Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers (전자공학회논문지)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A Robust DNA Watermarking in Lifting Based 1D DWT Domain

Lifting 기반 1D DWT 영역 상의 강인한 DNA 워터마킹

  • Lee, Suk-Hwan (Dept. of Information Security, Tongmyong University) ;
  • Kwon, Ki-Ryong (Dept. of IT Convergence and Application Engineering, Pukyong National University) ;
  • Kwon, Seong-Geun (Dept. of Electronics Engineering, KyungIl University)
  • 이석환 (동명대학교 정보보호학과) ;
  • 권기룡 (부경대학교 IT융합응용공학과) ;
  • 권성근 (경일대학교 전자공학과)
  • Received : 2012.06.27
  • Published : 2012.10.25
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

DNA watermarking have been interested for both the security of private genetic information or huge DNA storage information and the copyright protection of GMO. Multimedia watermarking has been mainly designed on the basis of frequency domain, such as DCT, DWT, FMT, and so on, for the robustness and invisibility. But a frequency domain watermarking for coding DNA sequence has a considerable constraint for embedding the watermark because transform and inverse transform must be performed without completely changing the amino acid sequence. This paper presents a coding sequence watermarking on lifting based DWT domain and brings up the availability of frequency domain watermarking for DNA sequence. From experimental results, we verified that the proposed scheme has the robustness to until a combination of 10% point mutations, 5% insertion and deletion mutations and also the amino preservation and the security.

개인 유전정보 또는 대용량 DNA 저장 정보의 보호와 GMO(Genetically Modified Organism) 저작권 보호를 위하여 DNA 서열 워터마킹 연구가 필요하다. 기존 멀티미디어 데이터 워터마킹에서는 강인성 및 비가시성에 대한 성능이 우수한 DCT, DWT, FMT(Fourer-Mellin transform) 등 주파수 기반으로 설계되어졌다. 그러나 부호 영역 서열의 주파수 기반 워터마킹은 아미노산 보존성을 유지하면서 변환 및 역변환을 수행하여야 하므로, 워터마크 삽입에 대한 상당한 제약을 가진다. 따라서 본 논문에서는 변이 강인성, 아미노산 보존성 및 보안성을 가지는 부호 영역 서열의 Lifting 기반 DWT 변환 계수를 이용한 워터마킹을 제안하며, 주파수 기반 DNA 서열 워터마킹에 대한 가능성을 제기한다. 실험 결과로부터 제안한 방법이 10%의 포인트 변이와 5%의 삽입 및 삭제 변이에 대한 강인성을 가지며, 아미노산 보존성 및 보안성을 가짐을 확인하였다.

Keywords

References

  1. T. Kazuo, O. Akimitsu, and S. Isao, "Public-key systems using DNA as a one-way function for key distribution," BioSystems, vol. 81, no. 1, pp. 25-29, 2005. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2005.01.004
  2. M. Yamamoto, S. Kashiwamura, A. Ohuchi and M. Furukawa, "Large-scale DNA memory based on the nested PCR," Natural Computing, vol. 7, no. 3, pp. 335-346, 2008. https://doi.org/10.1007/s11047-008-9076-x
  3. A. Gehani, T. LaBean and J. Reif, "DNA-based Cryptography," Aspects of Molecular Computing, Lecture Notes in Computer Science, 2004, vol. 2950/2004, pp. 34-50, 2004.
  4. C. T. Clelland, V. Risca, C. Bancroft, "Hiding messages in DNA microdots," Nature, vol. 399, pp. 533-534, June 1999. https://doi.org/10.1038/21092
  5. A. Leier, C. Richter, W. Banzhaf, and H. Rauhe, "Cryptography with DNA binary strands," Biosystems, vol. 57, Issue 1, pp. 13-22, June 2000. https://doi.org/10.1016/S0303-2647(00)00083-6
  6. V. I. Risca, "DNA-based steganography," Cryptologia, vol. 25, no. 1, pp. 37-49, 2001. https://doi.org/10.1080/0161-110191889761
  7. M. Arita and Y. Ohashi, "Secret signatures inside genomic DNA," Biotechnol. Prog. vol. 20, pp. 1605-1607, 2004. https://doi.org/10.1021/bp049917i
  8. G.C. Smith, C.C. Fiddes, J.P. Hawkins, and J.P. Cox, "Some possible codes for encrypting data in DNA," Biotechnology letters, vol. 25, no. 14. pp. 1125-1130, July 2003. https://doi.org/10.1023/A:1024539608706
  9. N. Yachie, K. Sekiyama, J. Sugahara, Y. Ohashi, and M. Tomita, "Alignment-based approach for durable data storage into living organisms," Biotechnol. Prog. vol. 23, pp. 501-505, April 2007. https://doi.org/10.1021/bp060261y
  10. N. Yachie, Y. Ohashi, and M. Tomita, "Stabilizing synthetic data in the DNA of living organisms," Systems and Synthetic Biology, vol. 2, no. 1-2, pp. 19-25, June 2008. https://doi.org/10.1007/s11693-008-9020-5
  11. D. Heider and A. Barnekow, "DNA watermarks in non-coding regulatory sequences," BMC Bioinformatics, vol. 2, no. 125, 2009.
  12. D. Heider and A. Barnekow, "DNA-based watermarks using the DNA-Crypt algorithm," BMC Bioinformatics, vol. 8, no. 176, May 2007.
  13. D. Heider and A. Barnekow, "DNA Watermarks - A proof of concept," BMC Bioinformatics, vol. 9, no. 40, April 2008.
  14. D. Heider, D. Kessler, and A. Barnekow, "Watermarking sexually reproducing diploid organisms," Bioinformatics, vol. 24, no. 17, pp. 1961-1962, 2008. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btn342
  15. 이석환, 권성근, 권기룡, "부호 영역 DNA 시퀀스 기반 강인한 DNA 워터마킹," 대한전자공학회논문지, 제49권 CI편 제2호, pp. 123-132, 2012년 3월.
  16. 김정연, 남제호, "DCT 압축영역에서의 DC 영상 기반 다해상도 워터마킹 기법," 대한전자공학회, 전자공학회논문지-SP, 제45권 제4호, pp. 1-9, 2008년 7월.
  17. 박혜정, 최준림, "H.264/AVC 비디오 보호를 위한 비가시적 워터마킹의 설계 및 검증," 대한전자공학회, 전자공학회논문지-SD, 제45권 제6호, pp. 74-79, 2008년 6월
  18. 이석환, 권기룡, "기하학적 구조 및 위치 보간기를 이용한 3D 애니메이션 워터마킹," 대한전자공학회, 전자공학회논문지-CI, 제43권 제6호, pp. 71-82, 2006년 11월.
  19. 이석환, 권성근, 권기룡, "볼록 집합 투영 기법을 이용한 3D 메쉬 워터마킹," 대한전자공학회, 전자공학회논문지-CI, 제43권 제2호, pp. 81-92, 2006년 3월.
  20. Genetic code, http://en.wikipedia.org/wiki/Genetic _code
  21. T.A. Brown, Genomes 3, Garland Science, 2006.
  22. P.D. Cristea, "Conversion of nucleotides sequences into genomic signals," Journal of Cellular and Molecular Medicine, vol. 6, issue. 2, pp. 279-303, April 2002. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2002.tb00196.x
  23. P.D Cristea, "Genetic signals an emerging concept," Proc. of IWSSIP, pp. 17-22, 2011.
  24. T. Smith and M. Waterman, "Identification of common molecular subsequences," Journal of Molecular Biology, vol. 147, pp. 195-197, 1981. https://doi.org/10.1016/0022-2836(81)90087-5

Cited by

  1. DNA Information Hiding Method for DNA Data Storage vol.51, pp.10, 2014, https://doi.org/10.5573/ieie.2014.51.10.118
  2. Least Square Prediction Error Expansion Based Reversible Watermarking for DNA Sequence vol.52, pp.11, 2015, https://doi.org/10.5573/ieie.2015.52.11.066