Adaptive Markov random fields for joint unmixing and segmentation of hyperspectral image

Linear spectral unmixing is a challenging problem in hyperspectral imaging that consists of decomposing an observed pixel into a linear combination of pure spectra (or endmembers) with their corresponding proportions (or abundances). Endmember extraction algorithms can be employed for recovering the spectral signatures while abundances are estimated using an inversion step. Recent works have shown that exploiting spatial dependencies between image pixels can improve spectral unmixing. Markov random fields (MRF) are classically used to model these spatial correlations and partition the image into multiple classes with homogeneous abundances. This paper proposes to define the MRF sites using similarity regions. These regions are built using a self-complementary area filter that stems from the morphological theory. This kind of filter divides the original image into flat zones where the underlying pixels have the same spectral values. Once the MRF has been clearly established, a hierarchical Bayesian algorithm is proposed to estimate the abundances, the class labels, the noise variance, and the corresponding hyperparameters. A hybrid Gibbs sampler is constructed to generate samples according to the corresponding posterior distribution of the unknown parameters and hyperparameters. Simulations conducted on synthetic and real AVIRIS data demonstrate the good performance of the algorithm

Hyperspectral Unmixing Overview: Geometrical, Statistical, and Sparse Regression-Based Approaches

Imaging spectrometers measure electromagnetic energy scattered in their instantaneous field view in hundreds or thousands of spectral channels with higher spectral resolution than multispectral cameras. Imaging spectrometers are therefore often referred to as hyperspectral cameras (HSCs). Higher spectral resolution enables material identification via spectroscopic analysis, which facilitates countless applications that require identifying materials in scenarios unsuitable for classical spectroscopic analysis. Due to low spatial resolution of HSCs, microscopic material mixing, and multiple scattering, spectra measured by HSCs are mixtures of spectra of materials in a scene. Thus, accurate estimation requires unmixing. Pixels are assumed to be mixtures of a few materials, called endmembers. Unmixing involves estimating all or some of: the number of endmembers, their spectral signatures, and their abundances at each pixel. Unmixing is a challenging, ill-posed inverse problem because of model inaccuracies, observation noise, environmental conditions, endmember variability, and data set size. Researchers have devised and investigated many models searching for robust, stable, tractable, and accurate unmixing algorithms. This paper presents an overview of unmixing methods from the time of Keshava and Mustard's unmixing tutorial [1] to the present. Mixing models are first discussed. Signal-subspace, geometrical, statistical, sparsity-based, and spatial-contextual unmixing algorithms are described. Mathematical problems and potential solutions are described. Algorithm characteristics are illustrated experimentally.Comment: This work has been accepted for publication in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensin

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

Bayesian fusion of multi-band images : A powerful tool for super-resolution

Hyperspectral (HS) imaging, which consists of acquiring a same scene in several hundreds of contiguous spectral bands (a three dimensional data cube), has opened a new range of relevant applications, such as target detection [MS02], classification [C.-03] and spectral unmixing [BDPD+12]. However, while HS sensors provide abundant spectral information, their spatial resolution is generally more limited. Thus, fusing the HS image with other highly resolved images of the same scene, such as multispectral (MS) or panchromatic (PAN) images is an interesting problem. The problem of fusing a high spectral and low spatial resolution image with an auxiliary image of higher spatial but lower spectral resolution, also known as multi-resolution image fusion, has been explored for many years [AMV+11]. From an application point of view, this problem is also important as motivated by recent national programs, e.g., the Japanese next-generation space-borne hyperspectral image suite (HISUI), which fuses co-registered MS and HS images acquired over the same scene under the same conditions [YI13]. Bayesian fusion allows for an intuitive interpretation of the fusion process via the posterior distribution. Since the fusion problem is usually ill-posed, the Bayesian methodology offers a convenient way to regularize the problem by defining appropriate prior distribution for the scene of interest. The aim of this thesis is to study new multi-band image fusion algorithms to enhance the resolution of hyperspectral image. In the first chapter, a hierarchical Bayesian framework is proposed for multi-band image fusion by incorporating forward model, statistical assumptions and Gaussian prior for the target image to be restored. To derive Bayesian estimators associated with the resulting posterior distribution, two algorithms based on Monte Carlo sampling and optimization strategy have been developed. In the second chapter, a sparse regularization using dictionaries learned from the observed images is introduced as an alternative of the naive Gaussian prior proposed in Chapter 1. instead of Gaussian prior is introduced to regularize the ill-posed problem. Identifying the supports jointly with the dictionaries circumvented the difficulty inherent to sparse coding. To minimize the target function, an alternate optimization algorithm has been designed, which accelerates the fusion process magnificently comparing with the simulation-based method. In the third chapter, by exploiting intrinsic properties of the blurring and downsampling matrices, a much more efficient fusion method is proposed thanks to a closed-form solution for the Sylvester matrix equation associated with maximizing the likelihood. The proposed solution can be embedded into an alternating direction method of multipliers or a block coordinate descent method to incorporate different priors or hyper-priors for the fusion problem, allowing for Bayesian estimators. In the last chapter, a joint multi-band image fusion and unmixing scheme is proposed by combining the well admitted linear spectral mixture model and the forward model. The joint fusion and unmixing problem is solved in an alternating optimization framework, mainly consisting of solving a Sylvester equation and projecting onto a simplex resulting from the non-negativity and sum-to-one constraints. The simulation results conducted on synthetic and semi-synthetic images illustrate the advantages of the developed Bayesian estimators, both qualitatively and quantitatively

Hierarchical Bayesian image analysis: from low-level modeling to robust supervised learning

Within a supervised classification framework, labeled data are used to learn classifier parameters. Prior to that, it is generally required to perform dimensionality reduction via feature extraction. These preprocessing steps have motivated numerous research works aiming at recovering latent variables in an unsupervised context. This paper proposes a unified framework to perform classification and low-level modeling jointly. The main objective is to use the estimated latent variables as features for classification and to incorporate simultaneously supervised information to help latent variable extraction. The proposed hierarchical Bayesian model is divided into three stages: a first low-level modeling stage to estimate latent variables, a second stage clustering these features into statistically homogeneous groups and a last classification stage exploiting the (possibly badly) labeled data. Performance of the model is assessed in the specific context of hyperspectral image interpretation, unifying two standard analysis techniques, namely unmixing and classification

Bayesian Fusion of Multi-Band Images

International audienceThis paper presents a Bayesian fusion technique for remotely sensed multi-band images. The observed images are related to the high spectral and high spatial resolution image to be recovered through physical degradations, e.g., spatial and spectral blurring and/or subsampling defined by the sensor characteristics. The fusion problem is formulated within a Bayesian estimation framework. An appropriate prior distribution exploiting geometrical considerations is introduced. To compute the Bayesian estimator of the scene of interest from its posterior distribution, a Markov chain Monte Carlo algorithm is designed to generate samples asymptotically distributed according to the target distribution. To efficiently sample from this high-dimension distribution, a Hamiltonian Monte Carlo step is introduced within a Gibbs sampling strategy. The efficiency of the proposed fusion method is evaluated with respect to several state-of-the-art fusion techniques

From representation learning to thematic classification - Application to hierarchical analysis of hyperspectral images

Numerous frameworks have been developed in order to analyze the increasing amount of available image data. Among those methods, supervised classification has received considerable attention leading to the development of state-of-the-art classification methods. These methods aim at inferring the class of each observation given a specific class nomenclature by exploiting a set of labeled observations. Thanks to extensive research efforts of the community, classification methods have become very efficient. Nevertheless, the results of a classification remains a highlevel interpretation of the scene since it only gives a single class to summarize all information in a given pixel. Contrary to classification methods, representation learning methods are model-based approaches designed especially to handle high-dimensional data and extract meaningful latent variables. By using physic-based models, these methods allow the user to extract very meaningful variables and get a very detailed interpretation of the considered image. The main objective of this thesis is to develop a unified framework for classification and representation learning. These two methods provide complementary approaches allowing to address the problem using a hierarchical modeling approach. The representation learning approach is used to build a low-level model of the data whereas classification is used to incorporate supervised information and may be seen as a high-level interpretation of the data. Two different paradigms, namely Bayesian models and optimization approaches, are explored to set up this hierarchical model. The proposed models are then tested in the specific context of hyperspectral imaging where the representation learning task is specified as a spectral unmixing proble

Novel pattern recognition methods for classification and detection in remote sensing and power generation applications

Novel pattern recognition methods for classification and detection in remote sensing and power generation application

Bayesian Fusion of Multi-Band Images -Complementary results and supporting materials

Abstract In this paper, a Bayesian fusion technique for remotely sensed multi-band images is presented. The observed images are related to the high spectral and high spatial resolution image to be recovered through physical degradations, e.g., spatial and spectral blurring and/or subsampling defined by the sensor characteristics. The fusion problem is formulated within a Bayesian estimation framework. An appropriate prior distribution exploiting geometrical consideration is introduced. To compute the Bayesian estimator of the scene of interest from its posterior distribution, a Markov chain Monte Carlo algorithm is designed to generate samples asymptotically distributed according to the target distribution. To efficiently sample from this high-dimension distribution, a Hamiltonian Monte Carlo step is introduced in the Gibbs sampling strategy. The efficiency of the proposed fusion method is evaluated with respect to several state-of-the-art fusion techniques. In particular, low spatial resolution hyperspectral and multispectral images are fused to produce a high spatial resolution hyperspectral image. Index Terms Part of this work has been supported by the Hypanema ANR Project