Detecting Mutually-Salient Landmark Pairs with MRF Regularization

In this paper, we present a framework for extracting mutually-salient landmark pairs for registration. Traditional methods detect landmarks one-by-one and separately in two images. Therefore, the detected landmarks might inherit low discriminability and are not necessarily good for matching. In contrast, our method detects landmarks pair-by-pair across images, and those pairs are required to be mutually-salient, i.e., uniquely corresponding to each other. The second merit of our framework is that, instead of finding individually optimal correspondence, which is a local approach and could cause self-intersection of the resultant deformation, our framework adopts a Markov-random-field (MRF)-based spatial arrangement to select the globally optimal landmark pairs. In this way, the geometric consistency of the correspondences is maintained and the resultant deformations are relatively smooth and topology-preserving. Promising experimental validation through a radiologist’s evaluation of the established correspondences is presented

Discrete Visual Perception

International audienceComputational vision and biomedical image have made tremendous progress of the past decade. This is mostly due the development of efficient learning and inference algorithms which allow better, faster and richer modeling of visual perception tasks. Graph-based representations are among the most prominent tools to address such perception through the casting of perception as a graph optimization problem. In this paper, we briefly introduce the interest of such representations, discuss their strength and limitations and present their application to address a variety of problems in computer vision and biomedical image analysis

Building dynamic population graph for accurate correspondence detection

AbstractIn medical imaging studies, there is an increasing trend for discovering the intrinsic anatomical difference across individual subjects in a dataset, such as hand images for skeletal bone age estimation. Pair-wise matching is often used to detect correspondences between each individual subject and a pre-selected model image with manually-placed landmarks. However, the large anatomical variability across individual subjects can easily compromise such pair-wise matching step. In this paper, we present a new framework to simultaneously detect correspondences among a population of individual subjects, by propagating all manually-placed landmarks from a small set of model images through a dynamically constructed image graph. Specifically, we first establish graph links between models and individual subjects according to pair-wise shape similarity (called as forward step). Next, we detect correspondences for the individual subjects with direct links to any of model images, which is achieved by a new multi-model correspondence detection approach based on our recently-published sparse point matching method. To correct those inaccurate correspondences, we further apply an error detection mechanism to automatically detect wrong correspondences and then update the image graph accordingly (called as backward step). After that, all subject images with detected correspondences are included into the set of model images, and the above two steps of graph expansion and error correction are repeated until accurate correspondences for all subject images are established. Evaluations on real hand X-ray images demonstrate that our proposed method using a dynamic graph construction approach can achieve much higher accuracy and robustness, when compared with the state-of-the-art pair-wise correspondence detection methods as well as a similar method but using static population graph

QUIS-CAMPI: Biometric Recognition in Surveillance Scenarios

The concerns about individuals security have justified the increasing number of surveillance cameras deployed both in private and public spaces. However, contrary to popular belief, these devices are in most cases used solely for recording, instead of feeding intelligent analysis processes capable of extracting information about the observed individuals. Thus, even though video surveillance has already proved to be essential for solving multiple crimes, obtaining relevant details about the subjects that took part in a crime depends on the manual inspection of recordings. As such, the current goal of the research community is the development of automated surveillance systems capable of monitoring and identifying subjects in surveillance scenarios. Accordingly, the main goal of this thesis is to improve the performance of biometric recognition algorithms in data acquired from surveillance scenarios. In particular, we aim at designing a visual surveillance system capable of acquiring biometric data at a distance (e.g., face, iris or gait) without requiring human intervention in the process, as well as devising biometric recognition methods robust to the degradation factors resulting from the unconstrained acquisition process. Regarding the first goal, the analysis of the data acquired by typical surveillance systems shows that large acquisition distances significantly decrease the resolution of biometric samples, and thus their discriminability is not sufficient for recognition purposes. In the literature, diverse works point out Pan Tilt Zoom (PTZ) cameras as the most practical way for acquiring high-resolution imagery at a distance, particularly when using a master-slave configuration. In the master-slave configuration, the video acquired by a typical surveillance camera is analyzed for obtaining regions of interest (e.g., car, person) and these regions are subsequently imaged at high-resolution by the PTZ camera. Several methods have already shown that this configuration can be used for acquiring biometric data at a distance. Nevertheless, these methods failed at providing effective solutions to the typical challenges of this strategy, restraining its use in surveillance scenarios. Accordingly, this thesis proposes two methods to support the development of a biometric data acquisition system based on the cooperation of a PTZ camera with a typical surveillance camera. The first proposal is a camera calibration method capable of accurately mapping the coordinates of the master camera to the pan/tilt angles of the PTZ camera. The second proposal is a camera scheduling method for determining - in real-time - the sequence of acquisitions that maximizes the number of different targets obtained, while minimizing the cumulative transition time. In order to achieve the first goal of this thesis, both methods were combined with state-of-the-art approaches of the human monitoring field to develop a fully automated surveillance capable of acquiring biometric data at a distance and without human cooperation, designated as QUIS-CAMPI system. The QUIS-CAMPI system is the basis for pursuing the second goal of this thesis. The analysis of the performance of the state-of-the-art biometric recognition approaches shows that these approaches attain almost ideal recognition rates in unconstrained data. However, this performance is incongruous with the recognition rates observed in surveillance scenarios. Taking into account the drawbacks of current biometric datasets, this thesis introduces a novel dataset comprising biometric samples (face images and gait videos) acquired by the QUIS-CAMPI system at a distance ranging from 5 to 40 meters and without human intervention in the acquisition process. This set allows to objectively assess the performance of state-of-the-art biometric recognition methods in data that truly encompass the covariates of surveillance scenarios. As such, this set was exploited for promoting the first international challenge on biometric recognition in the wild. This thesis describes the evaluation protocols adopted, along with the results obtained by the nine methods specially designed for this competition. In addition, the data acquired by the QUIS-CAMPI system were crucial for accomplishing the second goal of this thesis, i.e., the development of methods robust to the covariates of surveillance scenarios. The first proposal regards a method for detecting corrupted features in biometric signatures inferred by a redundancy analysis algorithm. The second proposal is a caricature-based face recognition approach capable of enhancing the recognition performance by automatically generating a caricature from a 2D photo. The experimental evaluation of these methods shows that both approaches contribute to improve the recognition performance in unconstrained data.A crescente preocupação com a segurança dos indivíduos tem justificado o crescimento do número de câmaras de vídeo-vigilância instaladas tanto em espaços privados como públicos. Contudo, ao contrário do que normalmente se pensa, estes dispositivos são, na maior parte dos casos, usados apenas para gravação, não estando ligados a nenhum tipo de software inteligente capaz de inferir em tempo real informações sobre os indivíduos observados. Assim, apesar de a vídeo-vigilância ter provado ser essencial na resolução de diversos crimes, o seu uso está ainda confinado à disponibilização de vídeos que têm que ser manualmente inspecionados para extrair informações relevantes dos sujeitos envolvidos no crime. Como tal, atualmente, o principal desafio da comunidade científica é o desenvolvimento de sistemas automatizados capazes de monitorizar e identificar indivíduos em ambientes de vídeo-vigilância. Esta tese tem como principal objetivo estender a aplicabilidade dos sistemas de reconhecimento biométrico aos ambientes de vídeo-vigilância. De forma mais especifica, pretende-se 1) conceber um sistema de vídeo-vigilância que consiga adquirir dados biométricos a longas distâncias (e.g., imagens da cara, íris, ou vídeos do tipo de passo) sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo; e 2) desenvolver métodos de reconhecimento biométrico robustos aos fatores de degradação inerentes aos dados adquiridos por este tipo de sistemas. No que diz respeito ao primeiro objetivo, a análise aos dados adquiridos pelos sistemas típicos de vídeo-vigilância mostra que, devido à distância de captura, os traços biométricos amostrados não são suficientemente discriminativos para garantir taxas de reconhecimento aceitáveis. Na literatura, vários trabalhos advogam o uso de câmaras Pan Tilt Zoom (PTZ) para adquirir imagens de alta resolução à distância, principalmente o uso destes dispositivos no modo masterslave. Na configuração master-slave um módulo de análise inteligente seleciona zonas de interesse (e.g. carros, pessoas) a partir do vídeo adquirido por uma câmara de vídeo-vigilância e a câmara PTZ é orientada para adquirir em alta resolução as regiões de interesse. Diversos métodos já mostraram que esta configuração pode ser usada para adquirir dados biométricos à distância, ainda assim estes não foram capazes de solucionar alguns problemas relacionados com esta estratégia, impedindo assim o seu uso em ambientes de vídeo-vigilância. Deste modo, esta tese propõe dois métodos para permitir a aquisição de dados biométricos em ambientes de vídeo-vigilância usando uma câmara PTZ assistida por uma câmara típica de vídeo-vigilância. O primeiro é um método de calibração capaz de mapear de forma exata as coordenadas da câmara master para o ângulo da câmara PTZ (slave) sem o auxílio de outros dispositivos óticos. O segundo método determina a ordem pela qual um conjunto de sujeitos vai ser observado pela câmara PTZ. O método proposto consegue determinar em tempo-real a sequência de observações que maximiza o número de diferentes sujeitos observados e simultaneamente minimiza o tempo total de transição entre sujeitos. De modo a atingir o primeiro objetivo desta tese, os dois métodos propostos foram combinados com os avanços alcançados na área da monitorização de humanos para assim desenvolver o primeiro sistema de vídeo-vigilância completamente automatizado e capaz de adquirir dados biométricos a longas distâncias sem requerer a cooperação dos indivíduos no processo, designado por sistema QUIS-CAMPI. O sistema QUIS-CAMPI representa o ponto de partida para iniciar a investigação relacionada com o segundo objetivo desta tese. A análise do desempenho dos métodos de reconhecimento biométrico do estado-da-arte mostra que estes conseguem obter taxas de reconhecimento quase perfeitas em dados adquiridos sem restrições (e.g., taxas de reconhecimento maiores do que 99% no conjunto de dados LFW). Contudo, este desempenho não é corroborado pelos resultados observados em ambientes de vídeo-vigilância, o que sugere que os conjuntos de dados atuais não contêm verdadeiramente os fatores de degradação típicos dos ambientes de vídeo-vigilância. Tendo em conta as vulnerabilidades dos conjuntos de dados biométricos atuais, esta tese introduz um novo conjunto de dados biométricos (imagens da face e vídeos do tipo de passo) adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI a uma distância máxima de 40m e sem a cooperação dos sujeitos no processo de aquisição. Este conjunto permite avaliar de forma objetiva o desempenho dos métodos do estado-da-arte no reconhecimento de indivíduos em imagens/vídeos capturados num ambiente real de vídeo-vigilância. Como tal, este conjunto foi utilizado para promover a primeira competição de reconhecimento biométrico em ambientes não controlados. Esta tese descreve os protocolos de avaliação usados, assim como os resultados obtidos por 9 métodos especialmente desenhados para esta competição. Para além disso, os dados adquiridos pelo sistema QUIS-CAMPI foram essenciais para o desenvolvimento de dois métodos para aumentar a robustez aos fatores de degradação observados em ambientes de vídeo-vigilância. O primeiro é um método para detetar características corruptas em assinaturas biométricas através da análise da redundância entre subconjuntos de características. O segundo é um método de reconhecimento facial baseado em caricaturas automaticamente geradas a partir de uma única foto do sujeito. As experiências realizadas mostram que ambos os métodos conseguem reduzir as taxas de erro em dados adquiridos de forma não controlada

Facial Texture Super-Resolution by Fitting 3D Face Models

This book proposes to solve the low-resolution (LR) facial analysis problem with 3D face super-resolution (FSR). A complete processing chain is presented towards effective 3D FSR in real world. To deal with the extreme challenges of incorporating 3D modeling under the ill-posed LR condition, a novel workflow coupling automatic localization of 2D facial feature points and 3D shape reconstruction is developed, leading to a robust pipeline for pose-invariant hallucination of the 3D facial texture

Analysis and Manipulation of Repetitive Structures of Varying Shape

Self-similarity and repetitions are ubiquitous in man-made and natural objects. Such structural regularities often relate to form, function, aesthetics, and design considerations. Discovering structural redundancies along with their dominant variations from 3D geometry not only allows us to better understand the underlying objects, but is also beneficial for several geometry processing tasks including compact representation, shape completion, and intuitive shape manipulation. To identify these repetitions, we present a novel detection algorithm based on analyzing a graph of surface features. We combine general feature detection schemes with a RANSAC-based randomized subgraph searching algorithm in order to reliably detect recurring patterns of locally unique structures. A subsequent segmentation step based on a simultaneous region growing is applied to verify that the actual data supports the patterns detected in the feature graphs. We introduce our graph based detection algorithm on the example of rigid repetitive structure detection. Then we extend the approach to allow more general deformations between the detected parts. We introduce subspace symmetries whereby we characterize similarity by requiring the set of repeating structures to form a low dimensional shape space. We discover these structures based on detecting linearly correlated correspondences among graphs of invariant features. The found symmetries along with the modeled variations are useful for a variety of applications including non-local and non-rigid denoising. Employing subspace symmetries for shape editing, we introduce a morphable part model for smart shape manipulation. The input geometry is converted to an assembly of deformable parts with appropriate boundary conditions. Our method uses self-similarities from a single model or corresponding parts of shape collections as training input and allows the user also to reassemble the identified parts in new configurations, thus exploiting both the discrete and continuous learned variations while ensuring appropriate boundary conditions across part boundaries. We obtain an interactive yet intuitive shape deformation framework producing realistic deformations on classes of objects that are difficult to edit using repetition-unaware deformation 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