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문제 정의
- 가역성 DNA 정보 은닉 기술은 워터마크된 DNA 서열 상에서 변이가 발생될 경우, 원본 DNA 서열로 복원으로 변이를 수정이 가능하다. 본 논문에서는 DNA 서열 중 아미노산으로 부호되지 않는 비부호 영역 내에 가역성 워터마크를 히스토그램 쉬프팅 기반으로 은닉하는 방법을 제안했다. 이 때 워터마크로 인하여 비부호 DNA 서열이 부호 DNA 서열로 변경 되는 허위개시코돈이 발생될 수 있다.
- 영상의 화소 및 화질 속성과는 달리, DNA 서열은 염기로 구성되어 있으며, 허위개시코돈과 같은 생물학적 변이가 유발되지 않는 한, 쉬프팅 구간의 제한이 크지 않다. 본 논문에서는 허위개시코돈 방지 및 높은 용량성을 가지는 히스토그램 쉬프팅 기반 가역 DNA 워터마킹 방법들을 제시한다.
제안 방법
- 본 논문에서 최소 정수 부호의 개수 α를 10이상으로 설정하고, 예측 차수 p에 따라 은닉 영역을 선택한다.
- 가역 DNA 워터마킹에서는 PSNR의 화질 척도와 유사한 염기변화율과 생물학적 기능 변경에 대한 평가가 필요하다. 본 실험에서는 워터마크에 의한 염기 변화율을 비교 분석했다. 임의의 워터마크에 의하여 염기가 변경될 확률이 전체적으로 균등분포를 가진 다고 가정할 때, 염기 변화율은 3/4=0.
- Chen 방법과 Huang 방법은 부호에 필요한 염기 단위 |ω|와 t에 의하여 용량이 결정되며, 이들은 |ω|=2, t=2일 때 가장 높은 워터마크 용량을 가짐을 실험적으로 제시했다. 본 실험에서는 최대 워터마크 용량을 가지는 kmax를 선택한 후, 각 방법들의 용량을 부호 차수별로 비교 분석했다.
- 본 장에서는 먼저 DNA 정수열의 다중비트 부호화에 대하여 살펴본 후, 이들 히스토그램 쉬프팅 기반 다중 비트 은닉, 복원, 및 추출 과정에 대하여 각각 살펴보기로 한다.
- 에서 임의의 연속 세 염기가 “ATG”가 될 확률로 정의된다. 제안한 방법과 LS-PE 방법은 워터 마크 은닉 과정과 부가 데이터의 LSB 치환 과정에서 허위개시코돈 방지를 위하여 비교 탐색 과정을 수행 한다. 그러므로, 모든 실험 상에서 이 두 방법에서는 허위개시코돈이 발생되지 않았다.
- 이 때 워터마크로 인하여 비부호 DNA 서열이 부호 DNA 서열로 변경 되는 허위개시코돈이 발생될 수 있다. 제안한 방법에 서는 DNA 정수열의 히스토그램 영역을 구간별로 선형적으로 구분한 다음, 경계 구간을 제외한 모든 구간의 히스토그램들을 인접 구간으로 워터마크 비트에 따라 서로 쉬프팅을 한다. 쉬프팅 과정에서 워터 마크된 염기서열을 인접한 염기들 간의 비교 탐색을 통하여 허위개시코돈 생성을 방지한다.
- 제안한 방법은 비부호 DNA 정수열에 대하여 히스토그램 쉬프팅 기반의 가역 워터마크를 은닉하는 것으로, 주요 특징은 다음과 같다. (1) 블라인드 가역성 (Blind Reversibility) : DNA 서열의 길이 변경 및 아미노산 변경없이 가역 워터마크가 은닉되며, 원본 DNA 서열없이 추출 및 복원이 가능하도록 한다.
- 특히 모든 실험 상에서 제안한 방법은 허위개시코돈이 전혀 발생되지 않음을 확인했다. 제안한 방법은 전염성 비디오 코덱 워터마킹[12] 상 가역성 워터마킹으로 적용 가능하다. 향후 본 연구진은 비가역성 부호 서열 워터마킹[13] 워터마킹을 가역성으로 변경하고자 한다.
- 제안한 방법의 용량은 부호차수 n과 최대 쉬프팅 비트수 kmax에 의하여 결정되며, LS-PE 방법의 용량은 부호차수 n과 예측차수 p에 의하여 결정된다. Chen 방법과 Huang 방법은 부호에 필요한 염기 단위 |ω|와 t에 의하여 용량이 결정되며, 이들은 |ω|=2, t=2일 때 가장 높은 워터마크 용량을 가짐을 실험적으로 제시했다.
- 제안한 방법의 주요 특징으로는 높은 용량 및 DNA 서열의 신호 처리 용이성을 위하여 비부호 DNA 영역의 염기서열을 연속적인 n개 염기 단위의 정수열로 변환한다. DNA 정수열의 히스토그램 영역을 구간별로 구분한 다음, 경계 구간을 제외한 나머지 인접 구간 간의 히스토그램들은 워터마크 다중 비트에 따라 서로 쉬프팅을 한다.
- 제안한 복호 과정에서는 먼저 전송된 DNA 서열 D′의 비부호 영역 Γ″(n)로부터 압축 비트열의 부가정보 (K,T,B)를 얻는 다음, B의 염기 이진수 치환에 의하여 워터마크된 비부호 영역 Γ″(n)를 얻는다.
이론/모형
-
본 실험에서는 워터마크 용량, 부가데이터 용량, 염기변화율 및 허위개시코돈 발생 확률에 대하여 제안한 방법과 기존의 LS-PE 방법[9], Chen 방법[6], Huang 방법[7]과 비교 평가하였으며, NCBI Gen Bank에서 제공하는 DNA 서열을 사용했다. 각 DNA
성능/효과
- (2) 워터마킹 용이성 (Watermarking Usability) : 2 비트 염기 서열을 2n비트의 부호계수 서열(code value sequence)로 부호화하여 가역 워터마크 은닉, 추출 및 복원 과정이 용이하도록 한다. (3) 워터마크 용량 (Watermark Capacity) : DNA 정수열의 히스토 그램 쉬프팅 기반으로 다중 비트 은닉(multi-bit embedding)이 가능하도록 하여 워터마크 용량성을 높인다. (4) 허위개시코돈 방지 : 허위개시코돈 정수 테이블과 인접 부호계수 간 비교탐색을 통하여 부호 계수 내 및 부호계수 간 허위개시코돈 생성을 방지한다.
- (3) 워터마크 용량 (Watermark Capacity) : DNA 정수열의 히스토 그램 쉬프팅 기반으로 다중 비트 은닉(multi-bit embedding)이 가능하도록 하여 워터마크 용량성을 높인다. (4) 허위개시코돈 방지 : 허위개시코돈 정수 테이블과 인접 부호계수 간 비교탐색을 통하여 부호 계수 내 및 부호계수 간 허위개시코돈 생성을 방지한다.
- Fig. 5(a)에서와 같이 제안한 방법의 염기변화율 결과를 살펴보면, 부호차수 n이 클수록 염기변화율이 높게 나타났다. 제안한 방법은 제일 높은 워터마크 bpn를 가지는 (n=2, kmax =2)일 때 염기변화율은 0.
- 쉬프팅 과정에서 워터 마크된 염기서열을 인접한 염기들 간의 비교 탐색을 통하여 허위개시코돈 생성을 방지한다. 기존 방법과의 비교 실험에 제안한 방법이 높은 워터마크 bpn를가지는 것에 비하여 약 0.30 bpn 정도의 낮은 부가정 보량이 필요함을 알 수 있었다. 특히 모든 실험 상에서 제안한 방법은 허위개시코돈이 전혀 발생되지 않음을 확인했다.
- 부호차수 n이 주어졌을 때, 제안한 방법의 구간별 부호계수 최대 쉬프팅될 수 있는 비트수는 kmax ≦2n-2이다. Fig.
- 실험결과로부터 부호차수 n에따라 제안한 방법은 kmax = ⌊1/4(5n-2)⌋일 때, 높은 워터마크 bpn를 가짐을 확인했다.
- 이 방법들은 상보쌍 염기 치환 기반 데이터 은닉으로 워터마크 추출 및 복원시 참조되는 원본 DNA 서열이 필요하다. 이상의 기존 방법들은 원본 서열 길이를 유지하나, 허위개시코돈 방지를 고려하지 않고, 비블라인드이거나, 낮은 용량을 가진다.
- 78×105 염기 당 하나의 허위개 시코돈이 발생됨을 확인했다. 제안한 방법과 LS-PE 방법은 허위개시코돈이 발생되지 않았다.
- 제안한 방법과 LS-PE 방법은 허위개시코돈이 발생되지 않으나, Chen 방법과 Huang 방법은 약 104 ∼5.78×105 염기 당 하나의 허위개시코돈이 발생됨을 확인했다.
- 은닉 과정에서는 워터마크된 염기서열 내에 인접 염기들 간의 비교 탐색을 위하여 개시코돈 생성을 방지한다. 제안한 방법과 기존의 Chen 방법[6]과 Huang 방법[7], 및 LS-PE 방법 [8,9]과의 비교 실험에서 제안한 방법이 워터마크 용량과 용량 효율이 높음을 확인했다. 즉, 워터마크 용량성은 제안한 방법, LS-PE 방법, Chen 방법, Huang 방법으로 순으로 높게 나타났으며, 워터마크 용량 대비 부가데이터 용량의 비율에서 Chen 방법, 제안한 방법, Huang 방법, LS-PE 방법으로 순으로 높게 나타났다.
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5(a)에서와 같이 제안한 방법의 염기변화율 결과를 살펴보면, 부호차수 n이 클수록 염기변화율이 높게 나타났다. 제안한 방법은 제일 높은 워터마크 bpn를 가지는 (n=2, kmax =2)일 때 염기변화율은 0.470으로, 낮은 워터마크 bpn를 가지는 (n=3, kmax
=3), (n=4, kmax =3)의 염기변화율 0.501과 0.480보다 낮은 염기변화율을 가진다. Fig. - 제안한 방법과 기존의 Chen 방법[6]과 Huang 방법[7], 및 LS-PE 방법 [8,9]과의 비교 실험에서 제안한 방법이 워터마크 용량과 용량 효율이 높음을 확인했다. 즉, 워터마크 용량성은 제안한 방법, LS-PE 방법, Chen 방법, Huang 방법으로 순으로 높게 나타났으며, 워터마크 용량 대비 부가데이터 용량의 비율에서 Chen 방법, 제안한 방법, Huang 방법, LS-PE 방법으로 순으로 높게 나타났다. 제안한 방법과 LS-PE 방법은 허위개시코돈이 발생되지 않으나, Chen 방법과 Huang 방법은 약 104 ∼5.
- 42의워터마크 bpn를 가진다. 최대 높은 워터마크 bpn 기준으로 제안한 방법과 LS-PE 방법은 0.41bpn으로 유사한 워터마크 bpn를 가지나, 제안한 방법이 0.14 정도 낮은 염기변화율을 가진다.
- 30 bpn 정도의 낮은 부가정 보량이 필요함을 알 수 있었다. 특히 모든 실험 상에서 제안한 방법은 허위개시코돈이 전혀 발생되지 않음을 확인했다. 제안한 방법은 전염성 비디오 코덱 워터마킹[12] 상 가역성 워터마킹으로 적용 가능하다.
- 그러므로, 모든 실험 상에서 이 두 방법에서는 허위개시코돈이 발생되지 않았다. 허위개시코돈 발생에 대하여 고려하지 않는 Chen 방법과 Huang 방법은 실험 상에서 허위개시코돈이 발생되어, 생물학적 변이가 발생됨을 확인했다. 모든 테스트 DNA 서열의 1,000번 반복 수행하여 발생된 허위개시코돈 확률 pf는 Table 2에서와 같이 나타내고 있다.
후속연구
- 제안한 방법은 전염성 비디오 코덱 워터마킹[12] 상 가역성 워터마킹으로 적용 가능하다. 향후 본 연구진은 비가역성 부호 서열 워터마킹[13] 워터마킹을 가역성으로 변경하고자 한다.
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