بخشی از مقاله
کاربرد DNA به عنوان منبعی مناسب جهت ذخیره سازی اطلاعات تصویری
چکیده:
مولکول DNA یک مولکول فراوان و ارزان که برخلاف ریزپردازنده های رایج، از نظر مسائل زیست محیطی، منبعی پاک محسوب می شود. ذخیره سازی اطلاعات یکی از کارکردهای طبیعی مولکول DNA می باشد. در این مطالعه از مولکول DNA به عنوان یک ابزار مناسب و دارای بیشترین حجم تراکم برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده گردید. ابتدا تصویر RBG به تصویری با مقیاس خاکستری تبدیل شد و در مرحله بعد به تصویر باینری و با استفاده از الگوریتم RLC و کدهای BCD به کمترین حجم تبدیل گردید و در مرحله آخر به کدهای معادل مولکول DNA تبدیل گردید. قابل ذکر است که در این پژوهش ایده های اساسی و اصلی اصول زیست شناسی مولکولی، مورد آزمایش قرار داده شده و از رشته های DNA زیستی واقعی استفاده نشده است.
واژهای کلیدی: مولکول DNA، تصویر RGB، الگوریتم RLC، ذخیره سازی، منبع پاک
-1 مقدمه:
DNA موجود در ارگانیسم زنده می تواند جایگزین مناسبی برای سیلیکون ها باشد. DNA به عنوان یک محیطی با تراکم بالا برای اهداف محاسباتی پیشنهاد شده است(.(1 همچنین DNA دارای بیشترین تراکم برای ذخیره سازی اطلاعات، نسبت به هر ماده دیگر بر روی زمین است. مولکول DNA به طور طبیعی قادر به ذخیره و پردازش اطلاعات می باشد(.(2 هر مولکول ژنتیکی DNA یک مارپیچ دوتایی شامل 4 نوکلئوتید به نام های باز آلی نیتروژن دار سیتوزین (Cytosin)، بازآلی نیتروژن دار آدنین (Adenine)، باز آلی نیتروژن دار تیمین (Thymine) و باز نیتروژن دار گوانین (Guanin) می باشد که به یکدیگر پیچیده اند((3 (شکل.(1
شکل :1 تصویر بازهای آلی نیتروژن دار تشکیل دهنده مولکول DNA را نشان می دهد(.(3
از اتصال نوکلئوتیدها با یکدیگر، پلیمری خطی به وجود می آید. اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر از طریق برقراری پیوند کووالان بین گروه قند یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر صورت می گیرد . نوکلئوتیدها در ابتدا به صورت آزاد، سه گروه فسفات دارند، اما هنگام برقراری پیوند با یکدیگر، دو گروه از سه گروه فسفات خود را از دست می دهند و فقط با یک گروه فسفات خود در رشته ی پلی نوکلئوتیدی جای می گیرند((3 (شکل.(2
شکل :2 تصویر یک رشته ی پلی نوکلئوتیدی از یک مولکول DNA را نشان می دهد(.(3
مزیت استفاده از DNA برای ذخیره اطلاعات .1: پایداری مولکول .2 ظرفیت بالای نگهداری اطلاعات و .3کوچک بودن آن است .(4) با شکل گیری این فناوری و با معادل سازی اطلاعات و تبدیل آنها بدلیل فاصله کم اجزای مولکول DNA و گنجایش زیاد آن برای ذخیره اطلاعات در هر سانتیمتر مربع به ظرفیتی بیش از چند میلیون برابر سی دی خواهیم رسید به عبارت دیگر می توان گفت : بیش از 10 تریلیون مولکول DNA در یک سانتی متر مکعب جا می گیرد. با این حجم از DNA می توان 10 ترابایت ( 1000 گیگا بایت) اطلاعات را ذخیره کرد و 10 تریلیون محاسبه را در یک لحظه به انجام رساند، به عبارتی می توان گفت که یک
گرم DNA خشک شده که تقریبا به اندازه نصف یک حبه قند است، می تواند اطلاعات یک تریلیون سی دی را در خود ذخیره کند .(5) زبانی را که DNA با آن عمل می کند با چهار حرف G, T, A و C کدگذاری می شود و عملیات محاسباتی را انجام می دهد(.(6 مدلی که امروزه از DNA ارائه می شود، مدل واتسون و کریک است. طبق مدل پیشنهادی واتسون و کریک، DNA از دو رشته ی پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که حول یک محور فرضی، به دور یکدیگر پیچیده اند. بازهای شیمیایی مولکول DNA، از نظر بیولوژیکی از قوانینی خاص پیروی می کنند، به این صورت که باز آدنین همیشه با باز تیمین و باز سیتوزین همیشه با باز گوانین پیوند برقرار می کنند که این خواص قابلیت پردازش اطلاعات را به مولکول DNA می دهد(.(7
سیستم پردازش تصویر، عملیات ورود تصویر، دستکاری تصویر و خروج نتایج را انجام می دهد .(8) پردازش تصاویر امروزه بیشتر به موضوع پردازش تصویر دیجیتال گفته می شود که شاخه ای از دانش رایانه است که با پردازش سیگنال دیجیتال که نماینده تصاویر برداشته شده با دوربین دیجیتال یا پویش شده توسط پویشگر هستند سروکار دارد(.(9 تصویر RGB آرایه ای M×N×3 از پیکسل های رنگی است، که هر پیکسل رنگی یک سه تایی متناظر از ترکیب رنگ های قرمز، سبز و آبی در مکان خاصی می باشد. یک تصویر مقیاس خاکستری داده ای است که مقادیر آن شدت (نور) تغییر یافته را نشان می دهد. مقادیر المان های این ماتریس مقادیر صحیحی در محدوده ی 0 تا 255 دارند. یک تصویر باینری نیز، منطقی از 0 و 1 می باشند. کدگذاری RLC از نحوه چینش اطلاعات در منبع استفاده می کند. اگر منبع اطلاعات طوری باشد که نمادها به تشکیل گروه های پیوسته تمایل داشته باشند می توان این نمادها و طول گروه هر یک را برای کد کردن استفاده نمود(.(10 از آنجایی که مولکول DNA پایدارترین مولکول و دارای بیشترین تراکم در ذخیره سازی اطلاعات می باشد در این پژوهش یک مدلی جهت استفاده از این مولکول برای ذخیره سازی اطلاعات تصویری ارائه گردیده است.
-2 اصول و روش ها
پردازش تصویر دیجیتالی به پردازش های دیجیتالی روی تصویر دیجیتالی با استفاده از رایانه اشاره دارد. تصویر دیجیتالی ترکیبی از تعداد عنصر محدود است که هرکدام مقدار خاصی دارد. نرم افزار MATLAB یک زبان سطح بالا برای محاسبات فنی است و در یک محیط ساده؛ محاسبات، تجسم و برنامه نویسی را جمع کرده و مسایل و راه حل ها را بصورت نگارش ریاضی بیان می کند. ابتدا یک تصویر رنگی (RGB) را به وسیله توابع موجود در این نرم افزار به یک تصویر خاکستری با حجم کمتری تبدیل گردید. در مرحله بعد تصویر حاصل به یک تصویر باینری تبدیل گردید. سپس با استفاده از الگوریتم RLC و کد بندی BDC حجم تصویر به کمترین حد ممکن رسید. در نرم افزار MATLAB کلاس های Unit8 و Logical به طور گسترده در پردازش تصویر استفاده می شود و هنگام خواندن تصویر از فایل هایی با فرمت های tiff با jpeg با این کلاس ها استفاده می شوند. این کلاس ها برای نمایش پیکسل به یک بایت نیاز دارند. اما زمانی که به کد BCD تبدیل شوند 4 بیت استفاده می گردد. برای فایل تصویری مورد نظر در این پژوهش تمام این مراحل انجام گرفت. کد BCD حاصل شده از فایل تصویری با استفاده از نوکلئوتیدهای مولکول DNA به شکل زیر ذخیره گردید:
A= 00, T= 01, C= 10, G=11
-3 نتایج
نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد می توان از این مدل به عنوان طرحی جهت ذخیره اطلاعات تصویری بر روی مولکول DNA استفاده گردد.
شکل :3 فایل تصویری اصلی مورد نظرمان را نشان می دهد.
شکل :4 فایل تصویری موردنظرمان که به وسیله تابع rgb2gray در نرم افزار MATLAB به تصویر خاکستری و کم حجم تبدیل گردیده است.
