專利名稱:一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的制作方法
一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型既是一種智能計(jì)算模型又是一種智能計(jì)算方法,屬模式識(shí)別與信息處理技術(shù)領(lǐng)域。
據(jù)調(diào)查,人類55%的胎兒死亡,以及20%的先天缺陷與人體染色體有關(guān)。因此,染色體分析是檢測(cè)遺傳疾病的基本途徑。染色體的人工識(shí)別與分類是一項(xiàng)繁重的勞動(dòng),應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)染色體的自動(dòng)識(shí)別與分類是染色體分析領(lǐng)域內(nèi)重要的研究課題。目前,染色體自動(dòng)識(shí)別與分類方法以傳統(tǒng)的模式識(shí)別技術(shù)為主,如貝葉斯分段線性化處理技術(shù),分級(jí)聚類方法,最小距離分類器,極大似然法等。運(yùn)用模糊邏輯的染色體分類器的研究也有報(bào)道。(L.Vanderheydt,A.Oosterlinck and H.Van den Berghe,An application offuzzy subset theory to the classification of human chromosome,Proceedings of IEEEConference on Pattern Recognition and Image Processing,Chicago,II,August 6-8(1979)466-472(美國(guó)))近年來(lái),隨著神經(jīng)計(jì)算學(xué)的發(fā)展,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)染色體分類器成為這一領(lǐng)域內(nèi)新的研究方向。(B.Lerner,Toward a completely automatic neural network basedhuman chromosome analysis,IEEE Transactions on Systems,Man and Cybernetic,28(1998)544-552(美國(guó)))。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外,染色體自動(dòng)識(shí)別與分類技術(shù)存在一下主要缺陷(1)錯(cuò)誤識(shí)別錯(cuò)誤識(shí)別是染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)的致命缺陷,它使自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)的可信度、可采納性和可應(yīng)用性受到質(zhì)疑。
(2)識(shí)別率低染色體分析專家相比,染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)對(duì)染色體的識(shí)別率有待進(jìn)一步提高。
(3)獲取染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的能力弱染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)常以染色體樣本組作為染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)源,然而,染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)卻難以識(shí)別所有的樣本,特別是樣本數(shù)較大時(shí)。
本發(fā)明意在設(shè)計(jì)一種能有效實(shí)現(xiàn)染色體模式自動(dòng)識(shí)別與分類的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,作為一種智能計(jì)算方法,使其能將模糊邏輯處理不確定性問(wèn)題的功能與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)自組織自學(xué)習(xí)功能相結(jié)合,以人工神經(jīng)信息處理的方式實(shí)現(xiàn)模糊聚類分析運(yùn)算,能以自組織的方式獲取人體染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí),消除染色體自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的錯(cuò)誤識(shí)別現(xiàn)象,提高其對(duì)染色體的識(shí)別率。
本發(fā)明的自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,作為一種智能計(jì)算方法,以人工神經(jīng)信息處理的方式實(shí)現(xiàn)模糊聚類分析運(yùn)算,其動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型結(jié)構(gòu)與構(gòu)成參見(jiàn)圖1-圖4,該自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型具有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)特征(見(jiàn)圖1),其構(gòu)成包括三部分(1)相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖2)計(jì)算X(0)與X(k)(k=1,2,…,N)相似關(guān)系1°n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)接收X(0)=(x1(0),x2(0),…,xn(0))T;2°N個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)輸出計(jì)算結(jié)果u=(r01,r02,…,r0N)T;3°輸入節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)模式每一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)至所有的輸出節(jié)點(diǎn);第i個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度記為xi(j);n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度xi(j)(i=1,2,…,n)形成第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的中心向量X(j)=(x1(j),x2(j)…,xn(j))T;其中X={X(k)|k=1,2,…,N}N個(gè)染色體樣本經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象預(yù)處理和特征選取后形成的n維模糊特征向量集合,其中,n維模糊特征向量X(k)=(x1(k),x2(k),…,xn(k))T;X(0)=(x1(0),x2(0),…,xn(0))T待識(shí)別染色體經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象預(yù)處理和特征選取后形成的n維模糊特征向量,(2)動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)對(duì)染色體進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算1°神經(jīng)元集合{Nd(k)|k=0,1,2,…,N}神經(jīng)元Nd(k)對(duì)應(yīng)染色體模糊特征向量X(k)(k∈{0,1,2,…,N});2°N階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)DFCN(N)<R,A,O>由{Nd(k)|k=1,2,…,N}構(gòu)成,對(duì)X={X(k)|k=1,2,…,N}進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)染色體樣本理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}(S(k)X);3°(N+1)階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)DFCN(N+1)<R,A,O>在DFCN(N)<R,A,O>中添加神經(jīng)元Nd(0)形成的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),對(duì)擴(kuò)展集合X={X(k)|k=0,1,2,…,N}進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算,在染色體樣本理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}的約束下對(duì)X(0)進(jìn)行識(shí)別;4°神經(jīng)元聯(lián)結(jié)模式任意兩個(gè)神經(jīng)元Nd(i)和Nd(j)存在聯(lián)結(jié),其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度記為rij∈
,規(guī)定對(duì)稱性rij=rij(i,j∈{0,1,2,…,N}),自反性rij=1(i∈{0,1,2,…,N});其中S={S(k)|k=1,2,…,C}(S(k)X)X={X(k)|k=1,2,…,N}的理想劃分;αk∈(0,1](k=0,1,2,…,N)Nd(k)的閾值;A=(α1,α2,…,αN)TDFCN(N)<R,A,O>閾值向量;A=(α0,α1,α2,…,αN)TDFCN(N+1)<R,A,O>閾值向量;R={rij}N×N∈
N×NDFCN(N)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣,當(dāng)rij(i,j∈{1,2,…,N})為X(i)與X(j)的相似關(guān)系時(shí),R為X×X上的模糊相似關(guān)系;R={rij}0≤i,j≤N∈
(N+1)×(N+1)DFCN(N+1)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣,當(dāng)rij(i,j∈{0,1,2,…,N})為X(i)與X(j)的相似關(guān)系時(shí),R為X×X上的模糊相似關(guān)系;oi(t)∈{0,1}(k=0,1,2,…,N)Nd(k)在t時(shí)刻的狀態(tài);O(t)=(o1(t),o2(t),…,oN(t))TDFCN(N)<R,A,O>在t時(shí)刻的狀態(tài);O(t)=(o0(t),o1(t),o2(t),…,oN(t))TDFCN(N+1)<R,A,O>在t時(shí)刻的狀態(tài),(3)布爾邏輯運(yùn)算電路(見(jiàn)圖4)1°布爾運(yùn)算(a)實(shí)現(xiàn)理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C};2°布爾運(yùn)算(b)判定DFCN(N+1)<R,A,O>模糊聚類分析結(jié)論的有效性;3°布爾運(yùn)算(c)輸出識(shí)別結(jié)果Y=(y0,y1,y2,…,yC)T∈{0,1}(C+1)×1,其中,yk(k=1,2,…,N)分別代表染色體各類別,特別地,y0代表非染色體類。
本發(fā)明的一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,其以自組織的方式學(xué)習(xí)染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的方法過(guò)程,參見(jiàn)圖1和圖5。
作為染色體樣本模式的模糊特征向量集合,X={X(k)|k=1,2,…,N}及其理想劃分S={S(c)|c(diǎn)=1,2,…,C}內(nèi)含染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)。當(dāng)DFCN(N)<(R,A,O>對(duì)染色體樣本集合X={X(k)|k=1,2,…,N}的模糊聚類分析結(jié)論與理想劃分S={S(c)|c(diǎn)=1,2,…,C}一致時(shí),DFCN(N)<R,A,O>將具有與染色體樣本集合X={X=(k)|k=1,2,…,N}及其理想劃分S={S(c)|c(diǎn)=1,2,…,C}一致的染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)。這種一致性就是理想劃分的實(shí)現(xiàn),而理想劃分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型以自組織的方式學(xué)習(xí)染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的過(guò)程。
染色體樣本集合X=(X(k)|k=1,2,…,N}的理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}由DFCN(N)<R,A,O>和布爾運(yùn)算(a)以自組織的方式實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖5),特征在于其實(shí)現(xiàn)過(guò)程依如下步驟進(jìn)行Step1.為理想劃分選擇可實(shí)現(xiàn)的子劃分S'={S'(k)|k=l,2,…,C’}(C≤C'≤N),使S(k)={S′(ΩK+i)|Ωk=Σi=0k-1mi;i=1,2,…,mk}(k=1,2…,C)-----(1)]]>其中,0=m0<m1≤m2≤…≤mC,∑i=1Cmi=C',(C≤C'≤N);Step2.對(duì)X={X(k)|k=1,2,…,N}進(jìn)行適當(dāng)排序,使子劃分S'滿足S′(k)={X(Δk+i)|Δk=Σi=0k-1ni;i=1,2,…,nk}(k=1,2,…,C′)-----(2)]]>其中,0=n0<n1≤n2≤…≤nC',∑i=1C'ni=N;Step3.計(jì)算X×X上染色體樣本特征向量的模糊相似關(guān)系R={rij}N×Nrij=1-1nΣk=1n(xk(i)-xk(j))2(i,j∈{1,2,…,N})-----(3)]]>并將其作為DFCN(N)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣;Step4.調(diào)節(jié)DFCN(N)<R,A,O>閾值向量A=(α1,α2,…,αN)T,使對(duì)任意給定的k∈{1,2,…,N),當(dāng)DFCN(N)<R,A,O>初始狀態(tài)
時(shí),其穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)=(o1(ts),o2(ts),…,oN(ts))T滿足
其中,DFCN(N)<R,A,O>按(5)式所示的動(dòng)態(tài)并行算法運(yùn)行
“°”表示max-min模糊運(yùn)算,穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)滿足O(ts+1)=O(ts); (6)Step5.當(dāng)DFCN(N)<R,A,O>達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,布爾運(yùn)算(a)開(kāi)式進(jìn)行始按(7)式工作
其“AND”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)理想子劃分S′={S′(k)|k=1,2,…,C′},滿足
而“OR”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C},滿足Θ=(θ1,θ2,…,θC)T=(0,…,0,1jth,0,…,0)TX(k)∈S(j).-----(8b)]]>實(shí)際上,染色體樣本集合X={X(k)|k=1,2,…,N}理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}劃分的實(shí)現(xiàn)使模糊模糊聚類網(wǎng)絡(luò)DFCN(N)<R,A,O>成為記憶染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的存儲(chǔ)體,而這一存儲(chǔ)體易于擴(kuò)展,易于通過(guò)新增神經(jīng)元使DFCN(N)<R,A,O>獲取新的染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)。
DFCN(N)<R,A,O>學(xué)習(xí)染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的自組織特性在于其無(wú)需明確的監(jiān)督信號(hào),同時(shí),對(duì)新增樣本,DFCN(N)<R,A,O>無(wú)需破壞業(yè)已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù),只需添加對(duì)應(yīng)新增樣本的神經(jīng)元,便可獲取新增樣本內(nèi)含的染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí),即動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)能在記憶和保護(hù)現(xiàn)有染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的前提下學(xué)習(xí)新知識(shí)。
本發(fā)明的一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,用于識(shí)別染色體模式的過(guò)程,參見(jiàn)圖1-4和圖6,其特征在于采用如下步驟完成動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型識(shí)別染色體模式的過(guò)程按如下步驟進(jìn)行(見(jiàn)圖6)Step1.輸入X(0)=(x1(0),x2(0)…,xn(0))T;Step2.相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)計(jì)算X(0)與X(k)(k=1,2,…,N)的相似關(guān)系r0k=1-1nΣi=1n(xi(0)-xi(k))2(k∈{1,2,…,N});-----(9)]]>Step3.相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出計(jì)算結(jié)果u=(r01,r02,…,r0N)T,并將其遞給DFCN(N+1)<R,A,O>,形成DFCN(N+1)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣R_r00(=1)uTuR;-----(10)]]>Step4.初始化DFCN(N+1)<R,A,O>令t=0,設(shè)置DFCN(N+1)<R,A,O>的初始狀態(tài)O(0)=(1,0,0,…,0)T∈{0,1}(N+1)×1;Step5.DFCN(N+1)<R,A,O>按(11)式所示的動(dòng)態(tài)并行算法運(yùn)行
其中,DFCN(N+1)<R,A,O>的閾值向量
Step6.若O(t+1)≠O(t),則令t=t+1,并轉(zhuǎn)向Step5;Step7.令ts=t+1,記錄穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)=O(t+1);Step8.布爾運(yùn)算(a)按(13)式開(kāi)始工作
Step9.布爾運(yùn)算(b)按(14a-c)式判別DFCN(N+1)<R,A,O>動(dòng)態(tài)模糊聚類分析結(jié)論的有效性α=θ1∨θ2∨…∨θC(14a)βij=θi∧θj(1≤i<j≤C) (14b)σ=(Λ1≤i<j≤Cβij)Λα-----(14c)]]>其中,α測(cè)試θi(i=1,2,…,C)中是否存在取值為1的輸出,βij(1≤i<j≤C)測(cè)試θi(i=1,2,…,C)中是否存在兩個(gè)或兩個(gè)以上取值為1的輸出,σ用于判定DFCN(N+1)<R,A,O>模糊聚類分析結(jié)論的有效性,σ=1表示有效,σ=0表示無(wú)效;Step10.布爾運(yùn)算(c)按(15a-b)式輸出動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型對(duì)X(0)的識(shí)別結(jié)果y0=o0(ts)∧σ (15a)yk=θk∧σ(k=1,2,…,C) (15b)Y中只有1個(gè)元素取值為1,其余取值為0,若yk=1(k∈{1,2,…,C}),則X(0)描述的染色體屬于第k染色體類,特別的,y0=1意味著X(0)屬于非染色體類,或系統(tǒng)不識(shí)別X(0),或拒絕識(shí)別X(0)。
作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng),動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型具有良好的穩(wěn)定性和收斂性,以及良好的適于染色體識(shí)別與分類的動(dòng)態(tài)模糊聚類功能。本發(fā)明能以自組織的方式學(xué)習(xí)并獲取染色體樣本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí),正確識(shí)別作為知識(shí)源的染色體樣本,并能在記憶和保護(hù)業(yè)已形成的模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的前提下擴(kuò)展模型,獲取新增樣本內(nèi)含的新的染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí);對(duì)染色體模式具有較高的識(shí)別率,其識(shí)別能力隨模型神經(jīng)元數(shù)N的擴(kuò)展而提高;通過(guò)對(duì)閾值向量A的控制,有效地解決了錯(cuò)誤識(shí)別問(wèn)題,使誤識(shí)率為0。誤識(shí)率為0對(duì)染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)有著特別的意義,它意味著染色體自動(dòng)識(shí)別與分類系統(tǒng)具有高可信度,因而具有可采納性和可應(yīng)用性。
圖1動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型結(jié)構(gòu)其中
X(0)=(x1(0),x2(0)…,xn(0))Tn維待識(shí)別染色體模糊特征向量X(k)(k=1,2,…,N)相似計(jì)算網(wǎng)絡(luò)第k個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)中心向量rij(i,j∈{0,1,2,…,N})X(i)與X(j)的模糊相似關(guān)系Nd(k)(k∈{0,1,2,…,N})動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元ok(k∈{0,1,2,…,N})神經(jīng)元Nd(k)的狀態(tài)θk′(k∈{1,2,…,C′})布爾運(yùn)算(a)中的與邏輯門及其輸出值θk(k∈{1,2,…,C})布爾運(yùn)算(a)中的或邏輯門及其輸出值βij(1≤i<j≤C)布爾運(yùn)算(b)中的與非邏輯門及其輸出值α布爾運(yùn)算(b)中的或邏輯門及其輸出值σ布爾運(yùn)算(b)中的與邏輯門及其輸出值ζk(k∈{0,1,2,…,C})布爾運(yùn)算(c)中的與邏輯門及其輸出值yk(≡ζk)(k∈{0,1,2,…,C})動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型輸出圖2相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖3動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)其中DFCN(N)<R,A,O>{Nd(k)|k=1,2,…,N}構(gòu)成的N階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò),其中,R,A,O分別為DFCN(N)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣、閾值向量和狀態(tài)DFCN(N+1)<R,A,O>{Nd(k)|k=0,1,2,…,N}構(gòu)成的(N+1)階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò),即DFCN(N)<R,A,O>的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),其中,R,A,O分別為DFCN(N+1)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣、閾值向量和狀態(tài)圖4布爾邏輯運(yùn)算電路其中(a)布爾邏輯運(yùn)算(a)(b)布爾邏輯運(yùn)算(b)
(c)布爾邏輯運(yùn)算(c)圖5理想劃分的實(shí)現(xiàn)圖6動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型自動(dòng)識(shí)別染色體流程圖其中RDFCN(N+1)<R,A,O>聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣t(=0,1,…,ts)DFCN(N+1)<R,A,O>動(dòng)態(tài)運(yùn)算時(shí)刻,ts為DFCN(N+1)<R,A,O>達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)刻O(t)=(o0(t),o1(t),o2(t),…,oN(t))TDFCN(N+1)<R,A,O>在t時(shí)刻的狀態(tài)Θ=(θ1,θ2,…,θC)T布爾邏輯運(yùn)算(a)輸出向量Y=(y0,y1,y2,…,yC)T動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型輸出向量圖7人體染色體計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)示意圖其中(d)顯微鏡(e)數(shù)字?jǐn)z像頭(f)視頻接口(g)圖形卡(h)計(jì)算機(jī)主機(jī)(i)駐留在計(jì)算機(jī)內(nèi)的人體染色體動(dòng)數(shù)字圖象預(yù)處理及特征選取程序(j)以計(jì)算機(jī)算法程序的形式駐留在計(jì)算機(jī)內(nèi)的自動(dòng)識(shí)別人體染色體的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(k)顯示器(l)打印機(jī)(m)圖形掃描儀圖8人體染色體G帶圖象預(yù)處理其中(n)染色體G帶圖象(o)邊緣(p)中軸線(q)著絲點(diǎn)Cntr,短臂Sht和長(zhǎng)臂Lng表1(a)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=24)識(shí)別樣本組表1(b)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=24)識(shí)別測(cè)試組表2(a)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=96)識(shí)別樣本組表2(b)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=96)識(shí)別測(cè)試組表3(a)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=240)識(shí)別樣本組表3(b)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型(N=240)識(shí)別測(cè)試組實(shí)施例基于動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,發(fā)明人設(shè)計(jì)了一個(gè)人體染色體計(jì)算識(shí)別與分類系統(tǒng),其構(gòu)成見(jiàn)圖7以下從實(shí)際人體染色體計(jì)算機(jī)識(shí)別系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的組建過(guò)程、識(shí)別人體染色體的算法實(shí)施過(guò)程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其分析三個(gè)方面闡述實(shí)施例。1.動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的組建過(guò)程令C=24,則動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型輸出向量為Y=(y0,y1,y2,…,y24)T,其中,y1-22分別代表22類常染色體,y23-24分別代表2類性染色體,特別地,y0代表非染色體類。每一人體類染色體類選擇4個(gè)人體染色體樣本,則24個(gè)人體染色體類共有96個(gè)人體染色體樣本;人體染色體樣本經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象預(yù)處理和特征選取后形成12維模糊特征向量的集合X={X(k)|k=1,2,…,96};X的理想劃分為S={S(k)|k=1,2,…,24},理想子劃分為S′={S′(k)|k=1,2,…,48},其中S′(i)={X(2i-1),X(2i)}i=1,2,…,48 (16a)S(j)={S′(2j-1),S′(2j)}j=1,2,…,24(16b)于是,自動(dòng)識(shí)別染色體的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型可如下進(jìn)行組建(1)相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖2)1°12個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)接收并傳遞模糊特征向量X(0)=(x1(0),x2(0),…,x12(0))T,其中x1-10(0)范化后的待識(shí)別人體染色體沿中軸線的灰度分布特征值;x11(0)范化后的待識(shí)別人體染色體長(zhǎng)度特征值;x12(0)范化后的待識(shí)別人體染色體著絲點(diǎn)指標(biāo)特征值;2°96個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)第k個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的中心向量取為X(k)(k=1,2,…,96)。
(2)DFCN(N)<R,A,O>(見(jiàn)圖3)一個(gè)96階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò),由代表96個(gè)人體染色體樣本的96個(gè)神經(jīng)元{Nd(k)|k=1,2,…,96}構(gòu)成;按(3)式計(jì)算人體染色體樣本模糊相似關(guān)系R={rij}96×96,并以自組織的方式運(yùn)行DFCN(N)<R,A,O>,選取滿足(4)式的閾值向量A=(α1,α2,…,α96)T。
(3)DFCN(N+1)<R,A,O>(見(jiàn)圖3)在神經(jīng)元集合{Nd(k)|k=1,2,…,96}中加入代表待識(shí)別人體染色體的神經(jīng)元Nd(0)后形成的97階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò),其中,閾值向量A=(α0,α1,α2,…,α96)T按(12a-b)式計(jì)算。
(4)布爾運(yùn)算(a)(見(jiàn)圖4(a))1°48個(gè)與邏輯門實(shí)現(xiàn)理想子劃分S′=S′(k)|k=1,2,…,48};2°24個(gè)或邏輯門實(shí)現(xiàn)理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,24}。
(5)布爾運(yùn)算(b)(見(jiàn)圖4(b))1°1個(gè)或邏輯門α測(cè)試θi(i=1,2,…,24)中是否存在取值為1的輸出;2°276個(gè)與非邏輯門βij(1≤i<j≤24)測(cè)試θi=(i=1,2,…,24)中是否存在兩個(gè)或兩個(gè)以上取值為1的輸出;3°1個(gè)與門σ判定DFCN(N+1)<R,A,O>模糊聚類分析結(jié)論的有效性,σ=1表示有效,σ=0表示無(wú)效。
(6)布爾運(yùn)算(c)(見(jiàn)圖4(c))25個(gè)與邏輯門ζk(k=1,2,…,24)輸出識(shí)別結(jié)果。
2.人體染色體自動(dòng)識(shí)別算法實(shí)施過(guò)程(見(jiàn)圖6-7)為闡明實(shí)施例,人體染色體數(shù)字圖象獲取、預(yù)處理及特征選取等公知內(nèi)容也簡(jiǎn)述于人體染色體自動(dòng)識(shí)別與分類實(shí)施過(guò)程,以便較為完整地描述基于動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的人體染色體自動(dòng)識(shí)別計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程。
(1)人體染色體數(shù)字圖象的獲取(見(jiàn)圖7)通過(guò)攝像頭拍攝顯微鏡下待識(shí)別人體染色體的G帶圖象,然后,經(jīng)視頻接口將拍攝的數(shù)字圖象傳送至計(jì)算機(jī),并經(jīng)圖形卡進(jìn)行必要的處理。
(2)人體染色體數(shù)字圖象預(yù)處理(見(jiàn)圖8)1°邊緣基于人體染色體G帶圖象(見(jiàn)圖8(a))提取人體染色體邊緣(見(jiàn)圖8(b));2°中軸線基于人體染色體邊緣提取人體染色體中軸線(見(jiàn)圖8(c));3°著絲點(diǎn)基于人體染色體邊緣及其中軸線搜索人體染色體著絲點(diǎn)位置(見(jiàn)圖8(d)),并計(jì)算染色體的長(zhǎng)臂長(zhǎng)和短臂長(zhǎng)。
(3)人體染色特征選取1°灰度分布基于人體染色體G帶圖象計(jì)算人體染色體沿其中軸線的灰度分布值,并用主元分析法(PCA)選出范化后的10個(gè)主元值d=(d1,d2,…,d10)T;2°長(zhǎng)度Lgh=Nc/Ncmax,其中,Nc為中軸線點(diǎn)數(shù),Ncmax為Nc可能的最大值;3°著絲點(diǎn)指標(biāo)Ci=Sht/Lgh,其中,Sht為人體染色體短臂長(zhǎng)度。
(4)人體染色體12維模糊特征向量X(0)=(x1(0),x2(0)…,x12(0))T=(d1,d2,…,d10,Lng,Ci)T(17)(5)相似關(guān)系計(jì)算X(0)→u相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)按(9)式計(jì)算u=(r01,r02,…,r0,96)T。
(6)將u=(r01,r02,…,r0,96)T傳送至DFCN(N+1)<R,A,O>,并按(10)式形成R。
(7)為DFCN(N+1)<R,A,O>設(shè)置初始狀態(tài)O(0)=(1,0,0,…,0)T∈{0,1}97×1,并按(11)式,從時(shí)刻t=0運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)時(shí)刻t=ts≤96,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)=(1,0,…0,1,1,1,1,0,0,0,0)T∈{0,1}97×1(18)(8)布爾運(yùn)算(a)按(13a-b)式對(duì)DFCN(N+1)<R,A,O>穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)進(jìn)行運(yùn)算,產(chǎn)生滿足(8a-b)式的邏輯運(yùn)算結(jié)果Θ′=(0,…,0,1,1,0,0)T(19a)Θ=(0,…,0,1,0)T(19b)(9)布爾運(yùn)算(b)按(14a-b)式判別DFCN(N+1)<R,A,O>動(dòng)態(tài)模糊聚類分析結(jié)論的有效性,產(chǎn)生邏輯運(yùn)算結(jié)果α=1,βij=1(1≤i<j≤C)和σ=1(10)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型按(15a-b)式輸出對(duì)X(0)的識(shí)別和分類結(jié)果Y=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0)T∈{0,1}25×1(20)即圖8(a)所示的人體染色體屬第23類。
3.動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型自動(dòng)識(shí)別人體染色體的效果動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型自動(dòng)識(shí)別人體染色體的效果因DFCN(N)<R,A,O>所具有的神經(jīng)元數(shù)目N的不同而異。表1(a-b)-表3(a-b)給出了3個(gè)不同規(guī)模的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型自動(dòng)識(shí)別人體染色體的試驗(yàn)數(shù)據(jù),其中表1(a-b)N=24,每一個(gè)染色體類選取1個(gè)樣本;表2(a-b)N=96,每一個(gè)染色體類選取4個(gè)樣本;表3(a-b)N=240,每一個(gè)染色體類選取10個(gè)樣本。
為測(cè)試動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,將人體染色體分為(1)樣本組X={X(k)|k=1,2,…,N}N分別為24,96,240(2)測(cè)試組P={P(k)|k=1,2,…,M}M=720,每一染色體類取30個(gè)染色體分別定義識(shí)別率RID、誤識(shí)率RER和拒識(shí)率RUNRID=IDTotal-----(21a)]]>RER=ERTotal-----(21b)]]>RUN=UNTotal-----(21c)]]>其中,Total為測(cè)試數(shù)據(jù)總數(shù),ID為正確識(shí)別的染色體數(shù),ER為錯(cuò)誤識(shí)別染色體數(shù),UN為未能被識(shí)別(即使y0=1)的染色體數(shù)。
由表1(a-b)-表3(a-b)可產(chǎn)生如下結(jié)論(1)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型能正確識(shí)別作為知識(shí)源的人體染色體樣本;(2)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型通過(guò)控制其閾值向量A可使其誤識(shí)率為零;(3)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的神經(jīng)元數(shù)目N越大,其識(shí)別率越高。
上述試驗(yàn)結(jié)果與發(fā)明人對(duì)動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型所做的理論分析結(jié)論一致。誤識(shí)率為零表明,自動(dòng)識(shí)別人體染色體的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型具有可納性和可應(yīng)用性。
RID=100%RER=0%RUN=0%<
表1(a)
RID=78%RER=0%RUN=22%
表1(b)
RID=87.4%RER=0%RUN=12.6%<
表2(b)
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,作為一種智能計(jì)算方法,以人工神經(jīng)信息處理的方式實(shí)現(xiàn)模糊聚類分析運(yùn)算,特征在于其動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)具有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu),構(gòu)成包括三部分(1)相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)計(jì)算X(0)與X(k)(k=1,2,…,N)相似關(guān)系1°n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)接收X(0)=(x1(0),x2(0),…,xn(0))T;2°N個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)輸出計(jì)算結(jié)果u=(r01,r02,…,r0N)T;3°輸入節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)模式每一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)至所有的輸出節(jié)點(diǎn);第i個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度記為xi(j);n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)與第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度xi(j)(i=1,2,…,n)形成第j個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的中心向量X(j)=(x1(j),x2(j),…,xn(j))T;其中X={X(k)|k=1,2,…,N}N個(gè)染色體樣本經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象預(yù)處理和特征選取后形成的n維模糊特征向量集合,其中,n維模糊特征向量X(k)=(x1(k),x2(k),…,xn(k))T;X(0)=(x1(0),x2(0),…,xn(0))T待識(shí)別染色體經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象預(yù)處理和特征選取后形成的n維模糊特征向量,(2)動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)對(duì)染色體進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算1°神經(jīng)元集合{Nd(k)|k=0,1,2,…,N}神經(jīng)元Nd(k)對(duì)應(yīng)染色體模糊特征向量X(k)(k∈{0,1,2,…,N});2°N階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)DFCN(N)<R,A,O>由{Nd(k)|k=1,2,…,N}構(gòu)成,對(duì)X={X(k)|k=1,2,…,N}進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)染色體樣本理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}(S(k)X);3°(N+1)階動(dòng)態(tài)模糊聚類網(wǎng)絡(luò)DFCN(N+1)<R,A,O>在DFCN(N)<R,A,O>中添加神經(jīng)元Nd(0)形成的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),對(duì)擴(kuò)展集合X={X(k))|k=0,1,2,…,N}進(jìn)行動(dòng)態(tài)模糊聚類分析運(yùn)算,在染色體樣本理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}的約束下對(duì)X(0)進(jìn)行識(shí)別;4°神經(jīng)元聯(lián)結(jié)模式任意兩個(gè)神經(jīng)元Nd(i)和Nd(j)存在聯(lián)結(jié),其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度記為rij∈
,規(guī)定對(duì)稱性rij=rji(i,j∈{0,1,2,…,N}),自反性rii=1(i∈{0,1,2,…,N});其中S={S(k)|k=1,2,…,C}(S(k)X)X={X(k)|k=1,2,…,N}的理想劃分;αk∈(0,1](k=0,1,2,…,N)Nd(k)的閾值;A=(α1,α2,…,αN)TDFCN(N)<R,A,O>閾值向量;A=(α0,α1,α2,…,αN)TDFCN(N+1)<R,A,O>閾值向量;R={rij}N×N∈
N×NDFCN(N)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣,當(dāng)rij(i,j∈{1,2,…,N})為X(i)與X(j)的相似關(guān)系時(shí),R為X×X上的模糊相似關(guān)系;R={rij}0≤i,j≤N∈
(N+1)×(N+1)DFCN(N+1)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣,當(dāng)rij(i,j∈{0,1,2,…,N})為X(i)與X(j)的相似關(guān)系時(shí),R為X×X上的模糊相似關(guān)系;oi(t)∈{0,1}(k=0,1,2,…,N)Nd(k)在t時(shí)刻的狀態(tài);O(t)=(o1(t),o2(t),…,oN(t))TDFCN(N)<R,A,O>在t時(shí)刻的狀態(tài);O(t)=(o0(t),o1(t),o2(t),…,oN(t))TDFCN(N+1)<R,A,O>在t時(shí)刻的狀態(tài);(3)布爾邏輯運(yùn)算電路1°布爾運(yùn)算(a)實(shí)現(xiàn)理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C};2°布爾運(yùn)算(b)判定DFCN(N+1)<R,A,O>模糊聚類分析結(jié)論的有效性;3°布爾運(yùn)算(c)輸出識(shí)別結(jié)果Y=(y0,y1,y2,…,yC)T∈{0,1}(C+1)×1,其中,yk(k=1,2,…,N)分別代表染色體各類別,特別地,y0代表非染色體類。
2.一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,其以自組織的方式學(xué)習(xí)染色體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)的方法,特征在于染色體樣本集合X={X(k)|k=1,2,…,N}的理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C}由DFCN(N)<R,A,O>和布爾運(yùn)算(a)實(shí)現(xiàn),其實(shí)現(xiàn)過(guò)程依如下步驟進(jìn)行Step1.為理想劃分選擇可實(shí)現(xiàn)的子劃分S′={S′(k)|k=1,2,…,C′}(C≤C′≤N),使S(k)={S′(Ωk+i)|Ωk=Σi=0k-1mi;i=1,2,…,mk}(k=1,2,…,C)-----(1)]]>其中,0=m0<m1≤m2≤…≤mC,∑i=1Cmi=C′,(C≤C′≤N);Step2.對(duì)X={X(k)|k=1,2,…,N}進(jìn)行適當(dāng)排序,使子劃分S′滿足S′(k)={X(ΔK+i)|Δk=Σi=0k-1ni;i=1,2,…,nk}(k=1,2,…,C′)-----(2)]]>其中,0=n0<n1≤n2≤…≤nC′,∑i=1C′ni=N;Step3.計(jì)算X×X上染色體樣本特征向量的模糊相似關(guān)系R={rij}N×Nrij=1-1nΣk=1n(xk(i)-xk(j))2(i,j∈{1,2,…,N})-----(3)]]>并將其作為DFCN(N)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣;Step4.調(diào)節(jié)DFCN(N)<R,A,O>閾值向量A=(α1,α2,…,αN)T,使對(duì)任意給定的k∈{1,2,…,N},當(dāng)DFCN(N)<R,A,O>初始狀態(tài)
時(shí),其穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)=(o1(ts),o2(ts),…,oN(ts))T滿足
其中,DFCN(N)<R,A,O>按(5)式所示的動(dòng)態(tài)并行算法運(yùn)行
“°”表示max-min模糊運(yùn)算,穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)滿足O(ts+1)=O(ts); (6)Step5.當(dāng)DFCN(N)<R,A,O>達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,布爾運(yùn)算(a)開(kāi)式進(jìn)行始按(7)式工作
其“AND”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)理想子劃分S′={S′(k)|k=1,2,…,C′},滿足
而“OR”運(yùn)算實(shí)現(xiàn)理想劃分S={S(k)|k=1,2,…,C},滿足Θ=(θ1,θ2,…,θC)T=(0,…,0,1jth,0,…,0)TX(k)∈S(j).------(8b)]]>
3.一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型,用于識(shí)別染色體模式時(shí),其特征在于采用如下步驟完成Step1.輸入X(0)=(x1(0)x2(0)…,xn(0))T;Step2.相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)計(jì)算X(0)與X(k)(k=1,2,…,N)的相似關(guān)系r0k=1-1nΣi=1n(xi(0)-xi(k))2(k∈{1,2,…,N});-----(9)]]>Step3.相似關(guān)系計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出計(jì)算結(jié)果u=(r01,r02,…,r0N)T,并將其遞給DFCN(N+1)<R,A,O>,形成DFCN(N+1)<R,A,O>的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度矩陣R_=r00(=1)uTuR;-----(10)]]>Step4.初始化DFCN(N+1)<R,A,O>令t=0,設(shè)置DFCN(N+1)<R,A,O>的初始狀態(tài)O(0)=(1,0,0,…,0)T∈{0,1}(N+1)×1;Step5.DFCN(N+1)<R,A,O>按(11)式所示的動(dòng)態(tài)并行算法運(yùn)行
其中,DFCN(N+1)<R,A,O>的閾值向量
Step6.若O(t+1)≠O(t),則令t=t+1,并轉(zhuǎn)向Step5;Step7.令ts=t+1,記錄穩(wěn)定狀態(tài)O(ts)=O(t+1);Step8.布爾運(yùn)算(a)按(13)式開(kāi)始工作
Step9.布爾運(yùn)算(b)按(14a-c)式判別DFCN(N+1)<R,A,O>動(dòng)態(tài)模糊聚類分析結(jié)論的有效性α=θ1∨θ2∨…∨θC(14a)βij=θi∧θj(1≤i<j≤C)(14b)σ=(Λ1≤j≤Cβij)Λα-----(14c)]]>其中,α測(cè)試θi(i=1,2,…,C)中是否存在取值為1的輸出,βij(1≤i<j≤C)測(cè)試θi(i=1,2,…,C)中是否存在兩個(gè)或兩個(gè)以上取值為1的輸出,σ用于判定DFCN(N+1)<R,A,O>模糊聚類分析結(jié)論的有效性,σ=1表示有效,σ=0表示無(wú)效;Step10.布爾運(yùn)算(c)按(15a-b)式輸出動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型對(duì)X(0)的識(shí)別結(jié)果y0=o0(ts)∧σ(15a)yk=θk∧σ(k=1,2,…,C) (15b)Y中只有1個(gè)元素取值為1,其余取值為0,若yk=1(k∈{1,2,…,C}),則X(0)描述的染色體屬于第k染色體類,特別的,y0=1意味著X(0)屬于非染色體類。
全文摘要
一種自動(dòng)識(shí)別人體染色體模式的動(dòng)態(tài)神經(jīng)元模糊計(jì)算模型屬模式識(shí)別與信息處理技術(shù)領(lǐng)域,其主要特征在于:(1)神經(jīng)元Nd
文檔編號(hào)G06N3/02GK1259714SQ00100140
公開(kāi)日2000年7月12日 申請(qǐng)日期2000年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月13日
發(fā)明者阮曉鋼 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)