Performance Enhancement of Hyperspectral Semantic Segmentation Leveraging Ensemble Networks

Hyperspectral image (HSI) semantic segmentation is a growing field within computer vision, machine learning, and forestry. Due to the separate nature of these communities, research applying deep learning techniques to ground-type semantic segmentation needs improvement, along with working to bring the research and expectations of these three communities together. Semantic segmentation consists of classifying individual pixels within the image based on the features present. Many issues need to be resolved in HSI semantic segmentation including data preprocessing, feature reduction, semantic segmentation techniques, and adversarial training. In this thesis, we tackle these challenges by employing ensemble methods for HSI semantic segmentation. Deep neural networks (DNNs) for classification tasks have been employed in HSI semantic segmentation with great success. The ensemble method in traditional classification is often used to increase performance, but research into applying it to semantic segmentation in HSIs is relatively new. Instead of using a single network approach to classification, the ensemble method employs multiple networks to improve performance. Research into ensemble methods in HSI has seen increased accuracy, but often has higher computational complexity and relies on expensive preprocessing techniques. To showcase the performance increase the ensemble method has on semantic segmentation, we propose the novel flagship model Clustering Ensemble U-Net (CEU-Net). In CEU-Net we (1) use a bagging ensemble technique to reduce the computational complexity, (2) utilize clustering on class labels as an intelligent method of delineating which data goes to each network, thereby making each sub-network an expert on a particular cluster, and (3) implement with or without patching for better data flexibility. It is shown that CEU-Net outperforms existing hyperspectral semantic segmentation methods, achieving better performance with and without patching compared to baseline models. Semantic segmentation models are vulnerable to adversarial attacks and need adversarial training to counteract them. Adversarial attacks are often intelligent attacks that use the knowledge of a trained classifier to create imperceptible perturbations to hurt classification accuracy. Traditional approaches to adversarial robustness focus on training or retraining a single network on attacked data, however, in the presence of multiple attacks these approaches decrease the performance compared to networks trained individually on each attack. To combat adversarial attacks in HSI semantic segmentation, we propose the Adversarial Discriminator Ensemble Network (ADE-Net) which focuses on attack type detection and adversarial robustness under a unified model to preserve per data-type weight optimally while making the overall network robust. In the proposed method, a discriminator network is used to separate data by attack type into their specific attack-expert ensemble sub-network. The ensemble and discriminator networks are trained together using a unified novel loss function to share information between each network. Our approach allows for the presence of multiple attacks mixed together while also labeling attack types during testing. In this thesis, we experimentally show that ADE-Net outperforms the baseline, which is a single network adversarially trained under a mix of multiple attacks, for popular HSI datasets

Multiple Spectral-Spatial Classification Approach for Hyperspectral Data

A .new multiple classifier approach for spectral-spatial classification of hyperspectral images is proposed. Several classifiers are used independently to classify an image. For every pixel, if all the classifiers have assigned this pixel to the same class, the pixel is kept as a marker, i.e., a seed of the spatial region, with the corresponding class label. We propose to use spectral-spatial classifiers at the preliminary step of the marker selection procedure, each of them combining the results of a pixel-wise classification and a segmentation map. Different segmentation methods based on dissimilar principles lead to different classification results. Furthermore, a minimum spanning forest is built, where each tree is rooted on a classification -driven marker and forms a region in the spectral -spatial classification: map. Experimental results are presented for two hyperspectral airborne images. The proposed method significantly improves classification accuracies, when compared to previously proposed classification techniques

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

Fair comparison of skin detection approaches on publicly available datasets

Skin detection is the process of discriminating skin and non-skin regions in a digital image and it is widely used in several applications ranging from hand gesture analysis to track body parts and face detection. Skin detection is a challenging problem which has drawn extensive attention from the research community, nevertheless a fair comparison among approaches is very difficult due to the lack of a common benchmark and a unified testing protocol. In this work, we investigate the most recent researches in this field and we propose a fair comparison among approaches using several different datasets. The major contributions of this work are an exhaustive literature review of skin color detection approaches, a framework to evaluate and combine different skin detector approaches, whose source code is made freely available for future research, and an extensive experimental comparison among several recent methods which have also been used to define an ensemble that works well in many different problems. Experiments are carried out in 10 different datasets including more than 10000 labelled images: experimental results confirm that the best method here proposed obtains a very good performance with respect to other stand-alone approaches, without requiring ad hoc parameter tuning. A MATLAB version of the framework for testing and of the methods proposed in this paper will be freely available from https://github.com/LorisNann