A Systolic Algorithm to Process Compressed Binary Images

A new systolic algorithm which computes image differences in run-length encoded (RLE) format is described. The binary image difference operation is commonly used in many image processing applications including automated inspection systems, character recognition, fingerprint analysis, and motion detection. The efficiency of these operations can be improved significantly with the availability of a fast systolic system that computes the image difference as described in this paper It is shown that for images with a high similarity measure, the time complexity of the systolic algorithm is small and in some cases constant with respect to the image size. The time for the systolic algorithm is proportional to the difference between the number of runs in the two images, while the time for the sequential algorithm is proportional to the total number of runs in the two images together A formal proof of correctness for the algorithm is also given

Spatial organization of transcription as a potential gene expression mechanism in Plasmodium falciparum

Crescentes evidências mostram que a organização espacial da transcrição é um fator epigenético importante na regulação gênica em eucariotos. Em células de mamíferos, os genes são transcritos em estruturas nucleares discretas conhecidas como fábricas de transcrição, e genes com funções relacionadas e co-regulados compartilham as mesmas fábricas de transcrição. Plasmodium falciparum apresenta um padrão de expressão gênica bastante complexo durante o ciclo eritrocítico, contrastando paradoxalmente com o baixo número de putativos fatores de transcrição codificados pelo seu genoma. Por outro lado, mecanismos epigenéticos são importantes na regulação gênica neste parasita. Nesta tese, investigamos a organização da transcrição em P. falciparum visando determinar se a organização nuclear está relacionada com a expressão/regulação gênica ao longo do desenvolvimento do parasita. Com este objetivo, marcamos transcritos nascentes com BrUTP em formas eritrocíticas de P. falciparum. Assim como em mamíferos, a transcrição no parasita também está organizada em focos nucleoplásmicos discretos, chamados fábricas de transcrição. Análises automatizadas de imagens em 3D mostram que o número e a intensidade das fábricas de transcrição variam durante o ciclo eritrocítico, estando correlacionados com o número de genes expressos em cada estágio, mas não com o volume nuclear. O baixo número de fábricas indica que os genes ativos compartilham as fábricas enquanto estão sendo transcritos. Surpreendentemente, as fábricas são espacilamente redistribuídas durante o desenvolvimento de anéis para trofozoítas, com a periferia nuclear sendo a zona de transcrição favorita nos anéis, enquanto nos trofozoítas as fábricas estão igualmente distribuídas por todo o nucleoplasma. Também observamos que a transcrição por RNA polimerase I ocorre principalmente nas áreas centrais dos núcleos em trofozoítas, sugerindo que os componentes nucleolares podem ser dispersos devido à entrada na fase S. Assim como nos eucariotos superiores, as fábricas de transcrição em P. falciparum também se localizam em áreas nucleares com baixa densidade de cromatina. Análises de imunofluorescência combinando incorporação de BrUTP com marcadores nucleares mostram que as fábricas de transcrição formam um compartimento exclusivo, diferente do compartimento de silenciamento definido por PfSir2A ou do compartimento de cromatina ativa definido por H4ac ou H3K79me3. Para estudar a organização espacial da cromatina e entender como os genes co-regulados interagem com as fábricas de transcrição, decidimos realizar ensaios de hibridização fluorescente in situ (fluorescence in situ hybridization, FISH). Durante a realização de ensaios de FISH seguindo protocolos publicados, observamos uma grande variação na morfologia nuclear dos parasitas, o que nos moveu a otimizar esta técnica. Utilizando análises automatizadas de imagens, mostramos que os parasitas desidratados por secagem ao ar e fixados por curtos períodos de tempo à temperatura ambiente apresentam uma variação intra-populacional maior em relação à forma e ao volume nucleares após o ensaio de FISH, assim como valores de volume quase duas vezes maiores, do que núcleos de parasitas fixados em suspensão por longos períodos de tempo e em baixas temperaturas. Também observamos que a fixação em suspensão leva a uma melhor conservação da estrutura nuclear, e índices de colocalização mais altos para duas sondas de repetições adjacentes das extremidades cromossômicas, Rep20 e telômeros. Em resumo, nossos resultados mostram que o tipo de protocolo de fixação utilizado antes da realização do desenvolvimento de FISH é um fator crucial para a conservação apropriada da arquitetura nuclear.Growing evidence points that transcription spatial organization is an important epigenetic factor for eukaryotes gene regulation. In mammalian cells, genes are transcribed in discrete nuclear structures known as transcription factories, and developmentally co-regulated, functionally related genes have been shown to share factories. Plasmodium falciparum shows a remarkably complex pattern of gene expression during the erythrocytic cycle, paradoxically contrasting with the low number of putative transcription factors encoded by its genome. However, epigenetic mechanisms are important for gene regulation in this parasite. In this thesis, we investigated transcription organization of P. falciparum in order to determine if nuclear architecture is related with developmentally regulated gene expression. To this aim, we have labeled nascent transcrips with BrUTP in P. falciparum erythrocytic forms. Transcription in organized in discrete nuceloplasmic foci, the transcription factories. Automated 3D analysis of confocal images shows the number and intensity of transcription factories change during the erythrocytic cycle, correlating with the number of genes expressed at each stage but not with the nuclear volume. The low number of factories indicates that active genes share factories while being transcribed. Unexpectedly, factories spatially redistribute from ring to trophozoites, being the nuclear periphery the preferential transcription zone in rings while in trophozoites factories are equally distributed throughout the nucleoplasm. We also observed that RNApolymerase I transcription occurs mostly at central nuclear areas in trophozoites, suggesting that nucleolar components may be dispersed upon S phase transition. Like in higher eukaryotes, in P. falciparum transcription factories occur on nuclear areas with low chromatin density. Immunofluorescence analysis of P. falciparum nuclear markers combined with BrUTP incorporation show that transcription factories are a novel and exclusive nuclear compartment, different from the silent compartment defined by PfSir2A or the active chromatin compartment defined by H4ac and H3K79me3. In order to study the spatial organization of chromatin, and how co-regulated, functionally related genes interact with transcription factories, we decided to perform fluorescence in situ hybridization (FISH). While performing FISH with published protocols, we observed great variation in the parasite nuclear morphology, prompting us to optimize this technique. Using automated image analysis, we show that parasites dehydrated by air-drying and fixed for short periods at room temperature present after FISH higher intra-population variation of nuclear shape and volume, as well as almost two-times higher relative volume values, than parasite nuclei fixed in suspension for long periods at low temperatures. We also observe that longer fixation in suspension leads to improved conservation of the nuclear structure, with chromosome end clusters preferentially locating at the nuclear periphery, and higher colocalization indexes for two adjacent chromosome end probes, Rep20 and telomere. Overall, our results show that the type of fixation protocol applied prior to FISH is crucial for the conservation of nuclear architecture.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Ministério da Educação, Ciência e Tecnologia da Coreia do Sul (MEST)Governo da província de Gyeonggi da Coreia do SulInstituto Coreano de Informação Científica e Tecnológica (KISTI)BV UNIFESP: Teses e dissertaçõe

Watershed from propagated markers to interactive segmentation of objects in image sequences

Orientador: Roberto de Alencar LotufoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Esta tese de doutorado apresenta um método interativo para segmentação de objetos em sequências de imagens - o watershed com marcadores propagados. Este método, uma combinação de segmentação morfológica clássica com estimação de movimento, possui quatro características importantes: i) interatividade, ii) generalidade, iii) resposta rápida e iv) edição manual progressiva. Watershed com marcadores propagados consiste em segmentar interativamente os objetos de interesse no primeiro quadro e, subsequentemente, computar e propagar marcadores para segmentar os mesmos objetos nos quadros seguintes. Além da proposta do paradigma do watershed com marcadores propagados, esta tese também apresenta variações para o paradigma citado e um novo benchmark para avaliação quantitativa de métodos interativos para segmentação de objetos em sequências de imagensAbstract: This doctorate thesis introduces an assisted method to object segmentation in image sequences - the watershed from propagated markers. This method, a combination of classical morphological segmentation withmotion estimation, has four important characteristics: i) interactivity, ii) generality, iii) rapid response and iv) progressive manual edition. Watershed from propagated markers consists in to segment interactively the objects of interest in the first frame and, subsequently, to compute and propagate markers in order to segment the same objects in the next frames. Besides the proposal of the watershed from propagated markers paradigm, this thesis also presents variaions to the cited paradigm and a new benchmark to quantitative evaluation of interactive object segmentation methods applied to image sequencesDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétric

Comparing features for target tracking in traffic scenes

This paper describes a motion-analysis system, applied to the problem of vehicle tracking in real-world highway scenes. In a first stage a motion-detection algorithm performs a figure/ground segmentation, providing binary masks of the moving objects. In the second stage, vehicles are tracked by using Kalman filters for two state vectors, which represent each target's position and velocity. Three types of features have been used: (i) the bounding rectangle, (ii) the centroid of the convex polygon approximating the vehicles contour and (iii) the 2-D pattern of the vehicle. For each feature, the performance of the tracking algorithm has been tested in terms of robustness and computing time