Hyperspectral Image Segmentation Using a New Spectral Unmixing-Based Binary Partition Tree Representation

International audienceThe Binary Partition Tree (BPT) is a hierarchical region-based representation of an image in a tree structure. BPT allows users to explore the image at different segmentation scales. Often, the tree is pruned to get a more compact representation and so the remaining nodes conform an optimal partition for some given task. Here, we propose a novel BPT construction approach and pruning strategy for hyperspectral images based on spectral unmixing concepts. Linear Spectral Unmixing (LSU) consists of finding the spectral signatures of the materials present in the image (endmembers) and their fractional abundances within each pixel. The proposed methodology exploits the local unmixing of the regions to find the partition achieving a global minimum reconstruction error. Results are presented on real hyperspectral data sets with different contexts and resolutions

Hyperspectral image segmentation using a new spectral mixture-based binary partition tree representation

International audienceThe Binary Partition Tree (BPT) is a hierarchical region-based representation of an image in a tree structure. BPT allows users to explore the image at different segmentation scales, from fine partitions close to the leaves to coarser partitions close to the root. Often, the tree is pruned so the leaves of the resulting pruned tree conform an optimal partition given some optimality criterion. Here, we propose a novel BPT construction approach and pruning strategy for hyperspectral images based on spectral unmixing concepts. The proposed methodology exploits the local unmixing of the regions to find the partition achieving a global minimum reconstruction error. We successfully tested the proposed approach on the well-known Cuprite hyperspectral image collected by NASA Jet Propulsion Laboratory's Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS). This scene is considered as a standard benchmark to validate spectral unmixing algorithms

From local to global unmixing of hyperspectral images to reveal spectral variability

International audienceThe linear mixing model is widely assumed when unmixing hyperspectral images, but it cannot account for endmembers spectral variability. Thus, several workarounds have arisen in the hyperspectral unmixing literature, such as the extended linear mixing model (ELMM), which authorizes endmembers to vary pixelwise according to scaling factors, or local spectral unmixing (LSU) where the unmixing process is conducted locally within the image. In the latter case however, results are difficult to interpret at the whole image scale. In this work, we propose to analyze the local results of LSU within the ELMM framework, and show that it not only allows to reconstruct global endmembers and fractional abundances from the local ones, but it also gives access to the scaling factors advocated by the ELMM. Results obtained on a real hyperspectral image confirm the soundness of the proposed methodology

Hyperspectral super-resolution of locally low rank images from complementary multisource data

International audienceRemote sensing hyperspectral images (HSI) are quite often low rank, in the sense that the data belong to a low dimensional subspace/manifold. This has been recently exploited for the fusion of low spatial resolution HSI with high spatial resolution multispectral images (MSI) in order to obtain super-resolution HSI. Most approaches adopt an unmixing or a matrix factorization perspective. The derived methods have led to state-of-the-art results when the spectral information lies in a low dimensional subspace/manifold. However, if the subspace/manifold dimensionality spanned by the complete data set is large, i.e., larger than the number of multispectral bands, the performance of these methods decrease mainly because the underlying sparse regression problem is severely ill-posed. In this paper, we propose a local approach to cope with this difficulty. Fundamentally, we exploit the fact that real world HSI are locally low rank, that is, pixels acquired from a given spatial neighborhood span a very low dimensional subspace/manifold, i.e., lower or equal than the number of multispectral bands. Thus, we propose to partition the image into patches and solve the data fusion problem independently for each patch. This way, in each patch the subspace/manifold dimensionality is low enough such that the problem is not ill-posed anymore. We propose two alternative approaches to define the hyperspectral super-resolution via local dictionary learning using endmember induction algorithms (HSR-LDL-EIA). We also explore two alternatives to define the local regions, using sliding windows and binary partition trees. The effectiveness of the proposed approaches is illustrated with synthetic and semi real data

Analyse hiérarchique d'images multimodales

There is a growing interest in the development of adapted processing tools for multimodal images (several images acquired over the same scene with different characteristics). Allowing a more complete description of the scene, multimodal images are of interest in various image processing fields, but their optimal handling and exploitation raise several issues. This thesis extends hierarchical representations, a powerful tool for classical image analysis and processing, to multimodal images in order to better exploit the additional information brought by the multimodality and improve classical image processing techniques. %when applied to real applications. This thesis focuses on three different multimodalities frequently encountered in the remote sensing field. We first investigate the spectral-spatial information of hyperspectral images. Based on an adapted construction and processing of the hierarchical representation, we derive a segmentation which is optimal with respect to the spectral unmixing operation. We then focus on the temporal multimodality and sequences of hyperspectral images. Using the hierarchical representation of the frames in the sequence, we propose a new method to achieve object tracking and apply it to chemical gas plume tracking in thermal infrared hyperspectral video sequences. Finally, we study the sensorial multimodality, being images acquired with different sensors. Relying on the concept of braids of partitions, we propose a novel methodology of image segmentation, based on an energetic minimization framework.Il y a un intérêt grandissant pour le développement d’outils de traitements adaptés aux images multimodales (plusieurs images de la même scène acquises avec différentes caractéristiques). Permettant une représentation plus complète de la scène, ces images multimodales ont de l'intérêt dans plusieurs domaines du traitement d'images, mais les exploiter et les manipuler de manière optimale soulève plusieurs questions. Cette thèse étend les représentations hiérarchiques, outil puissant pour le traitement et l’analyse d’images classiques, aux images multimodales afin de mieux exploiter l’information additionnelle apportée par la multimodalité et améliorer les techniques classiques de traitement d’images. Cette thèse se concentre sur trois différentes multimodalités fréquemment rencontrées dans le domaine de la télédétection. Nous examinons premièrement l’information spectrale-spatiale des images hyperspectrales. Une construction et un traitement adaptés de la représentation hiérarchique nous permettent de produire une carte de segmentation de l'image optimale vis-à-vis de l'opération de démélange spectrale. Nous nous concentrons ensuite sur la multimodalité temporelle, traitant des séquences d’images hyperspectrales. En utilisant les représentations hiérarchiques des différentes images de la séquence, nous proposons une nouvelle méthode pour effectuer du suivi d’objet et l’appliquons au suivi de nuages de gaz chimique dans des séquences d’images hyperspectrales dans le domaine thermique infrarouge. Finalement, nous étudions la multimodalité sensorielle, c’est-à-dire les images acquises par différents capteurs. Nous appuyant sur le concept des tresses de partitions, nous proposons une nouvelle méthodologie de segmentation se basant sur un cadre de minimisation d’énergie

Online Graph-Based Change Point Detection in Multiband Image Sequences

The automatic detection of changes or anomalies between multispectral and hyperspectral images collected at different time instants is an active and challenging research topic. To effectively perform change-point detection in multitemporal images, it is important to devise techniques that are computationally efficient for processing large datasets, and that do not require knowledge about the nature of the changes. In this paper, we introduce a novel online framework for detecting changes in multitemporal remote sensing images. Acting on neighboring spectra as adjacent vertices in a graph, this algorithm focuses on anomalies concurrently activating groups of vertices corresponding to compact, well-connected and spectrally homogeneous image regions. It fully benefits from recent advances in graph signal processing to exploit the characteristics of the data that lie on irregular supports. Moreover, the graph is estimated directly from the images using superpixel decomposition algorithms. The learning algorithm is scalable in the sense that it is efficient and spatially distributed. Experiments illustrate the detection and localization performance of the method

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