Likelihood Ratio-Based Biometric Score Fusion Karthik Nandakumar, Student Member, IEEE,
蛋白质结构预测中的机器学习方法
蛋白质结构预测中的机器学习方法蛋白质是生命体系中非常重要的分子,因为它们的结构和功能对细胞的正常运作至关重要。
预测蛋白质结构是生物科学领域中的一个重要问题,因为它有助于我们更好地理解蛋白质的生物功能、药物作用等方面。
通过理解蛋白质结构预测中的机器学习方法,我们可以更好地了解这个问题。
在科学家开始研究蛋白质结构预测之前,了解蛋白质结构的基本知识是很有必要的。
蛋白质具有四级结构,包括原生、二级、三级和四级结构。
原生结构是在蛋白质合成过程中形成的。
二级结构是由蛋白质内α-螺旋和β-折叠形成。
三级结构描述的是蛋白质的立体构象,包括螺旋、β-折叠、卷曲和其他结构特征。
最后,四级结构描述的是由多个蛋白质聚合而成的蛋白质复合物结构。
在蛋白质结构预测中,机器学习方法是非常有用的。
机器学习技术是一种通过数据和模型进行预测、分类和决策的方法,而不是基于人工指定规则的方法。
这些方法通过让计算机学习大量的数据,来预测和分类输入数据。
在蛋白质结构预测中,机器学习方法可以帮助我们更好地理解蛋白质结构的模式。
机器学习中的一种常用方法是神经网络。
神经网络是一种通过相互连接的神经单元来模拟人脑神经细胞网络的模型。
在蛋白质结构预测中,神经网络可以用来预测蛋白质的二级结构。
使用神经网络进行二级结构预测的一种流行方法是使用全卷积神经网络,这种网络可以将所有的输入序列转换为输出序列。
另一种机器学习方法是支持向量机(SVM)。
SVM是一种算法,可以将输入数据映射到高维空间中,并在其上构建超平面。
在蛋白质结构预测中,SVM可以用于预测蛋白质的三级结构。
它可以通过提取结构特征来预测蛋白质的空间构型,在进行预测之前,需要对原始蛋白质序列进行处理。
处理过程包括对序列进行特定的编码,并使用特征提取算法,将蛋白质序列的结构信息转换为特征向量。
总的来说,机器学习方法在蛋白质结构预测中是非常重要的。
预测蛋白质结构是一个大型的计算任务,需要消耗大量的计算资源和数据。
硕士毕业论文-蛋白质生物功能的机器学习方法研究37075
硕士学位论文SHANGHAI UNIVERSITYMASTER DISSERTATION题蛋白质生物功能的机器学习方法研究目摘要近些年来,随着信息技术和生物检测手段的不断发展,生命科学的数据资源急剧膨胀。
实验工作者在产生大量数据的同时,也对理论研究者提出了更多的难题。
利用机器学习这一方法来分析这些数据,我们可以从中找出隐含的规律和模式,从而进一步加深对事物的认识。
本文就是采取这一研究方法,对蛋白质的生物功能进行建模和预报。
在本文的工作中,我们使用了机器学习方法来对蛋白质和小分子的相互作用、蛋白质糖基化位点的识别进行建模和预报。
另外我们还探讨了一系蛋白质列生物功能在线预报系统的建设和优化。
本文的主体工作分为三个部分:1.用集成学习算法对蛋白质和小分子的相互作用进行研究。
我们针对代谢途径下的酶和底物之间的相关作用,建立了相互作用预报模型。
通过对数据集的变量筛选和降维的评价,我们保留了原有的变量集合。
在后续的建模过程中分别用AdaBoost,Bagging, SVM, KNN, 决策树对酶和底物进行建模。
10组交叉验证和独力测试集的结构显示,集成学习方法AdaBoost,Bagging的分类能力最好,都达到了71%以上。
而我们接着又把不同的分类器组合集成后发现,前2个性能最好的集成学习算法和KNN组合后的体系具有最好的推广能力,其独立测试集中正样本的正确率又在原先最好的结果下提高了近4%,而其总体正确率也达到了84.6%。
结果证明,多重集成学习算法可以用来研究蛋白质和小分子相互作用,所得到的模型有很好的预测性能。
此外,我们根据所建立的酶和底物相互作用的预测模型,同时开发了相应的在线预报系统。
2.用CFS-Wrapper筛选变量法结合AdaBoost集成方法对蛋白质O端糖基化位点进行研究。
在许多的生化过程中都需要有O-端糖链的参与。
然而糖基化是一个复杂的过程,迄今为止还未得出一个固定的模式。
我们对收集到的糖基化和非糖基化肽段, 并用肽段中残基的物化参数,以AAIndex库中的数据进行表征。
生存分析
前
言
生存分析( 生存分析(survival analysis)是将事件 ) 的结果(终点事件) 的结果(终点事件)和出现这一结果所 经历的时间结合起来分析的一种统计分 析方法。 析方法。 生存分析不同于其它多因素分析的主要 区别点就是生存分析考虑了每个观测出 现某一结局的时间长短。 现某一结局的时间长短。
活满一年例数 p= 年初观察例数
生存率: 生存率: (survival rate, survival function ) 指观察对象经历t个单位时段后仍存活的 指观察对象经历 个单位时段后仍存活的 可能性。 可能性。 活满3年例数 3年生生率= 期初观察例数
活满5年例数 5年生生率= 期初观察例数
第一节 生存分析基本概念
一、生存时间
( survival time,failure time ) , 终点事件与起始事件之间的时间间隔 之间的时间间隔。 终点事件与起始事件之间的时间间隔。 终点事件指研究者所关心的特定结局。 终点事件指研究者所关心的特定结局。 起始事件是反映研究对象生存过程的起 始特征的事件。 始特征的事件。
大肠癌生存资料
序号 1 2 3 4 5 6 … 65 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 0 2 1 0 0 1 0 0 2 1 0 0 1 0 1 2 1 1 0 0 0 0 3 1 1 0 1 0 1 2 0 1 0 0 0 1 2 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 Time 2896 992 2811 2052 2975 856 584 Event 0 1 0 1 0 1 1
1995.06.04 死亡 1998.08.25 死亡 1994.03.18 失访 2000.12.30 存活 1995.03.17 死亡 1996.08.16 死于其它
计量经济学中英文词汇对照
Common variance Common variation Communality variance Comparability Comparison of bathes Comparison value Compartment model Compassion Complement of an event Complete association Complete dissociation Complete statistics Completely randomized design Composite event Composite events Concavity Conditional expectation Conditional likelihood Conditional probability Conditionally linear Confidence interval Confidence limit Confidence lower limit Confidence upper limit Confirmatory Factor Analysis Confirmatory research Confounding factor Conjoint Consistency Consistency check Consistent asymptotically normal estimate Consistent estimate Constrained nonlinear regression Constraint Contaminated distribution Contaminated Gausssian Contaminated normal distribution Contamination Contamination model Contingency table Contour Contribution rate Control
机器学习在蛋白质结构预测中的应用
机器学习在蛋白质结构预测中的应用蛋白质是生命体内最基本的化学物质之一,也是生命体正常运作的关键。
蛋白质的结构决定了其功能,然而传统的实验方法获得蛋白质结构的速度和成本都十分高昂。
因此,科学家们开始寻求计算机模拟预测蛋白质结构的方法,并逐渐将机器学习技术运用于蛋白质结构的预测中。
一、蛋白质结构预测的需求在生物体内,蛋白质承担着各种各样的功能。
比如,酶类蛋白质可以催化化学反应,激素蛋白质可以调节代谢,抗体蛋白质可以与病原体发生特异性的认识等。
因此,预测蛋白质结构既是一项学术研究的课题,也是对新药研发、疾病治疗等相关领域有重要影响的技术。
蛋白质的结构预测可以支持许多方面的研究工作。
其中,最显著的 application 是 drug design,即通过计算机模拟寻找合适的药物分子与目标蛋白质发生作用,从而产生疗效。
药物的研发过程漫长繁琐,极大程度上取决于在短期内确定蛋白质结构的速度和准确性。
此外,对于生物学研究,预测蛋白质结构还可以帮助解决基因或蛋白质序列的结构与功能之间的联系问题。
对于大规模的基因组学研究,构建蛋白质三维结构的计算方法成为了非常必要的工具。
二、机器学习与蛋白质结构预测蛋白质结构的预测可以分为两个方面,即序列到结构和折叠动力学。
序列到结构预测指的是从蛋白质序列信息中推断其结构。
这个问题被证明是一个非常复杂的问题,因为蛋白质结构的复杂性严重制约了预测的准确性。
与之相关的另一个问题是折叠动力学模拟,即通过模拟蛋白质的折叠过程预测其结构。
然而,蛋白质折叠是一个复杂的动力学过程,依赖于诸如氢键等分子间力的作用,同时受到温度、压力等环境因素的影响,因此准确的模拟需要大量时间和计算资源。
机器学习技术在蛋白质结构预测中发挥了重要作用。
在序列到结构预测中,机器学习算法通过分析已知蛋白质序列和结构之间的关系,预测新的蛋白质结构。
通过使用算法来处理大量的已知蛋白质结构的数据集,机器学习算法能够建立与现有结构类似的新蛋白质序列与结构的联系。
生信5分以上的期刊可以投这个
生信5分以上的期刊可以投这个之前介绍的期刊都是低于5分的,现在我们介绍一个5分以上的期刊。
这个期刊就是:EBioMedicine,该期刊的影响因子为:6.183,一个大于5分的期刊,该期刊也是比较喜欢生信数据挖掘的。
该期刊审稿周期比较短,影响因子较高,唯一的缺点就是需要3500美金的版面费,换算为人民币:23468.55元。
出版内容:EBioMedicine publishes research papers investigating the basic determinants of human health and disease, the discovery and characterization of new therapeutic targets and treatments, and the identification of biomarkers and diagnostic tools which may help researchers and clinicians better understand and monitor disease. The journal also publishes relevant reviews, commentaries and opinion pieces.数据库收录情况:•Journal Citation Reports - Science Edition•Science Citation Index Expanded•EMBASE•Directory of Open Access Journals (DOAJ)•MEDLINE®•PubMed Central•ScienceDirect•Scopus● SCI狂人团队VIP会员●关于答疑时间的通知●如何通过数据挖掘,发现癌症治疗的靶标?●想不到课题?不存在的●论文修回后是否再次回到审稿人手中?取决于你的回复●数据挖掘特训上线●这样的文章,谁都可以做到呀● R代码很容得到,关键是数据不会准备,遇到问题看不懂●如何快速找到值得深入研究的分子?●一大波科研软件免费下载●作为临床医生,不能总靠生信发文章吧?●公共数据库找不到自己需要的数据,该咋办?●躺着也可以轻轻松松得到5篇SCI●学员报喜,再度发表两篇SCI●火山图的高级玩法● VIP会员专属课程再次上线●在GEO数据库随便找一张芯片就可以发SCI?●手把手教你利用WGCNA发文章● Look, 搞一篇SCI so easy●如何快速找到值得深入研究的分子?● SEER数据挖掘这样玩才过瘾的●急!急!急!快来抢发这个数据库●只会用TCGA构建ceRNA你就out了● WB一图多用,有多么严重?●这10个期刊也许是你想要的●甲基化跑不动,我们帮你跑●如何快速学习贝叶斯网状meta分析?●如何搞一张漂亮的列线图?●如何快速学习GEO数据挖掘?●这种发文套路,完全是看数据吃饭的●多张芯片数据合并视频(免费送)●环状RNA数据挖掘课程上线了● TCGA数据下载再也不会难到你●如何绘制两个模型的ROC,并且进行比较?●临床预测模型快速入门课程● GO富集分析这种图,你也可以呀● GEO数据挖掘的深度不够,有没有提高GEO数据挖掘的深度的方法呢?● 10篇SCI还不如一个英语成绩好的临床医生好找工作?●批量挖掘TCGA让发文速度更加快●批量挖掘TCGA临床数据的机会来了●批量挖掘TCGA miRNA●医生朋友,非肿瘤方向也可以进行临床预测模型呀● SEER数据新玩法,你还不来看看。
人类蛋白质组表达谱蛋白质鉴定的分步搜索策略
吴松锋 ! 朱云平 ! 贺福初
! " 军事医学科学院放射医学研究所 $ 北京 * ( ( % # (
摘!要! 大规模蛋白质组表达谱研究的蛋白质鉴定一 般 采 取 基 于 数 据 库 搜 索 的 策 略 $ 因此数据库的选择及搜索策 略在蛋白质鉴定中非常重要 * 现有的人类蛋白质数据库远不够完善 $ 而从其他物 种 的 蛋 白 质 数 据 库 中 所 能 得 到 的 补充非常有限 $ 但人类基因组数据库中却可能存在 很 大 的 补 充 空 间 * 在 对 国 际 人 类 蛋 白 质 数 据 库 充 分 调 研 ) 比较 的基础上 $ 提出了一种分步搜索的策略 * 这种策略首 先 利 用 一 个 质 量 较 高 ) 覆盖率相对较大的非冗余数据库进行 随后利用其他蛋白和核酸数据库进行补充鉴定和新蛋白挖掘 * 该策略 能 有 效 地 鉴 定 尽 可 能 多 的 高 可 靠 基本鉴定 $ 蛋白 $ 并能进一步充分利用质谱数据进行补充鉴定和新蛋白挖掘 $ 对大规模蛋白质组表达谱研究具有重要的意义 * 关键词 ! 蛋白质组 % 蛋白质鉴定 % 蛋白质数据库 % 质谱 中图分类号 ! S ’ &!!! 文献标识码 ! ,!!! 文章编号 ! ! " ( ! # ’T& " " ! ! ( ( # ( #T( $ % "T( "
* ! 材料和方法
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生成模型评价指标
生成模型评价指标
生成模型评价指标是评估生成模型性能的一种方法。
随着深度学习技术不断发展,生成模型在语音识别、图像处理、自然语言处理等领域中得到了广泛应用。
为了确保生成模型的性能和可靠性,需要使用合适的评价指标来测量模型的表现。
目前,常用的生成模型评价指标包括:
1. 似然度(likelihood):指生成模型在给定数据集下,生成观测数据的概率。
似然度越高,表示生成的数据越接近真实数据,模型表现越好。
2. 多样性(diversity):指生成模型生成的数据的多样性程度。
如果生成的数据太过相似,会导致模型表现不佳。
因此,多样性是一个重要的评价指标。
3. 完整度(completeness):指生成模型生成的数据能否涵盖整个数据空间。
如果生成的数据只涵盖了部分数据空间,就不能完全满足应用场景的需求。
4. 一致性(consistency):指生成模型生成的数据是否与训练数据具有一致性。
如果生成的数据与训练数据相差太大,说明模型存在过拟合或欠拟合问题。
5. 效率(efficiency):指生成模型生成数据的速度。
在实际应用场景中,需要考虑生成数据的效率问题。
综上所述,生成模型评价指标是评估生成模型性能的重要工具,不同的指标适用于不同的场景和需求。
在进行模型评估时,需要结合
实际应用场景,选择合适的评价指标进行评估。
生物化学经验算法评估模型总结
生物化学经验算法评估模型总结生物化学经验算法评估模型(Biochemical Empirical Score, BES)是一种用于评估生物化学性质的经验方法。
它通过计算分子中特定功能基团的数量、种类和位置等信息,来预测分子的生物化学特性。
本文旨在对BES模型进行总结,介绍其原理、应用和局限性,以及未来发展方向。
BES模型的原理基于生物化学性质与分子结构之间的关联性。
根据已知的分子结构和其生物活性数据,建立关系模型来预测尚未测试的分子的生物活性。
BES模型主要基于两个关键因素:结构片段和关联项。
结构片段是指分子中的特定功能基团,如羟基、氨基等,而关联项则是指这些结构片段的数量、种类和位置等信息。
BES模型的应用相当广泛。
它可以用于药物设计、毒性预测、环境监测等领域。
在药物设计方面,BES模型可以帮助科研人员快速评估候选药物的生物活性,从而筛选出具有潜力的候选药物。
在毒性预测方面,BES模型可以预测分子的毒性风险,从而减少实验成本和时间。
在环境监测方面,BES模型可以评估化学物质对环境的影响,提供科学依据来保护生态系统的稳定性。
然而,BES模型也存在一些局限性。
首先,BES模型是基于大量已知数据的统计方法,所以对于未知结构的分子,其预测准确性可能较低。
其次,BES模型不能很好地处理分子之间的相互作用和复杂性。
最后,BES模型仅考虑了分子的结构信息,而没有考虑其他因素如溶剂效应、温度等对生物活性的影响。
这些局限性需要在使用BES模型时加以注意。
面对BES模型的局限性,未来的发展方向有所涵盖。
一方面,可以通过引入更多的参数和特征来提高模型的预测准确性。
例如,结合机器学习和深度学习等先进技术,将更多的结构信息和实验数据纳入模型中进行训练。
另一方面,可以进一步探索分子之间的相互作用,开发更适用于复杂体系的模型。
此外,还可以将BES模型与其他预测方法相结合,以提高整体预测性能。
总结起来,生物化学经验算法评估模型(BES)是一种用于评估生物化学性质的经验方法。
生成模型评价指标
生成模型评价指标
在机器学习中,生成模型是一种能够学习并生成新的数据样本的模型。
为了评价生成模型的性能,需要使用一些指标来衡量其生成的数据样本与真实数据样本之间的相似度。
下面介绍几种常用的生成模型评价指标:
1. KL散度:KL散度(Kullback-Leibler divergence)是一种度量两个概率分布之间差异的指标。
对于生成模型来说,可以将生成的概率分布与真实数据的概率分布进行比较,计算它们之间的KL 散度来评价模型的性能。
KL散度值越小,表示生成的数据样本越接近真实数据样本。
2. 交叉熵:交叉熵(Cross-entropy)是另一种用于衡量两个概率分布之间差异的指标。
同样地,可以将生成的概率分布与真实数据的概率分布进行比较,计算它们之间的交叉熵来评价模型的性能。
交叉熵值越小,表示生成的数据样本越接近真实数据样本。
3. 多样性指标:多样性指标用于衡量生成模型生成的数据样本的多样性。
例如,可以计算生成的数据样本之间的相似度,或者计算生成的数据样本与真实数据样本之间的差异来评价模型的多样性。
4. 模型训练时间:模型训练时间也是评价生成模型性能的重要指标之一。
较短的训练时间通常表示模型训练效率较高,同时也能够更快地得到满足要求的生成结果。
以上是几种常用的生成模型评价指标,不同的应用场景需要选
择相应的指标来评价模型的性能。
蛋白质结构预测方法对比与评估
蛋白质结构预测方法对比与评估蛋白质是生物体中最重要的分子之一,其结构确定了其功能和相互作用,在许多生物学研究和药物设计中起着关键作用。
然而,实验室确定蛋白质的结构通常是昂贵和耗时的。
因此,通过计算方法进行蛋白质结构预测成为了一个热门研究领域。
本文将对比和评估几种常用的蛋白质结构预测方法,以探讨其优缺点及适用范围。
首先,我们来介绍一些常见的蛋白质结构预测方法。
目前主要有三种预测方法:比较模型(homology modeling)、折叠模型(ab initio modeling)和混合模型(hybrid modeling)。
比较模型是基于已知蛋白质结构的序列对其进行预测。
因为相似序列之间的结构相似度较高,所以比较模型方法通常可以得到较准确的结构预测。
然而,对于没有相关结构的蛋白质,这种方法就不适用了。
折叠模型是根据物理原理和计算优化算法,将一个蛋白质的结构问题转化为优化问题来解决。
这种方法不需要已知结构的模板,而是从头开始预测蛋白质的结构。
然而,折叠模型方法在计算上是非常困难的,通常需要大量的计算资源和时间。
混合模型是将比较模型和折叠模型相结合,以利用它们各自的优势。
首先,通过比较模型方法得到一个初始模型,然后再使用折叠模型方法对其进行优化。
这种方法通常能够得到较高准确度的结构预测结果。
在评估蛋白质结构预测方法时,有几个关键指标需要考虑。
首先是GDT(Global Distance Test)得分,它衡量了预测结构与实际结构之间的相似性。
GDT得分越高,表示预测的结构与实际结构越接近。
另一个指标是TM(Template Modeling)得分,它衡量了预测结构与已知模板之间的相似性。
还有一个重要的指标是二级结构准确度,用于评估预测的二级结构与实际二级结构之间的相似性。
在比较各种蛋白质结构预测方法时,一项重要的研究是CASP (Critical Assessment of Structure Prediction)比赛。
生物大数据分析中的转录因子结合位点预测方法与技巧
生物大数据分析中的转录因子结合位点预测方法与技巧转录因子是一类可以与DNA结合并调控基因转录过程的蛋白质,转录因子结合位点是指转录因子与DNA序列中的特定位置相互作用的地点。
在生物大数据分析中,准确预测转录因子结合位点是理解基因调控过程的重要一环。
本文将介绍转录因子结合位点预测的方法与技巧。
1.计算方法:在生物大数据分析中,有数种计算方法可用于预测转录因子结合位点。
其中一种常用的方法是基于序列比对的方法。
该方法通过比对转录因子结合的位点序列与目标基因组的序列,寻找相似性模式。
另一种常用的方法是基于机器学习的方法,通过训练模型来预测转录因子结合位点。
2. 特征选择:在使用机器学习方法预测转录因子结合位点时,特征选择是至关重要的环节。
通过选取与转录因子结合相关的特征,可以提高预测的准确性。
通常,特征可以包括序列信息、物理化学性质、结构信息等。
选择合适的特征可以提高模型的灵敏度和特异性。
3. 数据集的准备:为了进行转录因子结合位点的预测,需要一定规模的数据集来训练模型。
研究者可以从公开数据库中获取这些数据集,如Encode、GEO和TFD等。
这些数据库存储了大量的转录因子结合位点和相应的基因组信息。
在选择数据集时,应该考虑到数据的多样性和代表性,以确保模型的泛化能力。
4. 基于序列的预测方法:基于序列的预测方法是预测转录因子结合位点的一种常用方法。
它基于转录因子与DNA序列相互作用的特点,通过分析和挖掘DNA序列中的特定模式来预测结合位点。
这些模式可以是保守序列模式、重复序列模式或基于统计学的模式等。
常见的基于序列的预测方法包括Motif搜索和Motif模型。
Motif搜索方法通过寻找与已知Motif类似的子序列来进行预测。
Motif模型则是通过构建转录因子结合Motif的模型来预测结合位点。
5. 机器学习方法:机器学习方法在转录因子结合位点预测中得到了广泛应用。
通过使用已标记的训练样本,机器学习算法可以学习转录因子结合位点的特征,并对新的序列进行预测。
基于机器学习的药物靶点预测与评估
基于机器学习的药物靶点预测与评估基于机器学习的药物靶点预测与评估随着现代医学的发展,药物研发变得越来越重要。
然而,药物研发是一项非常耗时和昂贵的工作,因此需要采用一些先进的技术来提高效率和降低成本。
机器学习是一种非常有前途的技术,可以用于药物研发中的许多方面,其中之一就是药物靶点预测与评估。
药物靶点是指药物与生物体内分子相互作用的位置。
药物靶点预测与评估是指通过对药物分子和生物分子进行分析,预测药物可能的靶点,并评估药物与靶点之间的相互作用。
机器学习可以用于药物靶点预测与评估,因为它可以处理大量的数据,并从中学习规律和模式。
机器学习算法可以对已知的药物和靶点进行训练,以建立一个模型,然后使用该模型来预测新的药物和靶点之间的相互作用。
在药物靶点预测与评估中,有几种常用的机器学习算法。
其中之一是分类算法,它可以将药物分为不同的类别,并预测每个类别中可能的靶点。
另一种算法是回归算法,它可以预测药物和靶点之间的相互作用强度。
除了机器学习算法外,还有其他一些工具可以用于药物靶点预测与评估。
例如,化学信息学工具可以用于分析药物分子的结构和性质,以及预测药物可能的靶点。
生物信息学工具可以用于分析生物分子的结构和功能,并预测可能的药物靶点。
尽管机器学习可以提高药物研发的效率和降低成本,但它也存在一些挑战。
其中之一是数据质量问题。
机器学习算法需要大量的高质量数据来进行训练和验证,但现实中往往难以获得足够数量和质量的数据。
另一个挑战是算法选择问题。
不同的机器学习算法适用于不同类型的数据和问题,因此需要选择最合适的算法来解决具体问题。
总的来说,基于机器学习的药物靶点预测与评估是一项非常有前途的技术,可以帮助加速药物研发进程并降低成本。
但是,在使用该技术时需要注意数据质量和算法选择等问题,以确保其有效性和可靠性。
如何利用生物大数据技术进行蛋白质功能预测与分类
如何利用生物大数据技术进行蛋白质功能预测与分类蛋白质是生物体内重要的功能分子,对于揭示生命起源与演化、研究疾病机制以及药物开发都具有重要意义。
然而,直接实验验证蛋白质功能的过程既费时又费力。
因此,利用生物大数据技术进行蛋白质功能预测与分类成为解决这一问题的有效途径。
要利用生物大数据技术进行蛋白质功能预测与分类,首先需要收集大规模的蛋白质序列、结构和功能的数据。
随着高通量测序和结构分析技术的发展,大量的蛋白质数据已经被积累起来,这为后续的功能预测和分类提供了基础。
在数据收集的基础上,可以利用机器学习、人工智能等方法来对蛋白质的功能进行预测和分类。
这些方法利用已知的蛋白质功能数据作为训练集,通过学习蛋白质序列和结构的特征,建立预测模型。
常见的机器学习算法包括支持向量机(SVM)、随机森林(Random Forest)和深度神经网络(Deep Neural Network)等。
其中,蛋白质序列是进行功能预测和分类的重要特征之一。
每个蛋白质都有其特定的氨基酸序列,这些氨基酸序列中的残基相互作用决定了蛋白质的结构和功能。
利用序列比对算法可以将未知蛋白质的序列与已知蛋白质进行比对,从而推断其功能。
常用的序列比对工具包括BLAST和HHblits等。
另外,蛋白质结构也是预测和分类的重要特征。
蛋白质的结构决定了其功能,因此通过预测蛋白质的结构可以间接预测其功能。
相比于序列比对,蛋白质结构的预测更加具有挑战性。
目前常用的蛋白质结构预测方法包括基于模板比对的方法和基于物理模拟的方法。
前者利用已知蛋白质结构作为模板,通过比对寻找最佳结构。
后者则基于物理原理模拟蛋白质结构的构建过程。
常见的蛋白质结构预测软件包括Rosetta和I-TASSER等。
除了蛋白质序列和结构,还有许多其他特征可以用于蛋白质功能预测和分类。
例如,基因表达数据可以提供关于蛋白质在细胞内表达水平的信息,从而预测蛋白质的功能。
此外,亚细胞定位信息、蛋白质相互作用网络、进化信息等也可以作为预测和分类的特征。
基于生物大数据的蛋白质分类与预测研究
基于生物大数据的蛋白质分类与预测研究生物大数据是现代生物学领域中最重要的研究内容之一。
由于生物体内的各种分子与组织都具有普遍性,因此也被称为Omics。
蛋白质,作为生命体中一个非常重要的组分,是生物大数据研究中不可或缺的一个分支。
在大量蛋白质数据产生的同时,如何对这些蛋白质进行分类与预测,已成为生物学领域中一个热门的研究方向。
蛋白质分类的主要方法是根据蛋白质的形态与功能来进行分析。
以生物大数据为基础,目前的研究方向主要涉及到两个方面:一是运用机器学习等算法对蛋白质进行分类;二是结合其他生物信息数据对蛋白质进行预测。
机器学习是一个基于数据挖掘的分析工具,具有广泛的应用前景。
在生物领域中,机器学习方法主要包括支持向量机、神经网络和朴素贝叶斯等技术。
互联网技术与生物学领域的结合,使得机器学习方法在生物领域中得到了广泛的应用。
基于机器学习算法,现在已经有了一些蛋白质分类的工具和分析平台。
例如,SVMProt、PROFPhd、PseAAC等蛋白质分析平台可以对蛋白质进行分类与预测。
SVMProt使用支持向量机模型,对蛋白质进行毒性预测和抗药性预测。
PROFPhd 则是一种能够对蛋白质二级结构进行预测的平台,其使用了真菌群阈值,对蛋白质进行二级结构预测。
而PseAAC这个平台则使用了一种叫做偏差的方法,对蛋白质中的非常规氨基酸进行分析,对病毒与蛋白质进行分类和预测。
另外,还有一些蛋白质预测的方法。
比如,融合多种蛋白质信息数据的方法,结合生物推断学和机器学习,可以对蛋白质进行功能预测。
在这种方法中,常用的技术包括蛋白质-蛋白质相互作用预测、蛋白质结构预测和蛋白质序列分析等。
总的来说,生物大数据为蛋白质分类与预测研究提供了良好的数据基础。
随着技术的不断更新,未来机器学习与其他技术的结合将会给蛋白质的分类与预测研究带来更好的发展。
基因集打分
基因集打分引言基因是生物体遗传信息的载体,对于人类和其他生物来说,基因的组合决定了个体的特征、性状和疾病易感性等。
在基因组学发展的背景下,越来越多的基因数据被积累和存储,并且需要进行分析和解读。
其中一个重要的任务是对基因集进行打分,以评估其与特定生理过程、疾病相关性或其他生物学功能之间的关联程度。
本文将介绍基因集打分的方法和应用。
基因集打分方法1. 功能富集分析功能富集分析是一种常用的基因集打分方法,通过将待评估的基因集与已知功能注释数据库进行比较,确定是否存在富集或亚富集现象。
常用的功能注释数据库包括Gene Ontology (GO)、Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)等。
该方法通过统计学方法计算得到p值或者调整后p值,并通过设置阈值确定哪些功能通路与待评估基因集显著相关。
2. 基于网络拓扑结构的方法网络拓扑结构是描述基因之间相互作用关系的重要信息。
在基因集打分中,可以利用网络拓扑结构来评估基因集的重要性和相关性。
常用的网络拓扑参数包括节点度、介数中心性、聚类系数等。
通过计算这些参数,可以获得基因集在整个网络中的位置和作用。
3. 基于机器学习的方法随着机器学习技术的发展,越来越多的基因集打分方法开始采用机器学习算法。
这些方法通过构建模型,将基因集与已知标签(如疾病状态)进行训练和预测。
常用的机器学习算法包括支持向量机(SVM)、随机森林(Random Forest)等。
通过这些方法可以更准确地评估基因集与特定生理过程或疾病之间的关联。
基因集打分应用1. 疾病相关性评估基因集打分方法可以应用于评估基因集与特定疾病之间的相关性。
例如,在癌症研究中,可以将已知癌症相关基因作为待评估基因集,利用功能富集分析或机器学习方法来确定其他未知与癌症相关的基因。
2. 药物靶点预测药物研发中,寻找合适的靶点是一个重要的任务。
基因集打分方法可以用于预测某个化合物对特定基因集的作用程度,从而为药物靶点的选择提供指导。
生物信息学中的e-value和z-scores
生物信息学中的e-value和z-scores
发信站: 日月光华 (2005年05月11日13:20:31 星期三), 站内信件
blast里面的话 e-value 和 z-score 都是和序列匹配的显著程度有关的,核酸序列和蛋白序列都适用。
你用blast搜索数据库,在每一对query和hit序列都会有一个 e-value和一个 z-score。
E = -ln(1-p)
其中的p表示你的query序列和目的序列匹配是由于随机造成的概率,也就是假阳性概率
p的范围在0-1之间所以E的范围是0到正无穷
假如一条很短的序列ATGG 它匹配了另一条序列ACGG
那么这两条序列的p值应该是(1/4)^3*(3/4) = 0.01171875
E = -ln(1-p) = 0.011787956 (不知道计算有没有失误....)
不过原理就是这样的因此e-value越小则序列匹配得越好
z-score统计学上的意义是某变量与均值的偏差再除以方差,越大的话可能性越小
与一些数据库的参数有关还有normalization的过程复杂我不写了
总之,e-value和z-score 是衡量序列相似性的指标,e越小,z越大,则两序列越相似
e value一般越小越好,也取决于你对数据的要求,一般0.01以上的是肯定不可信的。
kegg enrichment score计算
kegg enrichment score计算Kegg enrichment score计算是一种用于富集分析的统计方法,它可以用来评估给定基因集中基因的功能富集程度。
在进行基因表达分析时,鉴别基因集中的基因是否在特定的生物功能、代谢途径或信号通路中富集,是了解基因集功能关联和生物过程的重要方式。
Kegg enrichment score计算是一种常用的富集分析方法,通过比较基因集中的基因与某一已知生物功能、代谢途径或信号通路中的基因的表达差异,来评估这一基因集在特定功能或通路中的富集性。
Kegg enrichment score计算的步骤通常包括以下几个关键步骤:1. 数据预处理:首先,需要将原始基因表达数据标准化或正态化,以确保数据符合统计模型的假设。
这可以通过一些常用的预处理方法,如log2转换、标准化或Z-score转换来实现。
2. 基因集选择:从已知的生物功能、代谢途径或信号通路数据库中选择与研究感兴趣的生物过程相关的基因集。
一般来说,这些基因集是通过专门的数据库,如KEGG、GO或Reactome 获得的。
3. 基因集的显著性检验:利用统计方法来判断基因集中的基因是否在特定生物功能、代谢途径或信号通路中富集。
最常用的方法之一是超几何分布法或Fisher确切检验,该方法可以计算基因集中的基因在某一功能、通路中的富集程度,并产生一个P值来衡量富集程度的统计显著性。
4. 多重检验校正:考虑到多个功能、代谢途径或信号通路的测试,需要对P值进行多重检验校正,以控制错误发现率(FDR)。
常用的多重检验校正方法包括Bonferroni校正、Benjamini-Hochberg校正和FDR校正。
5. 富集得分计算:富集得分是通过将基因集中的基因映射到已知功能、代谢途径或信号通路中的基因,并计算基因集中的基因在特定功能、通路中的富集程度得到的。
富集得分的计算公式可以根据具体的统计方法而异。
除了以上关键步骤,一些研究也采用其他改进方法来计算Kegg enrichment score。
基因集打分
基因集打分基因集打分是一种评估基因组的方法,用于确定基因集在特定生物学或疾病过程中的相关性或重要性。
它可以帮助研究人员理解基因与特定生物学功能或疾病之间的关系,并提供指导进一步的研究方向。
基因集打分的具体方法取决于所使用的分析技术和研究问题。
以下是一些常见的基因集打分方法:基因富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA):GSEA是一种常用的基因集打分方法,它根据基因在给定基因集中的表达模式来评估其与特定生物学过程或疾病的相关性。
GSEA 使用统计方法来计算基因集的富集得分,并基于基因集在排序基因列表中的位置进行排序。
基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA):GSVA是一种类似于GSEA的方法,它使用基因表达数据来计算每个样本中基因集的富集得分。
GSVA基于非参数统计方法,通过计算基因表达分布的累积分布函数来估计基因集的富集得分。
基因集相关分析(Gene Set Correlation Analysis,GSCA):GSCA是一种用于评估基因集与表型(如疾病状态)之间相关性的方法。
它通过计算基因集中基因表达的平均值或总和与表型之间的相关性来评估基因集的重要性。
基因集网络分析(Gene Set Network Analysis,GSNA):GSNA利用基因之间的相互作用关系构建基因集之间的网络,并通过分析网络拓扑结构来评估基因集的重要性。
GSNA可以帮助研究人员理解不同基因集之间的相互作用和调控关系。
这些方法只是基因集打分领域中的一小部分,实际上还有很多其他方法可供选择。
研究人员应根据自己的研究问题和数据类型选择适合的方法进行基因集打分。
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Likelihood Ratio-Based BiometricScore FusionKarthik Nandakumar,Student Member,IEEE,Yi Chen,Student Member,IEEE,Sarat C.Dass,Member,IEEE,andAnil K.Jain,Fellow,IEEEAbstract—Multibiometric systems fuse information from different sources to compensate for the limitations in performance of individual matchers.We propose a framework for the optimal combination of match scores that is based on the likelihood ratio test.The distributions of genuine and impostor match scores are modeled as finite Gaussian mixture model.The proposed fusion approach is general in its ability to handle1)discrete values in biometric match score distributions,2)arbitrary scales and distributions of match scores,3)correlation between the scores of multiple matchers,and4)sample quality of multiple biometric sources.Experiments on three multibiometric databases indicate that the proposed fusion framework achieves consistently high performance compared to commonly used score fusion techniques based on score transformation and classification.Index Terms—Multibiometric systems,score level fusion,Neyman-Pearson theorem,likelihood ratio test,Gaussian mixture model,image quality.Ç1I NTRODUCTIONB IOMETRICS refers to the automatic identification of individuals based on their anatomical and behavioral characteristics.Biometric systems based on a single source of information(unibiometric systems)suffer from limitations such as the lack of uniqueness and nonuniversality of the chosen biometric trait,noisy data,and spoof attacks[1].Multibiometric systems fuse information from multiple biometric sources in order to achieve better recognition performance and to overcome other limitations of unibiometric systems[2],[3], [4].Fusion can be performed at four different levels of information, namely,sensor,feature,match score,and decision levels.Score level fusion is generally preferred because it offers the best trade-off in terms of the information content and the ease in bining match scores is a challenging task because the scores of different matchers can be either distance or similarity measure,may follow different probability distributions,may provide quite different accuracies and may be correlated.Consider the scores provided by the two face matchers in the NIST-Face database.The scores from these two matchers are in the range[À1,1]and[0,100](see Fig.1) and the Pearson’s correlation coefficient for the genuine and impostor scores of the two matchers are0.7and0.3,respectively.Score fusion techniques can be divided into the following three categories..Transformation-based score fusion.The match scores are first normalized(transformed)to a common domain and thencombined.Choice of the normalization scheme andcombination weights is data-dependent and requiresextensive empirical evaluation[4],[6],[7]..Classifier-based score fusion.Scores from multiple matchers are treated as a feature vector and a classifier is constructedto discriminate genuine and impostor scores[2],[8],[9].When biometric score fusion is considered as a classificationproblem,the following issues pose challenges:1)Unba-lanced training set:The number of genuine match scoresavailable for training is OðnÞ,but the number of impostorscores is Oðn2Þ,where n is the number of users in thedatabase.2)Cost of misclassification:Depending on thebiometric application,the cost of accepting an impostor maybe very different from the cost of rejecting a genuine user.For example,a biometric system in security applicationstypically requires the false accept rate(FAR)to be less than0.1percent.Therefore,the fusion classifier needs tominimize the false reject rate(FRR)at the specified FARvalues rather than minimizing the total error rate(sum ofFAR and FRR)[3].3)Choice of classifier:Given a variety ofadmissible classifiers,selecting and training a classifier thatgives the optimal performance(minimum FRR at a specifiedFAR)on a given data set is not trivial..Density-based score fusion.This approach is based on the likelihood ratio test and it requires explicit estimation ofgenuine and impostor match score densities[3],[10].Thedensity-based approach has the advantage that it directlyachieves optimal performance at any desired operatingpoint(FAR),provided the score densities are estimatedaccurately.In fact,a comparison of eight biometric fusiontechniques conducted by NIST[11]with data from187,000subjects concluded that“Product of LikelihoodRatios was consistently most accurate,but most complex toimplement”and“complexity in this implementation is inthe modeling of distributions,rather than fusion per se.”The statement in[11]about the complexity of densityestimation was based on the use of the kernel densityestimator(KDE).The selection of kernel bandwidth anddensity estimation at the tails proved to be the mostcomplex steps in estimating the score densities using KDE.In this paper,we show that1)the finite Gaussian mixture model (GMM)is quite effective in modeling the genuine and impostor score densities and is easier to implement than KDE,2)fusion based on the resulting density estimates achieves consistently high performance on three multibiometric databases involving face, fingerprint,iris,and speech modalities,and3)biometric sample quality can be easily incorporated in the likelihood ratio-based fusion framework.2L IKELIHOOD R ATIO-B ASED S CORE F USION2.1Likelihood Ratio TestLet X¼½X1;X2;ÁÁÁ;X K denote the match scores of K different biometric matchers,where X k is the random variable representing the match score of the k th matcher,k¼1;2;ÁÁÁ;K.Let f genðxÞand f impðxÞbe the conditional joint densities of the K match scores given the genuine and impostor classes,respectively,where x¼½x1;x2;ÁÁÁ;x K .Suppose we need to assign the observed match score vector X to genuine or impostor class.LetÉbe a statistical test for testing H0:X corresponds to an impostor against H1:X corresponds to a genuine user.LetÉðxÞ¼i imply that we decide in favor of H i,i¼0;1.The probability of rejecting H0when H0is true is known as the false accept rate(size or level of the test).The probability of correctly rejecting H0when H1is true is known as the genuine accept rate(power of the test).The Neyman-Pearson theorem [12]states that.K.Nandakumar,Y.Chen,and A.K.Jain are with the Department of Computer Science and Engineering,Michigan State University,3115 Engineering Building,East Lansing,MI48824-1226.E-mail:{nandakum,chenyi1,jain}@..S.C.Dass is with the Department of Statistics and Probability,Michigan State University,A413Wells Hall,East Lansing,MI48824-1027.E-mail:sdass@.Manuscript received27Oct.2006;revised25June2007;accepted21Sept. 2007;published online4Oct.2007.Recommended for acceptance by X.Tang.For information on obtaining reprints of this article,please send e-mail to: tpami@,and reference IEEECS Log Number TPAMI-0764-1006. Digital Object Identifier no.10.1109/TPAMI.2007.70796.0162-8828/08/$25.00ß2008IEEE Published by the IEEE Computer Society1.For testing H0against H1,there exists a testÉand aconstant such thatPÉðXðÞ¼1j H0Þ¼ ð1ÞandÉðxÞ¼1;when f genðxÞf impðxÞ! ;0;when f genðxÞimp< :8<:ð2Þ2.If a test satisfies(1)and(2)for some ,then it is the mostpowerful test for testing H0against H1at level . According to the Neyman-Pearson theorem,given the false accept rate(FAR) ,the optimal test for deciding whether a score vector X corresponds to a genuine user or an impostor is the likelihood ratio test given by(2).For a fixed FAR,we can select a threshold such that the likelihood ratio test maximizes the genuine accept rate(GAR).Based on the Neyman-Pearson theorem,we are guaranteed that there does not exist any other decision rule with a higher GAR.However,this optimality of the likelihood ratio test is guaranteed only when the underlying densities are known.In practice,we estimate the densities f genðxÞand f impðxÞfrom the training set of genuine and impostor match scores,respectively,and the performance of likelihood ratio test will depend on the accuracy of these estimates.2.2Estimation of Match Score DensitiesIt is well known that the Gaussian density is not appropriate for modeling biometric match scores because the score distributions generally have a long tail and may have more than one mode. Moreover,the presence of discrete score values and correlation among match scores of different biometric matchers makes density estimation a challenging task.Nonparametric techniques like density histogram and kernel density estimator require a careful choice of histogram bin width or kernel bandwidth[11],[13]that is critical to the fusion performance.Gaussian mixture model(GMM) has been successfully used to estimate arbitrary densities and the theoretical results in[14],[15]show that the density estimates obtained using finite mixture models indeed converge to the true density when a sufficient number of training samples are available. For these reasons,we use GMM for estimating the genuine and impostor score densities.Let Kðx; ;ÆÞbe the K-variate Gaussian density with mean vector and covariance matrixÆ,i.e., Kðx; ;ÆÞ¼ð2 ÞÀK=2jÆjÀ1=2expðÀ12ðxÀ ÞTÆÀ1ðxÀ ÞÞ.The estimates of f genðxÞand f impðxÞare obtained as a mixture of Gaussians as follows:^fgenðxÞ¼X M genj¼1p gen;j K x; gen;j;Ægen;j;ð3Þ^fimpðxÞ¼XM impj¼1p imp;j K x; imp;j;Æimp;j;ð4Þwhere M genðM impÞis the number of mixture components used to model the density of the genuine(impostor)scores, p gen;jðp imp;jÞis the weight assigned to the j th mixture component in^f genðxÞð^f impðxÞÞ,P M genj¼1p gen;j¼P M impj¼1p imp;j¼1.Selecting the appropriate number of components is one of the most challenging issues in mixture density estimation;while a mixture with too many components may result in overfitting,a mixture with too few components may not approximate the true density well.The GMM fitting algorithm proposed in[16]1 automatically estimates the number of components and the component parameters using an EM algorithm and the minimum message length criterion.This algorithm is also robust to initialization of parameter values(mean vectors and covariance matrices)and can handle discrete components in the match score distribution by modeling the discrete scores as a mixture component with very small variance.This is achieved by adding a small value(regularization factor)to the diagonal of the covariance matrices.The actual value of this variance does not affect the performance as long as it is insignificant compared to the variance of the continuous components in the match score distribution.For example,the lowest value of variance in the match score data used in our experiments is of the order of10À3. Hence,we used the value of10À5as the lower bound for the variance.Our experiments indicate that a value smaller than10À5 (say,10À7or10À9)does not change the performance of GMM.Since we do not place any restrictions on the component covariance matricesÆgen;j andÆimp;j,the estimates of the joint densities^f genðxÞand^f impðxÞalso take into account the correlation between the match scores.Fig.2shows that Gaussian mixture model reliably estimates the2D genuine and impostor densities of the two face matchers in the NIST-Face database.We now define the likelihood ratio(LR)fusion rule as follows: Given a vector of K match scores x¼½x1;...;x K and estimated densities^f genðxÞand^f impðxÞ,compute the likelihood ratio LRðxÞ¼^f genðxÞ=^f impðxÞ.Assign x to the genuine class if LRðxÞ! ;ð5Þwhere is the decision threshold that is determined based on the specified FAR.2.3Incorporating Image Quality in FusionIt is well known that the quality of biometric samples has a significant impact on the accuracy of a matcher[17].Several schemes have used biometric sample quality for improving the performance of a multibiometric system[8],[18],[19],[20]by assigning weights to individual match scores.To incorporate sample quality in the likelihood ratio framework,we first make the following observation: Since a poor quality sample will be difficult to classify as genuine or impostor(see Fig.3),the likelihood ratio for such a sample will be close to 1.On the other hand,for good quality samples,the likelihood ratio will be greater than1for genuine users and less than 1for impostors.Hence,if we estimate the joint density of the match score and the associated quality,the resulting likelihood ratios will be implicity weighted by the respective sample quality.Let Q¼½Q1;Q2;ÁÁÁ;Q K be the quality vector,where Q k is the quality of the match score provided by the k th matcher,k¼1;...;K. Let^f genðx;qÞand^f impðx;qÞbe the joint densities of the K-dimensional match score vector and the K-dimensional quality vector estimatedFig.1.Nonhomogeneity in the match scores provided by the two face matchers inthe NIST-Face database[5].Note that about0.2percent of the scores output bymatcher1are discrete scores with valueÀ1which are not shown in this plot.1.The MATLAB code for this algorithm is available at http://www.lx.it.pt/~mtf/mixturecode.zip.from the genuine and impostor template-query pairs,respectively. The quality-based likelihood ratio,QLRðx;qÞ,is given byQLRðx;qÞ¼^fgenðx;qÞ^fimpðx;qÞ:ð6ÞThe decision rule based on QLRðx;qÞis similar to the one usedin(5).Note that the joint density estimation ofðX;QÞnow involves2K variables which may not be very reliable with limited trainingdata.To avoid the curse of dimensionality,we assume indepen-dence of K matchers and write(6)as^fðx;qÞ¼Q Kk¼1^fkðx k;q kÞ.So,now we estimate K two-dimensional densities for both genuineand impostor classes.To perform quality-based fusion based on(6),we use quality metrics proposed in[21]for fingerprint and iris.3E XPERIMENTAL R ESULTSThe performance of the likelihood ratio-based fusion rule wasevaluated on two public-domain databases,namely,NIST-BSSR1[5]and XM2VTS-Benchmark databases[22].The performance ofthe quality-based product fusion rule was evaluated only on theWVU-Multimodal database since the two public databases did notcontain raw images to estimate the quality.The three databasesused in our study are summarized in Table1.For each experiment,half of the genuine and half of the impostormatch scores were randomly selected to form the training set fordensity estimation.This training-test partitioning was repeatedm timesðm¼20Þand the reported ROC curves correspond to themean GAR values over the m trials at different FAR values.We alsoreport the95percent confidence interval for the improvement inFig.2.Density estimation based on Gaussian mixture models for the NIST-Face database.(a)Scatter plot of the genuine scores along with the fitted mixture components,(b)density estimates of the genuine scores,(c)scatter plot of the impostor scores along with the fitted mixture components,and(d)density estimates of the impostor scores.In this example,the estimated number of mixture components is12for the genuine density and19for the impostor density.The discrete score in thefirst matcher at valueÀ1is modeled as a separate mixture component as shown in(a)and(c).Fig.3.Variation of match score with quality for fingerprint modality in the WVU-Multimodal database.We observe that the genuine and impostor match scores are well-separated only for good quality(with quality index>0.5)samples.GAR achieved by likelihood ratio-based fusion at specific FAR values.2The receiver operating characteristic (ROC)curves of the individual matchers and the LR fusion rule for the three partitions of the NIST-BSSR1and XM2VTS databases are shown in Fig.4.The LR fusion leads to significant improvement in the performance compared to the best single modality on all the four databases.At a false accept rate (FAR)of 0.01percent,the improvement in the genuine accept rate (GAR)achieved due to LR fusion is presented inTable 2.We observe that the 95percent confidence intervals estimated in Table 2are fairly tight which indicates that the performance improvement is consistent across the 20cross-valida-tion trials.We also observe that multimodal fusion (face and two fingers)in NIST-BSSR1results in larger improvement in GAR than two-finger fusion or multialgorithm fusion (two face matchers).The performance of the LR fusion rule is first compared to fusion based on the Support Vector Machine (SVM)classifier.While the performance of SVM-based fusion is comparable to LR fusion on the NIST-Fingerprint and XM2VTS-Benchmark databases (see Figs.4b and 4d),it is inferior to LR fusion on the NIST-Multimodal and NIST-Face databases (see Figs.4a and 4c).Moreover,the kernel function and the associated parameters for SVM must be carefully chosen in order to achieve this performance.For example,while linear SVMFig.4.Performance of the likelihood ratio-based fusion rule and SVM-based fusion on the (a)NIST-Multimodal,(b)NIST-Fingerprint,(c)NIST-Face,and (d)XM2VTS-Benchmark databases.Although there are eight matchers in the XM2VTS-Benchmark database,only the ROC curves of the best face matcher (DCTb-GMM)and the best speech matcher (LFCC-GMM)are shown in (d)for clarity.A linear SVM was used in (a)and (d)and a SVM with radial basis function kernel was used in (b)and (c)(with ¼0:005and ¼0:1,respectively).2.For experiments on the XM2VTS-Benchmark database,we do not randomly partition the scores into training and test sets because this partitioning is already defined in [22].Hence,confidence intervals are not estimated for this database.Summary of Multibiometric DatabasesNote that the NIST-Multimodal,NIST-Fingerprint,and NIST-Face databases are different partitions of the NIST Biometric Score Set Release-1(BSSR1).gave good performance on the NIST-Multimodal and XM2VTS-Benchmark databases,we had to use a radial basis function kernel with different parameter values for the NIST-Fingerprintð ¼0:005Þand NIST-Faceð ¼0:1Þdatabases to obtain the results reported in Fig.4.We also compared the performance of LR fusion rule with a commonly used transformation-based score fusion technique, namely,the sum of scores fusion method,which can be derived as an approximation to the LR fusion rule under a set of conditions [23].However,in order to use the sum of scores fusion method,we need to choose a score normalization method.After an empirical evaluation,we found that the min-max normalization[7]is the best for the datasets used here.The ROC curves for the LR rule and sum of scores fusion rule with min-max normalization are shown in Fig.5.While the sum rule is quite comparable to the LR rule for the NIST-Multimodal database,it does not perform well on the XM2VTS-Benchmark database(see Fig.5b).The reason for the inferior performance of the sum rule in the case of the XM2VTS-Benchmark database is that the score distributions of the face and speech matchers are very different (see Fig.6).The min-max normalization is not effective for the face scores in Fig.6a because the genuine and impostor scores are peaked around1andÀ1,respectively.This is because the face match scores were the output of a multilayer perceptron classifier that used a tanh nonlinearity function.However,if we first transform the distribution in Fig.6a by applying an inverse tangent function to these scores followed by min-max normalization,then the performance of the sum rule improves and it is now comparable to the LR fusion as observed in Fig.5b.These results demonstrate that while,it is possible to achieve good fusion performance for a specific database using the simple sum rule by carefully choosing the normalization scheme,the proposed LR fusion rule is a general approach that consistently provides good performance.Fig.7shows the performance of the LR and QLR fusion rules on the WVU-Multimodal database.For this data,the LR fusion rule improves the GAR compared to the best single modality(iris)and the quality-based fusion(QLR)rule further improves the GAR.For example,at a FAR of0.001percent,the mean GAR of the iris modality is66.7percent,while the GAR values of the LR and QLR fusion rules are85.3percent and90percent,respectively.The 95percent confidence interval for the improvement in GAR obtained by using QLR fusion instead of LR fusion is[4.1percent, 5.3percent].Performance Improvement Achieved by Likelihood Ratio-BasedFusionFig.5.Performance of the likelihood ratio-based fusion rule and sum of scores fusion rule with min-max normalization on the(a)NIST-Multimodal database and (b)XM2VTS-Benchmark database.In(b),IT-MM denotes that an inverse tangent function is applied only to the match scores of the MLP classifiers prior to normalizing all the match scores using min-maxnormalization.Fig. 6.Distribution of genuine and impostor match scores in the XM2VTS-Benchmark database for(a)MLP-face classifier and(b)speech.4C ONCLUSIONSWe have proposed a framework for the fusion of match scores in a multibiometric system based on the likelihood ratio test.This approach is general and is able to minimize the FRR at a specified FAR.In practice,one needs to reliably estimate the genuine and impostor match score densities from the available training set of match scores.Due to the availability of relatively large multi-biometric databases and the low dimensionality of the score vectors, the density estimation problem in the proposed LR fusion rule is quite tractable.We show that densities estimated using a mixture of Gaussian models lead to good performance on several multi-biometric databases.Based on these experiments,our conclusions are as follows:.The likelihood ratio-based fusion rule with GMM-based density estimation achieves consistently high recognitionrates without the need for parameter tuning by the systemdesigner..While other fusion schemes such as sum rule and SVM can provide performance comparable to that of LR fusion,theseapproaches require careful selection of parameters(e.g.,score normalization and fusion weights in sum rule,type ofkernel and kernel parameters in SVM)on a case-by-casebasis.The LR rule does not need to make these choices..Biometric sample quality information can be incorporated within the likelihood ratio-based fusion framework leadingto improvements in the performance of multibiometricsystems.A CKNOWLEDGMENTSThis research was supported by US Army Research Office contract W911NF-06-1-0418.R EFERENCES[1] A.Ross,K.Nandakumar,and A.K.Jain,Handbook of Multibiometrics.Springer-Verlag,2006.[2]R.Brunelli and D.Falavigna,“Person Identification Using Multiple Cues,”IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence,vol.17,no.10,pp.955-966,Oct.1995.[3]S.Prabhakar and A.K.Jain,“Decision-Level Fusion in FingerprintVerification,”Pattern Recognition,vol.35,no.4,pp.861-874,Apr.2002. [4]K.-A.Toh,X.Jiang,and W.-Y.Yau,“Exploiting Global and Local Decisionsfor Multimodal Biometrics Verification,”IEEE Trans.Signal Processing, supplement on secure media,vol.52,no.10,pp.3059-3072,Oct.2004. [5]Nat’l Inst.of Standards and Technology,NIST Biometric Scores Set—Release1,/iad/894.03/biometricscores,2004. [6]R.Snelick,U.Uludag,A.Mink,M.Indovina,and A.K.Jain,“Large ScaleEvaluation of Multimodal Biometric Authentication Using State-of-the-Art Systems,”IEEE Trans.Pattern Analysis and Machine Intelligence,vol.27,no.3, pp.450-455,Mar.2005.[7] A.K.Jain,K.Nandakumar,and A.Ross,“Score Normalization in Multi-modal Biometric Systems,”Pattern Recognition,vol.38,no.12,pp.2270-2285,Dec.2005.[8]J.Fierrez-Aguilar,J.Ortega-Garcia,J.Gonzalez-Rodriguez,and J.Bigun,“Discriminative Multimodal Biometric Authentication Based on Quality Measures,”Pattern Recognition,vol.38,no.5,pp.777-779,May2005. 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