Precise identification of objects in a hyperspectral image by characterizing the distribution of pure signatures

Hyperspectral image (HSI) has been widely adopted in many real-world applications due to its potential to provide detailed information from spectral and spatial data in each pixel. However, precise classification of an object from HSI is challenging due to complex and highly correlated features that exhibit a nonlinear relationship between the acquired spectral unique to the HSI object. In literature, many research works have been conducted to address this problem. However, the problem of processing high-dimensional data and achieving the best resolution factor for any set of regions remains to be evolved with a suitable strategy. Therefore, the proposed study introduces simplified modeling of the hyperspectral image in which precise detection of regions is carried out based on the characterization of pure signatures based on the estimation of the maximum pixel mixing ratio. Moreover, the proposed system emphasizes the pixel unmixing problem, where input data is processed concerning wavelength computation, feature extraction, and hypercube construction. Further, a non-iterative matrix-based operation with a linear square method is performed to classify the region from the input hyperspectral image. The simulation outcome exhibits efficient and precise object classification is achieved by the proposed system in terms classified HSI object and processing time

Hyperspectral Image Unmixing Incorporating Adjacency Information

While the spectral information contained in hyperspectral images is rich, the spatial resolution of such images is in many cases very low. Many pixel spectra are mixtures of pure materials’ spectra and therefore need to be decomposed into their constituents. This work investigates new decomposition methods taking into account spectral, spatial and global 3D adjacency information. This allows for faster and more accurate decomposition results

From representation learning to thematic classification - Application to hierarchical analysis of hyperspectral images

Numerous frameworks have been developed in order to analyze the increasing amount of available image data. Among those methods, supervised classification has received considerable attention leading to the development of state-of-the-art classification methods. These methods aim at inferring the class of each observation given a specific class nomenclature by exploiting a set of labeled observations. Thanks to extensive research efforts of the community, classification methods have become very efficient. Nevertheless, the results of a classification remains a highlevel interpretation of the scene since it only gives a single class to summarize all information in a given pixel. Contrary to classification methods, representation learning methods are model-based approaches designed especially to handle high-dimensional data and extract meaningful latent variables. By using physic-based models, these methods allow the user to extract very meaningful variables and get a very detailed interpretation of the considered image. The main objective of this thesis is to develop a unified framework for classification and representation learning. These two methods provide complementary approaches allowing to address the problem using a hierarchical modeling approach. The representation learning approach is used to build a low-level model of the data whereas classification is used to incorporate supervised information and may be seen as a high-level interpretation of the data. Two different paradigms, namely Bayesian models and optimization approaches, are explored to set up this hierarchical model. The proposed models are then tested in the specific context of hyperspectral imaging where the representation learning task is specified as a spectral unmixing proble

Hierarchical Bayesian image analysis: from low-level modeling to robust supervised learning

Within a supervised classification framework, labeled data are used to learn classifier parameters. Prior to that, it is generally required to perform dimensionality reduction via feature extraction. These preprocessing steps have motivated numerous research works aiming at recovering latent variables in an unsupervised context. This paper proposes a unified framework to perform classification and low-level modeling jointly. The main objective is to use the estimated latent variables as features for classification and to incorporate simultaneously supervised information to help latent variable extraction. The proposed hierarchical Bayesian model is divided into three stages: a first low-level modeling stage to estimate latent variables, a second stage clustering these features into statistically homogeneous groups and a last classification stage exploiting the (possibly badly) labeled data. Performance of the model is assessed in the specific context of hyperspectral image interpretation, unifying two standard analysis techniques, namely unmixing and classification

Factor analysis of dynamic PET images

Thanks to its ability to evaluate metabolic functions in tissues from the temporal evolution of a previously injected radiotracer, dynamic positron emission tomography (PET) has become an ubiquitous analysis tool to quantify biological processes. Several quantification techniques from the PET imaging literature require a previous estimation of global time-activity curves (TACs) (herein called \textit{factors}) representing the concentration of tracer in a reference tissue or blood over time. To this end, factor analysis has often appeared as an unsupervised learning solution for the extraction of factors and their respective fractions in each voxel. Inspired by the hyperspectral unmixing literature, this manuscript addresses two main drawbacks of general factor analysis techniques applied to dynamic PET. The first one is the assumption that the elementary response of each tissue to tracer distribution is spatially homogeneous. Even though this homogeneity assumption has proven its effectiveness in several factor analysis studies, it may not always provide a sufficient description of the underlying data, in particular when abnormalities are present. To tackle this limitation, the models herein proposed introduce an additional degree of freedom to the factors related to specific binding. To this end, a spatially-variant perturbation affects a nominal and common TAC representative of the high-uptake tissue. This variation is spatially indexed and constrained with a dictionary that is either previously learned or explicitly modelled with convolutional nonlinearities affecting non-specific binding tissues. The second drawback is related to the noise distribution in PET images. Even though the positron decay process can be described by a Poisson distribution, the actual noise in reconstructed PET images is not expected to be simply described by Poisson or Gaussian distributions. Therefore, we propose to consider a popular and quite general loss function, called the $\beta$-divergence, that is able to generalize conventional loss functions such as the least-square distance, Kullback-Leibler and Itakura-Saito divergences, respectively corresponding to Gaussian, Poisson and Gamma distributions. This loss function is applied to three factor analysis models in order to evaluate its impact on dynamic PET images with different reconstruction characteristics

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Analyse de séries temporelles d’images à moyenne résolution spatiale : reconstruction de profils de LAI, démélangeage : application pour le suivi de la végétation sur des images MODIS

This PhD dissertation is concerned with time series analysis for medium spatial resolution (MSR) remote sensing images. The main advantage of MSR data is their high temporal rate which allows to monitor land use. However, two main problems arise with such data. First, because of cloud coverage and bad acquisition conditions, the resulting time series are often corrupted and not directly exploitable. Secondly, pixels in medium spatial resolution images are often “mixed” in the sense that the spectral response is a combination of the response of “pure” elements.These two problems are addressed in this PhD. First, we propose a data assimilation technique able to recover consistent time series of Leaf Area Index from corrupted MODIS sequences. To this end, a plant growth model, namely GreenLab, is used as a dynamical constraint. Second, we propose a new and efficient unmixing technique for time series. It is in particular based on the use of “elastic” kernels able to properly compare time series shifted in time or of various lengths.Experimental results are shown both on synthetic and real data and demonstrate the efficiency of the proposed methodologies.Cette thèse s’intéresse à l’analyse de séries temporelles d’images satellites à moyenne résolution spatiale. L’intérêt principal de telles données est leur haute répétitivité qui autorise des analyses de l’usage des sols. Cependant, deux problèmes principaux subsistent avec de telles données. En premier lieu, en raison de la couverture nuageuse, des mauvaises conditions d’acquisition, ..., ces données sont souvent très bruitées. Deuxièmement, les pixels associés à la moyenne résolution spatiale sont souvent “mixtes” dans la mesure où leur réponse spectrale est une combinaison de la réponse de plusieurs éléments “purs”. Ces deux problèmes sont abordés dans cette thèse. Premièrement, nous proposons une technique d’assimilation de données capable de recouvrer des séries temporelles cohérentes de LAI (Leaf Area Index) à partir de séquences d’images MODIS bruitées. Pour cela, le modèle de croissance de plantes GreenLab estutilisé. En second lieu, nous proposons une technique originale de démélangeage, qui s’appuie notamment sur des noyaux “élastiques” capables de gérer les spécificités des séries temporelles (séries de taille différentes, décalées dans le temps, ...)Les résultats expérimentaux, sur des données synthétiques et réelles, montrent de bonnes performances des méthodologies proposées

Recent Advances in Image Restoration with Applications to Real World Problems

In the past few decades, imaging hardware has improved tremendously in terms of resolution, making widespread usage of images in many diverse applications on Earth and planetary missions. However, practical issues associated with image acquisition are still affecting image quality. Some of these issues such as blurring, measurement noise, mosaicing artifacts, low spatial or spectral resolution, etc. can seriously affect the accuracy of the aforementioned applications. This book intends to provide the reader with a glimpse of the latest developments and recent advances in image restoration, which includes image super-resolution, image fusion to enhance spatial, spectral resolution, and temporal resolutions, and the generation of synthetic images using deep learning techniques. Some practical applications are also included

Analyse hiérarchique d'images multimodales

There is a growing interest in the development of adapted processing tools for multimodal images (several images acquired over the same scene with different characteristics). Allowing a more complete description of the scene, multimodal images are of interest in various image processing fields, but their optimal handling and exploitation raise several issues. This thesis extends hierarchical representations, a powerful tool for classical image analysis and processing, to multimodal images in order to better exploit the additional information brought by the multimodality and improve classical image processing techniques. %when applied to real applications. This thesis focuses on three different multimodalities frequently encountered in the remote sensing field. We first investigate the spectral-spatial information of hyperspectral images. Based on an adapted construction and processing of the hierarchical representation, we derive a segmentation which is optimal with respect to the spectral unmixing operation. We then focus on the temporal multimodality and sequences of hyperspectral images. Using the hierarchical representation of the frames in the sequence, we propose a new method to achieve object tracking and apply it to chemical gas plume tracking in thermal infrared hyperspectral video sequences. Finally, we study the sensorial multimodality, being images acquired with different sensors. Relying on the concept of braids of partitions, we propose a novel methodology of image segmentation, based on an energetic minimization framework.Il y a un intérêt grandissant pour le développement d’outils de traitements adaptés aux images multimodales (plusieurs images de la même scène acquises avec différentes caractéristiques). Permettant une représentation plus complète de la scène, ces images multimodales ont de l'intérêt dans plusieurs domaines du traitement d'images, mais les exploiter et les manipuler de manière optimale soulève plusieurs questions. Cette thèse étend les représentations hiérarchiques, outil puissant pour le traitement et l’analyse d’images classiques, aux images multimodales afin de mieux exploiter l’information additionnelle apportée par la multimodalité et améliorer les techniques classiques de traitement d’images. Cette thèse se concentre sur trois différentes multimodalités fréquemment rencontrées dans le domaine de la télédétection. Nous examinons premièrement l’information spectrale-spatiale des images hyperspectrales. Une construction et un traitement adaptés de la représentation hiérarchique nous permettent de produire une carte de segmentation de l'image optimale vis-à-vis de l'opération de démélange spectrale. Nous nous concentrons ensuite sur la multimodalité temporelle, traitant des séquences d’images hyperspectrales. En utilisant les représentations hiérarchiques des différentes images de la séquence, nous proposons une nouvelle méthode pour effectuer du suivi d’objet et l’appliquons au suivi de nuages de gaz chimique dans des séquences d’images hyperspectrales dans le domaine thermique infrarouge. Finalement, nous étudions la multimodalité sensorielle, c’est-à-dire les images acquises par différents capteurs. Nous appuyant sur le concept des tresses de partitions, nous proposons une nouvelle méthodologie de segmentation se basant sur un cadre de minimisation d’énergie