检索结果-南通市图书馆

作者：谢然泽广州大学

学位级别：硕士

DNA分子因其高密度、长期存储能力、小体积和低维护成本等优势,已成为解决海量数据存储难题的潜在方案。然而,DNA存储过程中容易产生碱基插入、删除和替换(IDS)等错误,这对存储的可靠性构成了挑战。而多读段重构问题(multi-reads recons... 详细信息

DNA分子因其高密度、长期存储能力、小体积和低维护成本等优势,已成为解决海量数据存储难题的潜在方案。然而,DNA存储过程中容易产生碱基插入、删除和替换(IDS)等错误,这对存储的可靠性构成了挑战。而多读段重构问题(multi-reads reconstruction)就是研究如何识别并修正这些错误以重构原始序列。鉴于DNA测序过程自然会产生多个读段,解决这个问题的一种较为直接的方法是多序列比对(MSA)算法。本文主要工作包括:(1)多序列比对算法的纠错能力研究。通过模拟研究,探索了MSA算法的纠错能力极限。研究发现,错误率达20%时,MSA纠错能力达到极限。在这一临界值以下,MSA能有效重构原始序列;而超过此值时,纠错能力则显著下降。即使在较高错误率的情况下(15%),MSA仍可在合理的测序深度下(约70)纠正绝大部分的错误,并表现出对不完美聚类(聚类含不相关读段)的鲁棒性。结合纠错码(ECC)等手段,MSA可在成本和效率间取得平衡,展现了其在DNA存储应用的潜力。(2)一种基于生成对抗网络(GAN)的序列重构模型。开发了一个名为DNA-GAN的深度学习模型,用于读段重构。该模型将含有碱基错误的读段转换为图像,并使用条件生成对抗网络(c GAN)使图像变得平滑、无错误,从而恢复原始DNA序列。该模型在纠错能力上优于基于Transformer的深度学习模型,在速度上优于传统MSA算法。DNAGAN能在高达5.9%错误率的数据集上完全重构序列,表明其适用于第三代纳米孔测序技术,超越了仅在第二代测序数据上测试的基于Transformer的深度学习模型。即便当聚类受到污染,含有高达20%不相关的读段,DNA-GAN也展现了出色的鲁棒性。这是首次将GAN技术应用于DNA存储领域的读段重构。总之,针对DNA存储中的插删替错误,本文首先研究了常用多序列比对算法MAFFT的纠错能力,为后续多序列比对算法的应用奠定了技术基础。进一步结合深度学习技术,提出了一种基于生成对抗网络的条件GAN序列重构模型。本文的工作对于高效解决大规模DNA存储信息的可靠性具有重要的理论和指导意义。

关键词： DNA存储多读段重构多序列比对 GAN模型碱基错误

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深度学习在DNA存储读段重建的应用

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广州大学学报（自然科学版） 2024年第3期23卷 1-7页

作者：姚翔宇刘希晨昝乡镇许鹏刘文斌广州大学计算科技研究院广东广州510006 广州商学院信息技术与工程学院广东广州511363

DNA存储技术是一项着眼于未来的具有划时代意义存储技术,它将数字信息编码为核苷酸序列,然后通过化学合成将序列写入DNA分子,最后通过DNA测序技术读取信息。相较于电子存储技术,其在信息密度、数据安全性以及保存年限等方面具有极大的... 详细信息

DNA存储技术是一项着眼于未来的具有划时代意义存储技术,它将数字信息编码为核苷酸序列,然后通过化学合成将序列写入DNA分子,最后通过DNA测序技术读取信息。相较于电子存储技术,其在信息密度、数据安全性以及保存年限等方面具有极大的优势。然而在DNA存储技术的数据读取端,测序读段存在着大量碱基替换、插入和删除错误,因此需进行读段重建来恢复原始数据。读段重建方法要求高成功率以及一定的时效性,以实现文件可靠存取并提高DNA存储技术的读写效率。文章介绍了现有的基于深度学习的读段重建模型,通过对模型架构、重建理念以及纠错能力等方面的比较指出了目前研究的局限性,并展望了未来深度学习在读段重建中可能的研究方向。

关键词： DNA存储技术碱基错误读段重建深度学习

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面向DNA存储系统的图像加密算法研究

面向DNA存储系统的图像加密算法研究

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作者：姚翔宇广州大学

学位级别：硕士

DNA分子是一种新型数据存储介质,具有较高的存储密度,超长的存储时间,较小的体积以及较低的维护成本等特点,这些特点使其有望成为传统存储介质的替代者并解决未来海量数据的存储难题。目前,DNA存储技术存在着较高的碱基错误(替换、插入... 详细信息

DNA分子是一种新型数据存储介质,具有较高的存储密度,超长的存储时间,较小的体积以及较低的维护成本等特点,这些特点使其有望成为传统存储介质的替代者并解决未来海量数据的存储难题。目前,DNA存储技术存在着较高的碱基错误(替换、插入和删除)率以及存储序列缺失等问题,对存储系统中文件的可靠存取带来了极大的挑战。因此,全面地认识DNA存储技术的复杂度并克服其缺陷,将有助于其未来的发展与应用。本文致力于研究DNA存储技术在数据安全方向的应用,提出了两个面向DNA存储系统的图像加密算法,通过实验分析证明了这些算法在DNA存储系统中的安全性及鲁棒性,主要工作包括:(1)为实现数据在DNA存储系统的安全性并避免过于复杂的生物分子实验,设计了一种满足生物序列约束条件的基于DNA杂交和基因突变的图像加密算法。该算法通过动态约瑟夫遍历,DNA杂交运算以及模拟生物基因突变实现了传统图像加密方案的三大步骤:像素置乱、像素置换以及扩散。实验结果表明,该算法具有较高的安全性,对DNA存储系统中碱基替换错误和序列缺失具有较强的鲁棒性。(2)针对密文图像在DNA存储系统中的可靠存取问题,设计了一种基于前向纠错码的图像DNA加密存储算法。该算法通过动态约瑟夫遍历,图像分解以及可纠错码的动态编码实现了像素置乱、像素置换以及扩散。实验分析表明,该算法能有效抵抗各种攻击,即使密文DNA序列缺失50%或者碱基错误率达到20%并且三种碱基错误同时存在时,解密图像仍然具有相当的辨识度。

关键词： DNA存储碱基错误序列缺失图像加密

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