Representability of algebraic topology for biomolecules in machine learning based scoring and virtual screening

This work introduces a number of algebraic topology approaches, such as multicomponent persistent homology, multi-level persistent homology and electrostatic persistence for the representation, characterization, and description of small molecules and biomolecular complexes. Multicomponent persistent homology retains critical chemical and biological information during the topological simplification of biomolecular geometric complexity. Multi-level persistent homology enables a tailored topological description of inter- and/or intra-molecular interactions of interest. Electrostatic persistence incorporates partial charge information into topological invariants. These topological methods are paired with Wasserstein distance to characterize similarities between molecules and are further integrated with a variety of machine learning algorithms, including k-nearest neighbors, ensemble of trees, and deep convolutional neural networks, to manifest their descriptive and predictive powers for chemical and biological problems. Extensive numerical experiments involving more than 4,000 protein-ligand complexes from the PDBBind database and near 100,000 ligands and decoys in the DUD database are performed to test respectively the scoring power and the virtual screening power of the proposed topological approaches. It is demonstrated that the present approaches outperform the modern machine learning based methods in protein-ligand binding affinity predictions and ligand-decoy discrimination

MANIFOLD REPRESENTATIONS OF MUSICAL SIGNALS AND GENERATIVE SPACES

Tra i diversi campi di ricerca nell\u2019ambito dell\u2019informatica musicale, la sintesi e la generazione di segnali audio incarna la pluridisciplinalita\u300 di questo settore, nutrendo insieme le pratiche scientifiche e musicale dalla sua creazione. Inerente all\u2019informatica dalla sua creazione, la generazione audio ha ispirato numerosi approcci, evolvendo colle pratiche musicale e gli progressi tecnologici e scientifici. Inoltre, alcuni processi di sintesi permettono anche il processo inverso, denominato analisi, in modo che i parametri di sintesi possono anche essere parzialmente o totalmente estratti dai suoni, dando una rappresentazione alternativa ai segnali analizzati. Per di piu\u300, la recente ascesa dei algoritmi di l\u2019apprendimento automatico ha vivamente interrogato il settore della ricerca scientifica, fornendo potenti data-centered metodi che sollevavano diversi epistemologici interrogativi, nonostante i sui efficacia. Particolarmente, un tipo di metodi di apprendimento automatico, denominati modelli generativi, si concentrano sulla generazione di contenuto originale usando le caratteristiche che hanno estratti dei dati analizzati. In tal caso, questi modelli non hanno soltanto interrogato i precedenti metodi di generazione, ma anche sul modo di integrare questi algoritmi nelle pratiche artistiche. Mentre questi metodi sono progressivamente introdotti nel settore del trattamento delle immagini, la loro applicazione per la sintesi di segnali audio e ancora molto marginale. In questo lavoro, il nostro obiettivo e di proporre un nuovo metodo di audio sintesi basato su questi nuovi tipi di generativi modelli, rafforazti dalle nuove avanzati dell\u2019apprendimento automatico. Al primo posto, facciamo una revisione dei approcci esistenti nei settori dei sistemi generativi e di sintesi sonore, focalizzando sul posto di nostro lavoro rispetto a questi disciplini e che cosa possiamo aspettare di questa collazione. In seguito, studiamo in maniera piu\u300 precisa i modelli generativi, e come possiamo utilizzare questi recenti avanzati per l\u2019apprendimento di complesse distribuzione di suoni, in un modo che sia flessibile e nel flusso creativo del utente. Quindi proponiamo un processo di inferenza / generazione, il quale rifletta i processi di analisi/sintesi che sono molto usati nel settore del trattamento del segnale audio, usando modelli latenti, che sono basati sull\u2019utilizzazione di un spazio continuato di alto livello, che usiamo per controllare la generazione. Studiamo dapprima i risultati preliminari ottenuti con informazione spettrale estratte da diversi tipi di dati, che valutiamo qualitativamente e quantitativamente. Successiva- mente, studiamo come fare per rendere questi metodi piu\u300 adattati ai segnali audio, fronteggiando tre diversi aspetti. Primo, proponiamo due diversi metodi di regolarizzazione di questo generativo spazio che sono specificamente sviluppati per l\u2019audio : una strategia basata sulla traduzione segnali / simboli, e una basata su vincoli percettivi. Poi, proponiamo diversi metodi per fronteggiare il aspetto temporale dei segnali audio, basati sull\u2019estrazione di rappresentazioni multiscala e sulla predizione, che permettono ai generativi spazi ottenuti di anche modellare l\u2019aspetto dinamico di questi segnali. Per finire, cambiamo il nostro approccio scientifico per un punto di visto piu\u301 ispirato dall\u2019idea di ricerca e creazione. Primo, descriviamo l\u2019architettura e il design della nostra libreria open-source, vsacids, sviluppata per permettere a esperti o non-esperti musicisti di provare questi nuovi metodi di sintesi. Poi, proponiamo una prima utilizzazione del nostro modello con la creazione di una performance in real- time, chiamata \ue6go, basata insieme sulla nostra libreria vsacids e sull\u2019uso di une agente di esplorazione, imparando con rinforzo nel corso della composizione. Finalmente, tramo dal lavoro presentato alcuni conclusioni sui diversi modi di migliorare e rinforzare il metodo di sintesi proposto, nonche\u301 eventuale applicazione artistiche.Among the diverse research fields within computer music, synthesis and generation of audio signals epitomize the cross-disciplinarity of this domain, jointly nourishing both scientific and artistic practices since its creation. Inherent in computer music since its genesis, audio generation has inspired numerous approaches, evolving both with musical practices and scientific/technical advances. Moreover, some syn- thesis processes also naturally handle the reverse process, named analysis, such that synthesis parameters can also be partially or totally extracted from actual sounds, and providing an alternative representation of the analyzed audio signals. On top of that, the recent rise of machine learning algorithms earnestly questioned the field of scientific research, bringing powerful data-centred methods that raised several epistemological questions amongst researchers, in spite of their efficiency. Especially, a family of machine learning methods, called generative models, are focused on the generation of original content using features extracted from an existing dataset. In that case, such methods not only questioned previous approaches in generation, but also the way of integrating this methods into existing creative processes. While these new generative frameworks are progressively introduced in the domain of image generation, the application of such generative techniques in audio synthesis is still marginal. In this work, we aim to propose a new audio analysis-synthesis framework based on these modern generative models, enhanced by recent advances in machine learning. We first review existing approaches, both in sound synthesis and in generative machine learning, and focus on how our work inserts itself in both practices and what can be expected from their collation. Subsequently, we focus a little more on generative models, and how modern advances in the domain can be exploited to allow us learning complex sound distributions, while being sufficiently flexible to be integrated in the creative flow of the user. We then propose an inference / generation process, mirroring analysis/synthesis paradigms that are natural in the audio processing domain, using latent models that are based on a continuous higher-level space, that we use to control the generation. We first provide preliminary results of our method applied on spectral information, extracted from several datasets, and evaluate both qualitatively and quantitatively the obtained results. Subsequently, we study how to make these methods more suitable for learning audio data, tackling successively three different aspects. First, we propose two different latent regularization strategies specifically designed for audio, based on and signal / symbol translation and perceptual constraints. Then, we propose different methods to address the inner temporality of musical signals, based on the extraction of multi-scale representations and on prediction, that allow the obtained generative spaces that also model the dynamics of the signal. As a last chapter, we swap our scientific approach to a more research & creation-oriented point of view: first, we describe the architecture and the design of our open-source library, vsacids, aiming to be used by expert and non-expert music makers as an integrated creation tool. Then, we propose an first musical use of our system by the creation of a real-time performance, called aego, based jointly on our framework vsacids and an explorative agent using reinforcement learning to be trained during the performance. Finally, we draw some conclusions on the different manners to improve and reinforce the proposed generation method, as well as possible further creative applications.A\u300 travers les diffe\u301rents domaines de recherche de la musique computationnelle, l\u2019analysie et la ge\u301ne\u301ration de signaux audio sont l\u2019exemple parfait de la trans-disciplinarite\u301 de ce domaine, nourrissant simultane\u301ment les pratiques scientifiques et artistiques depuis leur cre\u301ation. Inte\u301gre\u301e a\u300 la musique computationnelle depuis sa cre\u301ation, la synthe\u300se sonore a inspire\u301 de nombreuses approches musicales et scientifiques, e\u301voluant de pair avec les pratiques musicales et les avance\u301es technologiques et scientifiques de son temps. De plus, certaines me\u301thodes de synthe\u300se sonore permettent aussi le processus inverse, appele\u301 analyse, de sorte que les parame\u300tres de synthe\u300se d\u2019un certain ge\u301ne\u301rateur peuvent e\u302tre en partie ou entie\u300rement obtenus a\u300 partir de sons donne\u301s, pouvant ainsi e\u302tre conside\u301re\u301s comme une repre\u301sentation alternative des signaux analyse\u301s. Paralle\u300lement, l\u2019inte\u301re\u302t croissant souleve\u301 par les algorithmes d\u2019apprentissage automatique a vivement questionne\u301 le monde scientifique, apportant de puissantes me\u301thodes d\u2019analyse de donne\u301es suscitant de nombreux questionnements e\u301piste\u301mologiques chez les chercheurs, en de\u301pit de leur effectivite\u301 pratique. En particulier, une famille de me\u301thodes d\u2019apprentissage automatique, nomme\u301e mode\u300les ge\u301ne\u301ratifs, s\u2019inte\u301ressent a\u300 la ge\u301ne\u301ration de contenus originaux a\u300 partir de caracte\u301ristiques extraites directement des donne\u301es analyse\u301es. Ces me\u301thodes n\u2019interrogent pas seulement les approches pre\u301ce\u301dentes, mais aussi sur l\u2019inte\u301gration de ces nouvelles me\u301thodes dans les processus cre\u301atifs existants. Pourtant, alors que ces nouveaux processus ge\u301ne\u301ratifs sont progressivement inte\u301gre\u301s dans le domaine la ge\u301ne\u301ration d\u2019image, l\u2019application de ces techniques en synthe\u300se audio reste marginale. Dans cette the\u300se, nous proposons une nouvelle me\u301thode d\u2019analyse-synthe\u300se base\u301s sur ces derniers mode\u300les ge\u301ne\u301ratifs, depuis renforce\u301s par les avance\u301es modernes dans le domaine de l\u2019apprentissage automatique. Dans un premier temps, nous examinerons les approches existantes dans le domaine des syste\u300mes ge\u301ne\u301ratifs, sur comment notre travail peut s\u2019inse\u301rer dans les pratiques de synthe\u300se sonore existantes, et que peut-on espe\u301rer de l\u2019hybridation de ces deux approches. Ensuite, nous nous focaliserons plus pre\u301cise\u301ment sur comment les re\u301centes avance\u301es accomplies dans ce domaine dans ce domaine peuvent e\u302tre exploite\u301es pour l\u2019apprentissage de distributions sonores complexes, tout en e\u301tant suffisamment flexibles pour e\u302tre inte\u301gre\u301es dans le processus cre\u301atif de l\u2019utilisateur. Nous proposons donc un processus d\u2019infe\u301rence / g\ue9n\ue9ration, refle\u301tant les paradigmes d\u2019analyse-synthe\u300se existant dans le domaine de ge\u301ne\u301ration audio, base\u301 sur l\u2019usage de mode\u300les latents continus que l\u2019on peut utiliser pour contro\u302ler la ge\u301ne\u301ration. Pour ce faire, nous e\u301tudierons de\u301ja\u300 les re\u301sultats pre\u301liminaires obtenus par cette me\u301thode sur l\u2019apprentissage de distributions spectrales, prises d\u2019ensembles de donne\u301es diversifie\u301s, en adoptant une approche a\u300 la fois quantitative et qualitative. Ensuite, nous proposerons d\u2019ame\u301liorer ces me\u301thodes de manie\u300re spe\u301cifique a\u300 l\u2019audio sur trois aspects distincts. D\u2019abord, nous proposons deux strate\u301gies de re\u301gularisation diffe\u301rentes pour l\u2019analyse de signaux audio : une base\u301e sur la traduction signal/ symbole, ainsi qu\u2019une autre base\u301e sur des contraintes perceptives. Nous passerons par la suite a\u300 la dimension temporelle de ces signaux audio, proposant de nouvelles me\u301thodes base\u301es sur l\u2019extraction de repre\u301sentations temporelles multi-e\u301chelle et sur une ta\u302che supple\u301mentaire de pre\u301diction, permettant la mode\u301lisation de caracte\u301ristiques dynamiques par les espaces ge\u301ne\u301ratifs obtenus. En dernier lieu, nous passerons d\u2019une approche scientifique a\u300 une approche plus oriente\u301e vers un point de vue recherche & cre\u301ation. Premie\u300rement, nous pre\u301senterons notre librairie open-source, vsacids, visant a\u300 e\u302tre employe\u301e par des cre\u301ateurs experts et non-experts comme un outil inte\u301gre\u301. Ensuite, nous proposons une premie\u300re utilisation musicale de notre syste\u300me par la cre\u301ation d\u2019une performance temps re\u301el, nomme\u301e \ue6go, base\u301e a\u300 la fois sur notre librarie et sur un agent d\u2019exploration appris dynamiquement par renforcement au cours de la performance. Enfin, nous tirons les conclusions du travail accompli jusqu\u2019a\u300 maintenant, concernant les possibles ame\u301liorations et de\u301veloppements de la me\u301thode de synthe\u300se propose\u301e, ainsi que sur de possibles applications cre\u301atives

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

Biometric Systems

Because of the accelerating progress in biometrics research and the latest nation-state threats to security, this book's publication is not only timely but also much needed. This volume contains seventeen peer-reviewed chapters reporting the state of the art in biometrics research: security issues, signature verification, fingerprint identification, wrist vascular biometrics, ear detection, face detection and identification (including a new survey of face recognition), person re-identification, electrocardiogram (ECT) recognition, and several multi-modal systems. This book will be a valuable resource for graduate students, engineers, and researchers interested in understanding and investigating this important field of study