Visual analytics methods for shape analysis of biomedical images exemplified on rodent skull morphology

In morphometrics and its application fields like medicine and biology experts are interested in causal relations of variation in organismic shape to phylogenetic, ecological, geographical, epidemiological or disease factors - or put more succinctly by Fred L. Bookstein, morphometrics is "the study of covariances of biological form". In order to reveal causes for shape variability, targeted statistical analysis correlating shape features against external and internal factors is necessary but due to the complexity of the problem often not feasible in an automated way. Therefore, a visual analytics approach is proposed in this thesis that couples interactive visualizations with automated statistical analyses in order to stimulate generation and qualitative assessment of hypotheses on relevant shape features and their potentially affecting factors. To this end long established morphometric techniques are combined with recent shape modeling approaches from geometry processing and medical imaging, leading to novel visual analytics methods for shape analysis. When used in concert these methods facilitate targeted analysis of characteristic shape differences between groups, co-variation between different structures on the same anatomy and correlation of shape to extrinsic attributes. Here a special focus is put on accurate modeling and interactive rendering of image deformations at high spatial resolution, because that allows for faithful representation and communication of diminutive shape features, large shape differences and volumetric structures. The utility of the presented methods is demonstrated in case studies conducted together with a collaborating morphometrics expert. As exemplary model structure serves the rodent skull and its mandible that are assessed via computed tomography scans

Graph matching using position coordinates and local features for image analysis

Encontrar las correspondencias entre dos imágenes es un problema crucial en el campo de la visión por ordenador i el reconocimiento de patrones. Es relevante para un amplio rango de propósitos des de aplicaciones de reconocimiento de objetos en las áreas de biometría, análisis de documentos i análisis de formas hasta aplicaciones relacionadas con la geometría desde múltiples puntos de vista tales cómo la recuperación de la pose, estructura desde el movimiento y localización y mapeo. La mayoría de las técnicas existentes enfocan este problema o bien usando características locales en la imagen o bien usando métodos de registro de conjuntos de puntos (o bien una mezcla de ambos). En las primeras, un conjunto disperso de características es primeramente extraído de las imágenes y luego caracterizado en la forma de vectores descriptores usando evidencias locales de la imagen. Las características son asociadas según la similitud entre sus descriptores. En las segundas, los conjuntos de características son considerados cómo conjuntos de puntos los cuales son asociados usando técnicas de optimización no lineal. Estos son procedimientos iterativos que estiman los parámetros de correspondencia y de alineamiento en pasos alternados. Los grafos son representaciones que contemplan relaciones binarias entre las características. Tener en cuenta relaciones binarias al problema de la correspondencia a menudo lleva al llamado problema del emparejamiento de grafos. Existe cierta cantidad de métodos en la literatura destinados a encontrar soluciones aproximadas a diferentes instancias del problema de emparejamiento de grafos, que en la mayoría de casos es del tipo "NP-hard". El cuerpo de trabajo principal de esta tesis está dedicado a formular ambos problemas de asociación de características de imagen y registro de conjunto de puntos como instancias del problema de emparejamiento de grafos. En todos los casos proponemos algoritmos aproximados para solucionar estos problemas y nos comparamos con un número de métodos existentes pertenecientes a diferentes áreas como eliminadores de "outliers", métodos de registro de conjuntos de puntos y otros métodos de emparejamiento de grafos. Los experimentos muestran que en la mayoría de casos los métodos propuestos superan al resto. En ocasiones los métodos propuestos o bien comparten el mejor rendimiento con algún método competidor o bien obtienen resultados ligeramente peores. En estos casos, los métodos propuestos normalmente presentan tiempos computacionales inferiores.Trobar les correspondències entre dues imatges és un problema crucial en el camp de la visió per ordinador i el reconeixement de patrons. És rellevant per un ampli ventall de propòsits des d’aplicacions de reconeixement d’objectes en les àrees de biometria, anàlisi de documents i anàlisi de formes fins aplicacions relacionades amb geometria des de múltiples punts de vista tals com recuperació de pose, estructura des del moviment i localització i mapeig. La majoria de les tècniques existents enfoquen aquest problema o bé usant característiques locals a la imatge o bé usant mètodes de registre de conjunts de punts (o bé una mescla d’ambdós). En les primeres, un conjunt dispers de característiques és primerament extret de les imatges i després caracteritzat en la forma de vectors descriptors usant evidències locals de la imatge. Les característiques son associades segons la similitud entre els seus descriptors. En les segones, els conjunts de característiques son considerats com conjunts de punts els quals son associats usant tècniques d’optimització no lineal. Aquests son procediments iteratius que estimen els paràmetres de correspondència i d’alineament en passos alternats. Els grafs son representacions que contemplen relacions binaries entre les característiques. Tenir en compte relacions binàries al problema de la correspondència sovint porta a l’anomenat problema de l’emparellament de grafs. Existeix certa quantitat de mètodes a la literatura destinats a trobar solucions aproximades a diferents instàncies del problema d’emparellament de grafs, el qual en la majoria de casos és del tipus “NP-hard”. Una part del nostre treball està dedicat a investigar els beneficis de les mesures de ``bins'' creuats per a la comparació de característiques locals de les imatges. La resta està dedicat a formular ambdós problemes d’associació de característiques d’imatge i registre de conjunt de punts com a instàncies del problema d’emparellament de grafs. En tots els casos proposem algoritmes aproximats per solucionar aquests problemes i ens comparem amb un nombre de mètodes existents pertanyents a diferents àrees com eliminadors d’“outliers”, mètodes de registre de conjunts de punts i altres mètodes d’emparellament de grafs. Els experiments mostren que en la majoria de casos els mètodes proposats superen a la resta. En ocasions els mètodes proposats o bé comparteixen el millor rendiment amb algun mètode competidor o bé obtenen resultats lleugerament pitjors. En aquests casos, els mètodes proposats normalment presenten temps computacionals inferiors

Pattern Recognition

A wealth of advanced pattern recognition algorithms are emerging from the interdiscipline between technologies of effective visual features and the human-brain cognition process. Effective visual features are made possible through the rapid developments in appropriate sensor equipments, novel filter designs, and viable information processing architectures. While the understanding of human-brain cognition process broadens the way in which the computer can perform pattern recognition tasks. The present book is intended to collect representative researches around the globe focusing on low-level vision, filter design, features and image descriptors, data mining and analysis, and biologically inspired algorithms. The 27 chapters coved in this book disclose recent advances and new ideas in promoting the techniques, technology and applications of pattern recognition

Detection of pathologies in retina digital images an empirical mode decomposition approach

Accurate automatic detection of pathologies in retina digital images offers a promising approach in clinicalapplications. This thesis employs the discrete wavelet transform (DWT) and empirical mode decomposition (EMD) to extract six statistical textural features from retina digital images. The statistical features are the mean, standard deviation, smoothness, third moment, uniformity, and entropy. The purpose is to classify normal and abnormal images. Five different pathologies are considered. They are Artery sheath (Coat’s disease), blot hemorrhage, retinal degeneration (circinates), age-related macular degeneration (drusens), and diabetic retinopathy (microaneurysms and exudates). Four classifiers are employed; including support vector machines (SVM), quadratic discriminant analysis (QDA), k-nearest neighbor algorithm (k-NN), and probabilistic neural networks (PNN). For each experiment, ten random folds are generated to perform cross-validation tests. In order to assess the performance of the classifiers, the average and standard deviation of the correct recognition rate, sensitivity and specificity are computed for each simulation. The experimental results highlight two main conclusions. First, they show the outstanding performance of EMD over DWT with all classifiers. Second, they demonstrate the superiority of the SVM classifier over QDA, k-NN, and PNN. Finally, principal component analysis (PCA) was employed to reduce the number of features in hope to improve the accuracy of classifiers. We find that there is no general and significant improvement of the performance, however. In sum, the EMD-SVM system provides a promising approach for the detection of pathologies in digital retina

Spectral and spatial methods for the classification of urban remote sensing data

Lors de ces travaux, nous nous sommes intéressés au problème de la classification supervisée d'images satellitaires de zones urbaines. Les données traitées sont des images optiques à très hautes résolutions spatiales: données panchromatiques à très haute résolution spatiale (IKONOS, QUICKBIRD, simulations PLEIADES) et des images hyperspectrales (DAIS, ROSIS). Deux stratégies ont été proposées. La première stratégie consiste en une phase d'extraction de caractéristiques spatiales et spectrales suivie d'une phase de classification. Ces caractéristiques sont extraites par filtrages morphologiques : ouvertures et fermetures géodésiques et filtrages surfaciques auto-complémentaires. La classification est réalisée avec les machines à vecteurs supports (SVM) non linéaires. Nous proposons la définition d'un noyau spatio-spectral utilisant de manière conjointe l'information spatiale et l'information spectrale extraites lors de la première phase. La seconde stratégie consiste en une phase de fusion de données pre- ou post-classification. Lors de la fusion postclassification, divers classifieurs sont appliqués, éventuellement sur plusieurs données issues d'une même scène (image panchromat ique, image multi-spectrale). Pour chaque pixel, l'appartenance à chaque classe est estimée à l'aide des classifieurs. Un schéma de fusion adaptatif permettant d'utiliser l'information sur la fiabilité locale de chaque classifieur, mais aussi l'information globale disponible a priori sur les performances de chaque algorithme pour les différentes classes, est proposé. Les différents résultats sont fusionnés à l'aide d'opérateurs flous. Les méthodes ont été validées sur des images réelles. Des améliorations significatives sont obtenues par rapport aux méthodes publiées dans la litterature

Colour morphology and its approaches

Mathematical morphology was first applied to binary images and readily extended to grey-level images. In extending mathematical morphology to colour it is difficult to define a suitable unambiguous ordering. We present two complete ordering schemes based on colour difference and similarity ordering for colour morphology. A novel colour difference formula is first introduced. This colour difference formula is based on colour extrema derived from a simple physical model of image formation and avoids the more arbitrary mathematical and perceptual definitions previously reported. Moreover, we define similarity criteria as the basis for mathematical morphology that can be used with flat and non-flat structuring elements. The proposed orderings meet the properties of mathematical morphology, and provide a harmonised approach for binary, grey-level and colour morphology. A comparison of ordering schemes for dilation, erosion, opening, closing and filtering operator shows the colour difference-based ordering presented here to be at least as good as other ordering schemes and better than some of the well principled, previously reported methods in not generating artefacts and reducing image noise. Additionally, the development of a similarity-based ordering to perform morphological gradient and Hit-or-Miss transforms for colour images is presented