Quicksilver: Fast Predictive Image Registration - a Deep Learning Approach

This paper introduces Quicksilver, a fast deformable image registration method. Quicksilver registration for image-pairs works by patch-wise prediction of a deformation model based directly on image appearance. A deep encoder-decoder network is used as the prediction model. While the prediction strategy is general, we focus on predictions for the Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping (LDDMM) model. Specifically, we predict the momentum-parameterization of LDDMM, which facilitates a patch-wise prediction strategy while maintaining the theoretical properties of LDDMM, such as guaranteed diffeomorphic mappings for sufficiently strong regularization. We also provide a probabilistic version of our prediction network which can be sampled during the testing time to calculate uncertainties in the predicted deformations. Finally, we introduce a new correction network which greatly increases the prediction accuracy of an already existing prediction network. We show experimental results for uni-modal atlas-to-image as well as uni- / multi- modal image-to-image registrations. These experiments demonstrate that our method accurately predicts registrations obtained by numerical optimization, is very fast, achieves state-of-the-art registration results on four standard validation datasets, and can jointly learn an image similarity measure. Quicksilver is freely available as an open-source software.Comment: Add new discussion

On Learning and Generalization to Solve Inverse Problem of Electrophysiological Imaging

In this dissertation, we are interested in solving a linear inverse problem: inverse electrophysiological (EP) imaging, where our objective is to computationally reconstruct personalized cardiac electrical signals based on body surface electrocardiogram (ECG) signals. EP imaging has shown promise in the diagnosis and treatment planning of cardiac dysfunctions such as atrial flutter, atrial fibrillation, ischemia, infarction and ventricular arrhythmia. Towards this goal, we frame it as a problem of learning a function from the domain of measurements to signals. Depending upon the assumptions, we present two classes of solutions: 1) Bayesian inference in a probabilistic graphical model, 2) Learning from samples using deep networks. In both of these approaches, we emphasize on learning the inverse function with good generalization ability, which becomes a main theme of the dissertation. In a Bayesian framework, we argue that this translates to appropriately integrating different sources of knowledge into a common probabilistic graphical model framework and using it for patient specific signal estimation through Bayesian inference. In learning from samples setting, this translates to designing a deep network with good generalization ability, where good generalization refers to the ability to reconstruct inverse EP signals in a distribution of interest (which could very well be outside the sample distribution used during training). By drawing ideas from different areas like functional analysis (e.g. Fenchel duality), variational inference (e.g. Variational Bayes) and deep generative modeling (e.g. variational autoencoder), we show how we can incorporate different prior knowledge in a principled manner in a probabilistic graphical model framework to obtain a good inverse solution with generalization ability. Similarly, to improve generalization of deep networks learning from samples, we use ideas from information theory (e.g. information bottleneck), learning theory (e.g. analytical learning theory), adversarial training, complexity theory and functional analysis (e.g. RKHS). We test our algorithms on synthetic data and real data of the patients who had undergone through catheter ablation in clinics and show that our approach yields significant improvement over existing methods. Towards the end of the dissertation, we investigate general questions on generalization and stabilization of adversarial training of deep networks and try to understand the role of smoothness and function space complexity in answering those questions. We conclude by identifying limitations of the proposed methods, areas of further improvement and open questions that are specific to inverse electrophysiological imaging as well as broader, encompassing theory of learning and generalization

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

AI/ML Algorithms and Applications in VLSI Design and Technology

An evident challenge ahead for the integrated circuit (IC) industry in the nanometer regime is the investigation and development of methods that can reduce the design complexity ensuing from growing process variations and curtail the turnaround time of chip manufacturing. Conventional methodologies employed for such tasks are largely manual; thus, time-consuming and resource-intensive. In contrast, the unique learning strategies of artificial intelligence (AI) provide numerous exciting automated approaches for handling complex and data-intensive tasks in very-large-scale integration (VLSI) design and testing. Employing AI and machine learning (ML) algorithms in VLSI design and manufacturing reduces the time and effort for understanding and processing the data within and across different abstraction levels via automated learning algorithms. It, in turn, improves the IC yield and reduces the manufacturing turnaround time. This paper thoroughly reviews the AI/ML automated approaches introduced in the past towards VLSI design and manufacturing. Moreover, we discuss the scope of AI/ML applications in the future at various abstraction levels to revolutionize the field of VLSI design, aiming for high-speed, highly intelligent, and efficient implementations

Finite elements software and applications

The contents of this thesis are a detailed study of the software for the finite element method. In the text, the finite element method is introduced from both the engineering and mathematical points of view. The computer implementation of the method is explained with samples of mainframe, mini- and micro-computer implementations. A solution is presented for the problem of limited stack size for both mini- and micro-computers which possess stack architecture. Several finite element programs are presented. Special purpose programs to solve problems in structural analysis and groundwater flow are discussed. However, an efficient easy-to-use finite element program for general two-dimensional problems is presented. Several problems in groundwater flow are considered that include steady, unsteady flows in different types of aquifers. Different cases of sinks and sources in the flow domain are also considered. The performance of finite element methods is studied for the chosen problems by comparing the numerical solutions of test problems with analytical solutions (if they exist) or with solutions obtained by other numerical methods. The polynomial refinement of the finite elements is studied for the presented problems in order to offer some evidence as to which finite element simulation is best to use under a variety of circumstances

Weakly-Labeled Data and Identity-Normalization for Facial Image Analysis

RÉSUMÉ Cette thèse traite de l’amélioration de la reconnaissance faciale et de l’analyse de l’expression du visage en utilisant des sources d’informations faibles. Les données étiquetées sont souvent rares, mais les données non étiquetées contiennent souvent des informations utiles pour l’apprentissage d’un modèle. Cette thèse décrit deux exemples d’utilisation de cette idée. Le premier est une nouvelle méthode pour la reconnaissance faciale basée sur l’exploitation de données étiquetées faiblement ou bruyamment. Les données non étiquetées peuvent être acquises d’une manière qui offre des caractéristiques supplémentaires. Ces caractéristiques, tout en n’étant pas disponibles pour les données étiquetées, peuvent encore être utiles avec un peu de prévoyance. Cette thèse traite de la combinaison d’un ensemble de données étiquetées pour la reconnaissance faciale avec des images des visages extraits de vidéos sur YouTube et des images des visages obtenues à partir d’un moteur de recherche. Le moteur de recherche web et le moteur de recherche vidéo peuvent être considérés comme de classificateurs très faibles alternatifs qui fournissent des étiquettes faibles. En utilisant les résultats de ces deux types de requêtes de recherche comme des formes d’étiquettes faibles différents, une méthode robuste pour la classification peut être développée. Cette méthode est basée sur des modèles graphiques, mais aussi incorporant une marge probabiliste. Plus précisément, en utilisant un modèle inspiré par la variational relevance vector machine (RVM), une alternative probabiliste à la support vector machine (SVM) est développée. Contrairement aux formulations précédentes de la RVM, le choix d’une probabilité a priori exponentielle est introduit pour produire une approximation de la pénalité L1. Les résultats expérimentaux où les étiquettes bruyantes sont simulées, et les deux expériences distinctes où les étiquettes bruyantes de l’image et les résultats de recherche vidéo en utilisant des noms comme les requêtes indiquent que l’information faible dans les étiquettes peut être exploitée avec succès. Puisque le modèle dépend fortement des méthodes noyau de régression clairsemées, ces méthodes sont examinées et discutées en détail. Plusieurs algorithmes différents utilisant les distributions a priori pour encourager les modèles clairsemés sont décrits en détail. Des expériences sont montrées qui illustrent le comportement de chacune de ces distributions. Utilisés en conjonction avec la régression logistique, les effets de chaque distribution sur l’ajustement du modèle et la complexité du modèle sont montrés. Les extensions aux autres méthodes d’apprentissage machine sont directes, car l’approche est ancrée dans la probabilité bayésienne. Une expérience dans la prédiction structurée utilisant un conditional random field pour une tâche d’imagerie médicale est montrée pour illustrer comment ces distributions a priori peuvent être incorporées facilement à d’autres tâches et peuvent donner de meilleurs résultats. Les données étiquetées peuvent également contenir des sources faibles d’informations qui ne peuvent pas nécessairement être utilisées pour un effet maximum. Par exemple les ensembles de données d’images des visages pour les tâches tels que, l’animation faciale contrôlée par les performances des comédiens, la reconnaissance des émotions, et la prédiction des points clés ou les repères du visage contiennent souvent des étiquettes alternatives par rapport à la tâche d’internet principale. Dans les données de reconnaissance des émotions, par exemple, des étiquettes de l’émotion sont souvent rares. C’est peut-être parce que ces images sont extraites d’une vidéo, dans laquelle seul un petit segment représente l’étiquette de l’émotion. En conséquence, de nombreuses images de l’objet sont dans le même contexte en utilisant le même appareil photo ne sont pas utilisés. Toutefois, ces données peuvent être utilisées pour améliorer la capacité des techniques d’apprentissage de généraliser pour des personnes nouvelles et pas encore vues en modélisant explicitement les variations vues précédemment liées à l’identité et à l’expression. Une fois l’identité et de la variation de l’expression sont séparées, les approches supervisées simples peuvent mieux généraliser aux identités de nouveau. Plus précisément, dans cette thèse, la modélisation probabiliste de ces sources de variation est utilisée pour identité normaliser et des diverses représentations d’images faciales. Une variété d’expériences sont décrites dans laquelle la performance est constamment améliorée, incluant la reconnaissance des émotions, les animations faciales contrôlées par des visages des comédiens sans marqueurs et le suivi des points clés sur des visages. Dans de nombreux cas dans des images faciales, des sources d’information supplémentaire peuvent être disponibles qui peuvent être utilisées pour améliorer les tâches d’intérêt. Cela comprend des étiquettes faibles qui sont prévues pendant la collecte des données, telles que la requête de recherche utilisée pour acquérir des données, ainsi que des informations d’identité dans le cas de plusieurs bases de données d’images expérimentales. Cette thèse soutient en principal que cette information doit être utilisée et décrit les méthodes pour le faire en utilisant les outils de la probabilité.----------ABSTRACT This thesis deals with improving facial recognition and facial expression analysis using weak sources of information. Labeled data is often scarce, but unlabeled data often contains information which is helpful to learning a model. This thesis describes two examples of using this insight. The first is a novel method for face-recognition based on leveraging weak or noisily labeled data. Unlabeled data can be acquired in a way which provides additional features. These features, while not being available for the labeled data, may still be useful with some foresight. This thesis discusses combining a labeled facial recognition dataset with face images extracted from videos on YouTube and face images returned from using a search engine. The web search engine and the video search engine can be viewed as very weak alternative classifier which provide “weak labels.” Using the results from these two different types of search queries as forms of weak labels, a robust method for classification can be developed. This method is based on graphical models, but also encorporates a probabilistic margin. More specifically, using a model inspired by the variational relevance vector machine (RVM), a probabilistic alternative to transductive support vector machines (TSVM) is further developed. In contrast to previous formulations of RVMs, the choice of an Exponential hyperprior is introduced to produce an approximation to the L1 penalty. Experimental results where noisy labels are simulated and separate experiments where noisy labels from image and video search results using names as queries both indicate that weak label information can be successfully leveraged. Since the model depends heavily on sparse kernel regression methods, these methods are reviewed and discussed in detail. Several different sparse priors algorithms are described in detail. Experiments are shown which illustrate the behavior of each of these sparse priors. Used in conjunction with logistic regression, each sparsity inducing prior is shown to have varying effects in terms of sparsity and model fit. Extending this to other machine learning methods is straight forward since it is grounded firmly in Bayesian probability. An experiment in structured prediction using Conditional Random Fields on a medical image task is shown to illustrate how sparse priors can easily be incorporated in other tasks, and can yield improved results. Labeled data may also contain weak sources of information that may not necessarily be used to maximum effect. For example, facial image datasets for the tasks of performance driven facial animation, emotion recognition, and facial key-point or landmark prediction often contain alternative labels from the task at hand. In emotion recognition data, for example, emotion labels are often scarce. This may be because these images are extracted from a video, in which only a small segment depicts the emotion label. As a result, many images of the subject in the same setting using the same camera are unused. However, this data can be used to improve the ability of learning techniques to generalize to new and unseen individuals by explicitly modeling previously seen variations related to identity and expression. Once identity and expression variation are separated, simpler supervised approaches can work quite well to generalize to unseen subjects. More specifically, in this thesis, probabilistic modeling of these sources of variation is used to “identity-normalize” various facial image representations. A variety of experiments are described in which performance on emotion recognition, markerless performance-driven facial animation and facial key-point tracking is consistently improved. This includes an algorithm which shows how this kind of normalization can be used for facial key-point localization. In many cases in facial images, sources of information may be available that can be used to improve tasks. This includes weak labels which are provided during data gathering, such as the search query used to acquire data, as well as identity information in the case of many experimental image databases. This thesis argues in main that this information should be used and describes methods for doing so using the tools of probability