Computerized Analysis of Magnetic Resonance Images to Study Cerebral Anatomy in Developing Neonates

The study of cerebral anatomy in developing neonates is of great importance for the understanding of brain development during the early period of life. This dissertation therefore focuses on three challenges in the modelling of cerebral anatomy in neonates during brain development. The methods that have been developed all use Magnetic Resonance Images (MRI) as source data. To facilitate study of vascular development in the neonatal period, a set of image analysis algorithms are developed to automatically extract and model cerebral vessel trees. The whole process consists of cerebral vessel tracking from automatically placed seed points, vessel tree generation, and vasculature registration and matching. These algorithms have been tested on clinical Time-of- Flight (TOF) MR angiographic datasets. To facilitate study of the neonatal cortex a complete cerebral cortex segmentation and reconstruction pipeline has been developed. Segmentation of the neonatal cortex is not effectively done by existing algorithms designed for the adult brain because the contrast between grey and white matter is reversed. This causes pixels containing tissue mixtures to be incorrectly labelled by conventional methods. The neonatal cortical segmentation method that has been developed is based on a novel expectation-maximization (EM) method with explicit correction for mislabelled partial volume voxels. Based on the resulting cortical segmentation, an implicit surface evolution technique is adopted for the reconstruction of the cortex in neonates. The performance of the method is investigated by performing a detailed landmark study. To facilitate study of cortical development, a cortical surface registration algorithm for aligning the cortical surface is developed. The method first inflates extracted cortical surfaces and then performs a non-rigid surface registration using free-form deformations (FFDs) to remove residual alignment. Validation experiments using data labelled by an expert observer demonstrate that the method can capture local changes and follow the growth of specific sulcus

NeuDA: Neural Deformable Anchor for High-Fidelity Implicit Surface Reconstruction

This paper studies implicit surface reconstruction leveraging differentiable ray casting. Previous works such as IDR and NeuS overlook the spatial context in 3D space when predicting and rendering the surface, thereby may fail to capture sharp local topologies such as small holes and structures. To mitigate the limitation, we propose a flexible neural implicit representation leveraging hierarchical voxel grids, namely Neural Deformable Anchor (NeuDA), for high-fidelity surface reconstruction. NeuDA maintains the hierarchical anchor grids where each vertex stores a 3D position (or anchor) instead of the direct embedding (or feature). We optimize the anchor grids such that different local geometry structures can be adaptively encoded. Besides, we dig into the frequency encoding strategies and introduce a simple hierarchical positional encoding method for the hierarchical anchor structure to flexibly exploit the properties of high-frequency and low-frequency geometry and appearance. Experiments on both the DTU and BlendedMVS datasets demonstrate that NeuDA can produce promising mesh surfaces.Comment: Accepted to CVPR 2023, project page: https://3d-front-future.github.io/neud

Urban Radiance Field Representation with Deformable Neural Mesh Primitives

Neural Radiance Fields (NeRFs) have achieved great success in the past few years. However, most current methods still require intensive resources due to ray marching-based rendering. To construct urban-level radiance fields efficiently, we design Deformable Neural Mesh Primitive~(DNMP), and propose to parameterize the entire scene with such primitives. The DNMP is a flexible and compact neural variant of classic mesh representation, which enjoys both the efficiency of rasterization-based rendering and the powerful neural representation capability for photo-realistic image synthesis. Specifically, a DNMP consists of a set of connected deformable mesh vertices with paired vertex features to parameterize the geometry and radiance information of a local area. To constrain the degree of freedom for optimization and lower the storage budgets, we enforce the shape of each primitive to be decoded from a relatively low-dimensional latent space. The rendering colors are decoded from the vertex features (interpolated with rasterization) by a view-dependent MLP. The DNMP provides a new paradigm for urban-level scene representation with appealing properties: $(1)$ High-quality rendering. Our method achieves leading performance for novel view synthesis in urban scenarios. $(2)$ Low computational costs. Our representation enables fast rendering (2.07ms/1k pixels) and low peak memory usage (110MB/1k pixels). We also present a lightweight version that can run 33$\times$ faster than vanilla NeRFs, and comparable to the highly-optimized Instant-NGP (0.61 vs 0.71ms/1k pixels). Project page: \href{https://dnmp.github.io/}{https://dnmp.github.io/}.Comment: Accepted to ICCV202

Monocular slam for deformable scenarios.

El problema de localizar la posición de un sensor en un mapa incierto que se estima simultáneamente se conoce como Localización y Mapeo Simultáneo --SLAM--. Es un problema desafiante comparable al paradigma del huevo y la gallina. Para ubicar el sensor necesitamos conocer el mapa, pero para construir el mapa, necesitamos la posición del sensor. Cuando se utiliza un sensor visual, por ejemplo, una cámara, se denomina Visual SLAM o VSLAM. Los sensores visuales para SLAM se dividen entre los que proporcionan información de profundidad (por ejemplo, cámaras RGB-D o equipos estéreo) y los que no (por ejemplo, cámaras monoculares o cámaras de eventos). En esta tesis hemos centrado nuestra investigación en SLAM con cámaras monoculares.Debido a la falta de percepción de profundidad, el SLAM monocular es intrínsecamente más duro en comparación con el SLAM con sensores de profundidad. Los trabajos estado del arte en VSLAM monocular han asumido normalmente que la escena permanece rígida durante toda la secuencia, lo que es una suposición factible para entornos industriales y urbanos. El supuesto de rigidez aporta las restricciones suficientes al problema y permite reconstruir un mapa fiable tras procesar varias imágenes. En los últimos años, el interés por el SLAM ha llegado a las áreas médicas donde los algoritmos SLAM podrían ayudar a orientar al cirujano o localizar la posición de un robot. Sin embargo, a diferencia de los escenarios industriales o urbanos, en secuencias dentro del cuerpo, todo puede deformarse eventualmente y la suposición de rigidez acaba siendo inválida en la práctica, y por extensión, también los algoritmos de SLAM monoculares. Por lo tanto, nuestro objetivo es ampliar los límites de los algoritmos de SLAM y concebir el primer sistema SLAM monocular capaz de hacer frente a la deformación de la escena.Los sistemas de SLAM actuales calculan la posición de la cámara y la estructura del mapa en dos subprocesos concurrentes: la localización y el mapeo. La localización se encarga de procesar cada imagen para ubicar el sensor de forma continua, en cambio el mapeo se encarga de construir el mapa de la escena. Nosotros hemos adoptado esta estructura y concebimos tanto la localización deformable como el mapeo deformable ahora capaces de recuperar la escena incluso con deformación.Nuestra primera contribución es la localización deformable. La localización deformable utiliza la estructura del mapa para recuperar la pose de la cámara con una única imagen. Simultáneamente, a medida que el mapa se deforma durante la secuencia, también recupera la deformación del mapa para cada fotograma. Hemos propuesto dos familias de localización deformable. En el primer algoritmo de localización deformable, asumimos que todos los puntos están embebidos en una superficie denominada plantilla. Podemos recuperar la deformación de la superficie gracias a un modelo de deformación global que permite estimar la deformación más probable del objeto. Con nuestro segundo algoritmo de localización deformable, demostramos que es posible recuperar la deformación del mapa sin un modelo de deformación global, representando el mapa como surfels individuales. Nuestros resultados experimentales mostraron que, recuperando la deformación del mapa, ambos métodos superan tanto en robustez como en precisión a los métodos rígidos.Nuestra segunda contribución es la concepción del mapeo deformable. Es el back-end del algoritmo SLAM y procesa un lote de imágenes para recuperar la estructura del mapa para todas las imágenes y hacer crecer el mapa ensamblando las observaciones parciales del mismo. Tanto la localización deformable como el mapeo que se ejecutan en paralelo y juntos ensamblan el primer SLAM monocular deformable: \emph{DefSLAM}. Una evaluación ampliada de nuestro método demostró, tanto en secuencias controladas por laboratorio como en secuencias médicas, que nuestro método procesa con éxito secuencias en las que falla el sistema monocular SLAM actual.Nuestra tercera contribución son dos métodos para explotar la información fotométrica en SLAM monocular deformable. Por un lado, SD-DefSLAM que aprovecha el emparejamiento semi-directo para obtener un emparejamiento mucho más fiable de los puntos del mapa en las nuevas imágenes, como consecuencia, se demostró que es más robusto y estable en secuencias médicas. Por otro lado, proponemos un método de Localización Deformable Directa y Dispersa en el que usamos un error fotométrico directo para rastrear la deformación de un mapa modelado como un conjunto de surfels 3D desconectados. Podemos recuperar la deformación de múltiples superficies desconectadas, deformaciones no isométricas o superficies con una topología cambiante.<br /

Real-time simulation and visualisation of cloth using edge-based adaptive meshes

Real-time rendering and the animation of realistic virtual environments and characters has progressed at a great pace, following advances in computer graphics hardware in the last decade. The role of cloth simulation is becoming ever more important in the quest to improve the realism of virtual environments. The real-time simulation of cloth and clothing is important for many applications such as virtual reality, crowd simulation, games and software for online clothes shopping. A large number of polygons are necessary to depict the highly exible nature of cloth with wrinkling and frequent changes in its curvature. In combination with the physical calculations which model the deformations, the effort required to simulate cloth in detail is very computationally expensive resulting in much diffculty for its realistic simulation at interactive frame rates. Real-time cloth simulations can lack quality and realism compared to their offline counterparts, since coarse meshes must often be employed for performance reasons. The focus of this thesis is to develop techniques to allow the real-time simulation of realistic cloth and clothing. Adaptive meshes have previously been developed to act as a bridge between low and high polygon meshes, aiming to adaptively exploit variations in the shape of the cloth. The mesh complexity is dynamically increased or refined to balance quality against computational cost during a simulation. A limitation of many approaches is they do not often consider the decimation or coarsening of previously refined areas, or otherwise are not fast enough for real-time applications. A novel edge-based adaptive mesh is developed for the fast incremental refinement and coarsening of a triangular mesh. A mass-spring network is integrated into the mesh permitting the real-time adaptive simulation of cloth, and techniques are developed for the simulation of clothing on an animated character