个同类簇,选取各类中最具代表性的簇形成层次编码矩阵,然后再根据编码矩阵进行单分类器训练。在测试阶段,该算法通过模型融合进一步发挥KNN模型和纠错输出编码各自的优点。在UCI公共数据集上的实验结果表明,新方法的性能优于KNN模型算法和纠错输出编码算法。     

基于DNA随机编码的真彩图加密算法

针对现有的结合DNA操作和混沌系统对真彩图像加密算法中存在的不足,提出一种新的真彩图加密算法。算法在对图像进行DNA编码及DNA加操作时都以混沌序列为映射随机编码图像信息。算法首先用二维Logistic映射随机编码真彩图分解后的R,G,B分量,从编码后的R,G,B分量中得到辅助参数修改超混沌系统的初值,将超混沌系统产生的混沌序列作为加密模板,再随机选择DNA加操作中的一种对编码后的图像序列和加密模板执行DNA加操作,最后随机解码DNA序列,合并R,G,B分量后得到密文图像。仿真结果表明,本文中提出的加密算法有良好的加密效果,并且能抵御穷举攻击、差分攻击和统计分析攻击。     

基于混沌映射和DNA编码的图像加密算法

为了有效改进图像的加密效果及安全性,在对已有的图像加密算法进行分析的基础上,提出基于混沌映射的位变换和DNA序列的图像加密算法。首先,采用混沌映射生成置乱序列对图像在位平面进行置乱,同时达到了图像置乱和扩散的双重加密效果。然后,利用DNA编码规则,对置乱后的图像编码,进行DNA运算,实现图像的扩散。实验结果表明,该算法密钥空间足够大,密钥敏感性较强,具有较好的安全性。     

Multiplexed spectral coding for simultaneous detection of DNA hybridization reactions based on FRET

Fluorescence resonance energy transfer (FRET) is widely used in spectral codification of information at the molecular level, and can be used to generate several layers of information on a DNA chip. We used two oligonucleotides (probes) labeled with different donor (harvesting) molecules in hybridization experiments with complementary oligonucleotides labeled with four different acceptors (targets). By looking at the fluorescence response of the sample after “specific” excitation of each donor molecule (by “specific” we mean a wavelength where one of the donors is predominantly excited), we inspected the possibility to identify the complementary oligonucleotide hybridized to the probe, in mixtures containing two donor probe/acceptor target pairs. In most samples (13 out of the 16 possible), it is trivial to identify the complementary target that is hybridized to the excited donor probe in the mixtures. The major limitations of the chosen system arise when very different concentrations of donor probe/acceptor target pairs are present in the same sample.     

基于压缩感知和DNA编码的图像加密算法

针对传统图像加密算法安全性能差和传输效率低等问题,提出了一种基于压缩感知CS和DNA编码相结合的图像压缩加密算法。首先,采用CS对待加密图像进行预处理,在预处理过程中由克罗内克积KP构造测量矩阵并按比例缩小原始图像。接着,利用超混沌Bao系统产生的混沌序列动态控制DNA编码、解码和运算方式,对压缩图像进行加密和解密。最后,通过重构算法得到重构图像。该算法最大限度地利用了超混沌Bao系统产生的混沌序列,通过将生成的混沌序列整数化,对原始图像进行DNA扩散操作。仿真实验和结果分析表明,该算法能有效提高图像的传输效率和安全性。     

椭圆曲线与自适应DNA编码的混沌图像加密算法

目的 当前大多数的混沌图像加密算法采用与明文相关的对称加密方式,存在密钥冗余以及一次一密模式难以实现的问题,为此,提出一种新的椭圆曲线与自适应DNA（deoxyribonucleic acid）编码结合的混沌图像加密算法。方法 算法利用椭圆曲线的公钥密码体制达成密钥共识,结合4维Lorenz超混沌系统产生共识密钥序列用于自适应DNA编码加密,在DNA编解码的扩散过程中内嵌中间密文状态反馈的动态扩散—自适应置换结构以抵抗分割攻击与选择明文攻击,加密过程的密文状态在解密端能够自适应同步,无需额外传输。结果 算法的密钥空间为2²⁵⁶,足以抵抗穷举攻击。通过对多幅不同尺寸的测试图像进行仿真,比特变化率（number of bit change rate,NBCR）均接近50%,密文各方向上的相邻像素相关性均接近于0,信息熵接近理想值8,并且全部通过NIST SP800-22随机性测试以及抗差分攻击分析。其他混沌图像加密算法进行对比分析,结果表明,本文算法具有极高的实用性和安全性。结论 本文算法完善了密钥冗余的问题,提高了算法的可行性,同时通过实验验证了算法的安全性,适合用于对各种尺寸的图像进行加密及相关的信息安全保障。     

Constructing quantum error correcting code via logic function

We present a systematic way to construct p-ary quantum error correcting codes using logic functions. As a consequence, for a given function with APC distance d′ 2, we can construct quantum codes with parameters ((n, K, d))p and gain a lower bound of K for all 2 d d′. The basic states of the constructed quantum codes can be stated and the sufficient conditions for saturating quantum Singleton bound are also discussed. We give quantum codes [[5, 1, 3]]p with p prime, [[6, 0, 4]], [[6, 2, 3]]p with p > 2 prime...     

基于MapReduce的H.264/AVC并行视频编码

提出一个基于MapReduce的并行视频编码架构, 将源视频切分后以任务的形式分发到不同的处理器上并行地进行编码处理, 以达到提高编码速度的目的。为使整个任务的完成时间最短并平衡负载, 系统综合考虑视频编码特点及处理器的处理能力, 给出LBMM(load balance maximal-minimal complete time)算法。仿真结果显示提出的并行视频编码架构极大地改善了大数据量视频序列的编码效率, 减少了作业的平均响应时间。LBMM与Min-Min算法和CloudSim现有的轮循调度算法相比视频编码速度更快。