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一种基于三维小波嵌入编码的上下文模型

重庆大学学报（自然科学版） 2007年第4期30卷 97-101页

作者：孙晓南重庆工程职业技术学院计算机系重庆400037

受EZW、SPIHT、EBCOT模型及3D-EZW、3D-SPIHT、3D-ESCOT模型的启发,综合利用小波系数不同子带间的自相似性、偏序性和同子带内相邻系数的相关性,提出了一种三维小波嵌入编码的上下文模型(3D-OWNER).实验结果表明:利用这种模型获得的PSN... 详细信息

受EZW、SPIHT、EBCOT模型及3D-EZW、3D-SPIHT、3D-ESCOT模型的启发,综合利用小波系数不同子带间的自相似性、偏序性和同子带内相邻系数的相关性,提出了一种三维小波嵌入编码的上下文模型(3D-OWNER).实验结果表明:利用这种模型获得的PSNR高于3D-ESCOT模型,同时也具有3D-ESCOT模型的优良性质.

关键词：上下文模型可扩展编码小波嵌入编码视频压缩

蛋白质三级结构嵌入编码及其在蛋白质工程中的应用研究

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蛋白质三级结构嵌入编码及其在蛋白质工程中的应用研究

作者：罗钧文华南理工大学

学位级别：硕士

蛋白质工程在医疗、食品、化工和能源等多个领域有重要应用,并具有加速合成生物学、医学和纳米技术发展的潜力。在传统蛋白质工程方法中,定向进化需要进行大量的随机突变和筛选,致使效率较低;理性设计则由于对蛋白质序列、结构与功能内... 详细信息

蛋白质工程在医疗、食品、化工和能源等多个领域有重要应用,并具有加速合成生物学、医学和纳米技术发展的潜力。在传统蛋白质工程方法中,定向进化需要进行大量的随机突变和筛选,致使效率较低;理性设计则由于对蛋白质序列、结构与功能内在关联的理解不足,存在准确率低等瓶颈问题。随着蛋白质数据库规模的指数倍增长,其中已蕴含蛋白质数十亿年的进化信息,但数据库中大多数蛋白质并没有对应的标签和注释信息。目前,人工智能技术的发展为认识蛋白质序列、结构和功能之间的内在关联提供了新的技术框架,基于人工智能的蛋白质工程将引领生命科学领域的新一轮革命。自监督学习作为一种能够从无标签数据中学习语义信息的人工智能技术,近年来已被用于从大量无标签蛋白质序列中学习包含其生物特性的嵌入编码,该编码能够在蛋白质工程任务中节省两个数量级的成本。蛋白质的功能特性主要由其三级结构决定,而目前尚未有基于自监督学习对大量无标签蛋白质三级结构进行嵌入编码的相关研究。因此,本研究旨在搭建“编码器-解码器”架构的神经网络语言模型,对蛋白质三级结构进行嵌入编码。模型训练过程分为以下三个步骤:1)将蛋白质三级结构中的每个残基由其空间近邻残基的相关特征进行表示,并以此作为模型输入;2)在编码器中,通过双向长短期记忆网络提取蛋白质序列的上下文信息;3)在解码器中,通过每个残基的上下文信息来预测该残基的类型,从而以自监督学习的方式实现蛋白质三级结构嵌入编码（Pts Rep）。Pts Rep在蛋白质结构分类任务中的聚类表现相较于其原始输入提升9.2倍,证明其能够捕获蛋白质结构中蕴含的深层生物语义信息。为了进一步评估PtsRep的应用性能,本研究将其应用于蛋白质稳定性预测和av GFP荧光亮度预测两个蛋白质工程任务。实验结果表明,Pts Rep优于该领域领先的TAPEBERT和Uni Rep两种基准嵌入编码,且仅使用TAPE-BERT模型0.12%的训练数据量和2.7%的网络参数量。在蛋白质稳定性预测任务中,使用相同数据集的前提下,Pts Rep相较于此前最佳模型在斯皮尔曼相关系数上提高27.4%。在av GFP荧光亮度预测任务中,仿真实验结果表明Pts Rep仅需测试28条突变序列即可从25,517个av GFP突变体中识别荧光值最高的突变体,相较于此前最佳模型降低60%的测试预算。基于上述研究工作,本研究进一步将Pts Rep、TAPE-BERT和Uni Rep三种模型加权集成,集成模型在识别av GFP最亮突变体任务中相较于其最佳子模型降低25%的测试预算。此外,本研究基于集成模型开发用以预测av GFP突变体荧光亮度的Web应用程序。综上所述,本研究基于自监督学习实现了蛋白质三级结构嵌入编码,该编码在蛋白质工程任务中的表现优于此前方法,并通过集成多个嵌入编码模型进一步提升模型识别目标突变体的能力。本研究为探索蛋白质工程中突变体和功能之间的关联提供了新途径,并为其他蛋白质相关研究领域提供了新视角。

关键词：蛋白质三级结构人工智能自监督学习嵌入编码蛋白质工程

蛋白质嵌入编码在蛋白质定向进化中的应用研究

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蛋白质嵌入编码在蛋白质定向进化中的应用研究

作者：王祺涵华南理工大学

学位级别：硕士

蛋白质工程在食品、化工、农业、生物医药等领域具有广阔的前景。然而,蛋白质的序列空间非常广阔,现有的搜索方法无法支持我们在如此广袤的空间中寻找高性能的蛋白质突变体。而且,由于蛋白质突变具有“上位效应”,难以通过简单的优势突... 详细信息

蛋白质工程在食品、化工、农业、生物医药等领域具有广阔的前景。然而,蛋白质的序列空间非常广阔,现有的搜索方法无法支持我们在如此广袤的空间中寻找高性能的蛋白质突变体。而且,由于蛋白质突变具有“上位效应”,难以通过简单的优势突变叠加来进一步提升蛋白质的功能,甚至会造成蛋白质的失活。随着计算机技术和人工智能领域的快速发展,蛋白质嵌入编码模型为人们进一步认识蛋白质序列和功能之间的内在联系,提供了全新的技术路径,蛋白质工程将在人工智能技术的辅助下取得更多的突破性进展。在对庞大蛋白质序列数据库的利用中,由于绝大部分蛋白质没有功能标签,这成为了解析蛋白质序列与功能高维映射关系的瓶颈。基于自监督学习的蛋白质嵌入表征模型,可以从大量无功能标签的蛋白质序列中学习氨基酸之间的进化信息,并利用它们指导实验研究。相较于传统定向进化,使用自监督学习辅助的定向进化可以减少两个数量级的随机突变成本。然而,由于模型预测能力的不足,现有方法的设计准确率较低,这无疑从另一个方向上增加了实验负担。因此,本研究基于e Uni Rep-Augmenting蛋白质表征方法,从1,000条目标蛋白1到2突变的有标签突变体中,学习序列到功能的映射关系。并在此基础上,构建了两种蛋白质三突变的突变体设计方法,目的是进一步提升蛋白质设计准确率,并降低实验成本。为了直观的评估两种设计方法的性能,本研究将它们用于av GFP(Green Fluorescent Protein from Aequorea victoria)三突变的突变体设计任务中。第一种方法首先针对目标蛋白包含三个突变位点的位点组合进行设计,并依据设计出的位点组合进一步设计三突变的突变体。该方法针对av GFP共设计了10个位点组合,基于每个位点组合均进一步设计了20个突变体。经过实验筛选,在设计出的全部200个突变体中,有55个已知提升了荧光亮度,其中提升最显著的突变体荧光亮度是野生型的2.38倍。第二种方法根据目标蛋白双突变突变体的预测值,直接设计目标蛋白三突变的突变体。该方法共设计了10个突变体。经过实验验证,全部的设计突变体均提升了荧光亮度,其中提升最显著的突变体荧光亮度是野生型的1.74倍。为了方便研究人员针对不同场景对av GFP蛋白进行进一步设计,本研究开发用以设计av GFP包含三个突变位点的位点组合及三突变突变体的应用程序。综上所述,本研究提出了两种设计目标蛋白三突变突变体的方法,在av GFP蛋白质设计实验中,第一种方法设计的突变体荧光亮度提升幅度更高,第二种方法设计突变体的准确率更高,两种蛋白质设计方法均能有效的降低实验成本,具备在蛋白质设计任务中进一步应用的潜力。本研究为蛋白质工程的应用提供了新的路径,并为机器学习辅助定向进化提供了新的思路。

关键词：机器学习辅助定向进化人工智能自监督学习嵌入编码蛋白质工程

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超光谱图像的三维小波嵌入零块压缩编码

软件学报 2007年第2期18卷 461-468页

作者：吴家骥吴振森吴成柯西安电子科技大学智能信息处理研究所陕西西安710071 西安电子科技大学理学院陕西西安71007 ISN国家重点实验室(西安电子科技大学) 陕西西安710071

超光谱图像作为一种三维图像,其海量的数据导致在有限带宽信道上传输和存储非常困难,必须对它进行有效的压缩编码.提出了一种基于非对称三维小波变换(3D wavelet transform,简称3DWT)和三维集合块分裂的超光谱遥感图像压缩方法.因为大... 详细信息

超光谱图像作为一种三维图像,其海量的数据导致在有限带宽信道上传输和存储非常困难,必须对它进行有效的压缩编码.提出了一种基于非对称三维小波变换(3D wavelet transform,简称3DWT)和三维集合块分裂的超光谱遥感图像压缩方法.因为大多数超光谱图像在各个方向上具有非对称的统计特性,所以利用非对称三维小波变换去除图像的谱间和空间冗余.与传统的对称三维小波变换相比,非对称的三维小波变换能够更有效地去除相邻谱段间的冗余.提出了一种改进的3DSPECK(3D set partitioning embedded block)算法——非对称三维集合分裂块算法(asymmetric transform 3DSPECK,简称AT-3DSPECK),并被用于编码变换后的系数.根据变换系数的能量分布特点,三维零块分裂和三维octave子带分裂方法被有效地结合在所提出的AT-3DSPECK算法中.为了优化率失真和加速编码速度,也给出了一种零块优化排序的快速算法.实验测试表明:AT-3DSPECK算法的平均PSNR(peak signal to noise ratio)分别比AT-3DSPIHT(asymmetric transform 3D set partitioning in hierarchical trees)和3DSPECK算法高0.4dB和1.4dB.此外,AT-3DSPECK还具有比零树算法更快的编码速度.

关键词：超光谱图像三维图像压缩嵌入编码零块编码小波变换 SPIHT(set partitioning in hierarchical trees) SPECK(set partitioning embedded block)

三维图像的任意形状ROI小波零块压缩编码算法

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电子学报 2006年第10期34卷 1828-1832页

作者：吴家骥吴成柯吴振森西安电子科技大学智能信息处理研究所陕西西安710071 西安电子科技大学ISN国家重点实验室陕西西安710071 西安电子科技大学理学院陕西西安710071

感兴趣区(ROI)编码是在JPEG2000中提出的一种重要的技术,然而JPEG2000算法却无法同时支持任意形状ROI和任意提升因子.本文提出了一种基于任意形状ROI和3D提升小波零块编码的3D体数据图像压缩算法.新的算法支持ROI内外从有损到无损的编码... 详细信息

感兴趣区(ROI)编码是在JPEG2000中提出的一种重要的技术,然而JPEG2000算法却无法同时支持任意形状ROI和任意提升因子.本文提出了一种基于任意形状ROI和3D提升小波零块编码的3D体数据图像压缩算法.新的算法支持ROI内外从有损到无损的编码.一种简单的任意形状无损ROI掩码(Mask)生成方法被提出.考虑到3D子带的特点,我们采用改进的3DSPECK零块算法对变换后的系数进行编码.一些其它支持任意形状ROI编码的算法也在本文中被评估,试验显示本文算法具有更好的编码性能.

关键词： 3D图像编码嵌入编码 3D小波变换 3DSPIHT 3DSPECK

基于Karhunen-Loeve和小波变换的多光谱图像三维集合嵌入块编码压缩算法

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电子与信息学报 2005年第8期27卷 1244-1248页

作者：吴家骥吴成柯西安电子科技大学ISN国家重点实验室西安710071

目前多光谱成像已被广泛应用在遥感领域中,但巨量的多光谱图像数据导致存储和传输的困难,这就需要对多光谱图像数据进行高效的压缩。该文提出了一种新的多光谱图像压缩算法(KLT/WT-3DSPECK),首先利用二维小波变换(2DWT)去除多光谱图像... 详细信息

目前多光谱成像已被广泛应用在遥感领域中,但巨量的多光谱图像数据导致存储和传输的困难,这就需要对多光谱图像数据进行高效的压缩。该文提出了一种新的多光谱图像压缩算法(KLT/WT-3DSPECK),首先利用二维小波变换(2DWT)去除多光谱图像的空间相关冗余,然后利用Karhunen-Loeve变换(KLT)减少频域的相关性,最后对变换后的系数利用改进的三维集合块分裂算法(3DSPECK)进行编码。根据变换后子带能量分布的特点,提出了新的3D八度音符分裂方法(octavepartitioning)和改进的集合零块分裂算法。为了加速本文算法和优化嵌入码流的率失真性能,还给出了一种零块优化排序的快速算法。对两组多光谱和超光谱图像的测试表明,该算法不仅明显优于KLT/WT-3DSPIHT算法,也远优于基于3D小波变换的AT-3DSPIHT和3DSPECK等算法,同时该算法还支持图像的渐进传输。

关键词：多光谱图像压缩嵌入编码零块编码 SPECK 小波变换 Karhunen-Loeve变换

一种基于低复杂度嵌入零块编码的遥感图像压缩编码方法

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电子与信息学报 2005年第3期27卷 445-448页

作者：吴家骥吴成柯西安电子科技大学ISN国家重点实验室西安710071

该文针对遥感图像的数据特点,提出了一种新的遥感图像编码方法。它基于一种改进的小波变换嵌入零块编码算法。新算法中改进了零块编码中四叉树分裂算法(quadtree),并设计亍新的链表生成和不重要集合排序策略。通过这些方法的改进,不仅... 详细信息

该文针对遥感图像的数据特点,提出了一种新的遥感图像编码方法。它基于一种改进的小波变换嵌入零块编码算法。新算法中改进了零块编码中四叉树分裂算法(quadtree),并设计亍新的链表生成和不重要集合排序策略。通过这些方法的改进,不仅提高了图像编码性能,同时还大大提高了运算效率。实验表明该文阐述的算法具有很低的复杂度和高的压缩率,PSNR和计算速度均超过SPIHT和SPECK。在1bpp下,该文方法的PSNR比SPIHT提高了0.3dB以上,计算速度比SPIHT提高了35％。

关键词：遥感图像编码嵌入编码零块编码四叉树小波变换

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一种基于改进嵌入小波编码的新图象压缩算法

小型微型计算机系统 2003年第1期24卷 100-102页

作者：王向阳杨红颖辽宁师范大学计算机与信息技术学院辽宁大连116029

基于逐次逼近量化与零树结构的嵌入零树小波编码 (EZW)被认为是静态图象变换编码领域迄今为止最好的压缩算法之一 .然而通过分析和实验 ,发现该算法在一定程度上存在时间复杂度较高和复原图象质量不尽理想等不足 .本文提出了一种基于改... 详细信息

基于逐次逼近量化与零树结构的嵌入零树小波编码 (EZW)被认为是静态图象变换编码领域迄今为止最好的压缩算法之一 .然而通过分析和实验 ,发现该算法在一定程度上存在时间复杂度较高和复原图象质量不尽理想等不足 .本文提出了一种基于改进嵌入小波编码的新图象压缩算法 ,该算法能够通过以下 3项措施提高 EZW算法工作效率 :(1)对最低频子带进行单独编码 ;(2 )采用全新的嵌入小波编码策略 ,不再利用导致计算量剧增的双亲—子女 (Parent-Children)关系 ;(3 )进行嵌入小波编码时 ,不再考虑 ZTR(零树根 )和 IZ(孤立零 )符号 .实验结果表明 :本文提出的新图象编码算法在压缩 /解压缩速度、图象复原质量等方面均明显优于

关键词：图象压缩嵌入编码小波变换逐次逼近量化双亲- 子女关系

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基于内容的嵌入式小波图像编码算法研究

基于内容的嵌入式小波图像编码算法研究

作者：齐峰大庆石油学院

学位级别：硕士

多媒体技术的发展使图像信息逐渐成为交互的主要内容之一,解决图像存储与传输问题的压缩编码技术一直以来是国内外研究的热点,从JPEG、MPEG-1到JPEG2000、MPEG-4反映了图像压缩编码技术的飞速发展。目前基于小波分析的图像嵌入式编码技... 详细信息

多媒体技术的发展使图像信息逐渐成为交互的主要内容之一,解决图像存储与传输问题的压缩编码技术一直以来是国内外研究的热点,从JPEG、MPEG-1到JPEG2000、MPEG-4反映了图像压缩编码技术的飞速发展。目前基于小波分析的图像嵌入式编码技术已经占据了主导地位,如EZW、SPIHT、EBCOT和LZC等。基于内容的嵌入式小波图像编码算法的主要研究问题集中在以下方面:如何准确地描述图像内容、有效地提取图像特征;如何高效组织系数模型,提高编码效率;如何采取合理的量化策略,既可利用上下文系数相关性又可使图像恢复质量符合HVS特性等。本文首先介绍了图像压缩理论、嵌入式编码的几种方法及静态、动态图像编码的国际标准;研究了基于形状、颜色、纹理和空间关系的图像特征描述方法,针对图像内容的核心特征,采用基于最优阈值的边界矩算法对形状特征提取,实验证明该方法较好地保持了形状的一致性,完整地描述图像形状分布信息。通过学习图像的小波变换理论,给出了多分辨率分析概念及小波分解和重构的快速算法--Mallat算法,结合适用于嵌入式图像压缩的提升小波变换,进一步分析了小波图像的系数分布特点、灰度直方图特点以及小波变换后图像自身特点,得到适合编码的小波基。重点研究了JPEG2000核心编码算法--EBCOT算法的原理、编码过程;并针对JPEG2000的算法复杂度较大、编解码时间长等不足,通过预存行状态去除带间相关性,提出基于单窗口的上下文逻辑编码,并优先计算比特平面状态值,实现一次扫描完成比特平面及平面内三个通道的并行编码。最后,通过分析EZW、SPIHT、EBCOT算法及3D-EZW、3D-SPIHT、3D-ESCOT嵌入式编码模型,本文综合利用小波系数不同子带间的自相似性、偏序性和同子带内相邻系数的相关性,提出了一种新的三维小波嵌入编码上下文模型3D-EVCM,实验结果表明,利用这种模型获得的PSNR高于3D-ESCOT模型,同时具有了3D-ESCOT模型的优良特性。

关键词：图像处理嵌入编码小波变换 EBCOT算法三维小波编码