Optimal Clustering Framework for Hyperspectral Band Selection

Band selection, by choosing a set of representative bands in hyperspectral image (HSI), is an effective method to reduce the redundant information without compromising the original contents. Recently, various unsupervised band selection methods have been proposed, but most of them are based on approximation algorithms which can only obtain suboptimal solutions toward a specific objective function. This paper focuses on clustering-based band selection, and proposes a new framework to solve the above dilemma, claiming the following contributions: 1) An optimal clustering framework (OCF), which can obtain the optimal clustering result for a particular form of objective function under a reasonable constraint. 2) A rank on clusters strategy (RCS), which provides an effective criterion to select bands on existing clustering structure. 3) An automatic method to determine the number of the required bands, which can better evaluate the distinctive information produced by certain number of bands. In experiments, the proposed algorithm is compared to some state-of-the-art competitors. According to the experimental results, the proposed algorithm is robust and significantly outperform the other methods on various data sets

Rich probabilistic models for semantic labeling

Das Ziel dieser Monographie ist es die Methoden und Anwendungen des semantischen Labelings zu erforschen. Unsere Beiträge zu diesem sich rasch entwickelten Thema sind bestimmte Aspekte der Modellierung und der Inferenz in probabilistischen Modellen und ihre Anwendungen in den interdisziplinären Bereichen der Computer Vision sowie medizinischer Bildverarbeitung und Fernerkundung

A comprehensive review of fruit and vegetable classification techniques

Recent advancements in computer vision have enabled wide-ranging applications in every field of life. One such application area is fresh produce classification, but the classification of fruit and vegetable has proven to be a complex problem and needs to be further developed. Fruit and vegetable classification presents significant challenges due to interclass similarities and irregular intraclass characteristics. Selection of appropriate data acquisition sensors and feature representation approach is also crucial due to the huge diversity of the field. Fruit and vegetable classification methods have been developed for quality assessment and robotic harvesting but the current state-of-the-art has been developed for limited classes and small datasets. The problem is of a multi-dimensional nature and offers significantly hyperdimensional features, which is one of the major challenges with current machine learning approaches. Substantial research has been conducted for the design and analysis of classifiers for hyperdimensional features which require significant computational power to optimise with such features. In recent years numerous machine learning techniques for example, Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbour (KNN), Decision Trees, Artificial Neural Networks (ANN) and Convolutional Neural Networks (CNN) have been exploited with many different feature description methods for fruit and vegetable classification in many real-life applications. This paper presents a critical comparison of different state-of-the-art computer vision methods proposed by researchers for classifying fruit and vegetable

A Review on Advances in Automated Plant Disease Detection

Plant diseases cause major yield and economic losses. To detect plant disease at early stages, selecting appropriate techniques is imperative as it affects the cost, diagnosis time, and accuracy. This research gives a comprehensive review of various plant disease detection methods based on the images used and processing algorithms applied. It systematically analyzes various traditional machine learning and deep learning algorithms used for processing visible and spectral range images, and comparatively evaluates the work done in literature in terms of datasets used, various image processing techniques employed, models utilized, and efficiency achieved. The study discusses the benefits and restrictions of each method along with the challenges to be addressed for rapid and accurate plant disease detection. Results show that for plant disease detection, deep learning outperforms traditional machine learning algorithms while visible range images are more widely used compared to spectral images

Multivariate analysis of Brillouin imaging data by supervised and unsupervised learning

Brillouin imaging relies on the reliable extraction of subtle spectral information from hyperspectral datasets. To date, the mainstream practice has been using line fitting of spectral features to retrieve the average peak shift and linewidth parameters. Good results, however, depend heavily on sufficient SNR and may not be applicable in complex samples that consist of spectral mixtures. In this work, we thus propose the use of various multivariate algorithms that can be used to perform supervised or unsupervised analysis of the hyperspectral data, with which we explore advanced image analysis applications, namely unmixing, classification and segmentation in a phantom and live cells. The resulting images are shown to provide more contrast and detail, and obtained on a timescale $10^2$ faster than fitting. The estimated spectral parameters are consistent with those calculated from pure fitting

Computer Vision System for Non-Destructive and Contactless Evaluation of Quality Traits in Fresh Rocket Leaves (Diplotaxis Tenuifolia L.)

La tesi di dottorato è incentrata sull'analisi di tecnologie non distruttive per il controllo della qualità dei prodotti agroalimentari, lungo l'intera filiera agroalimentare. In particolare, la tesi riguarda l'applicazione del sistema di visione artificiale per valutare la qualità delle foglie di rucola fresh-cut. La tesi è strutturata in tre parti (introduzione, applicazioni sperimentali e conclusioni) e in cinque capitoli, rispettivamente il primo e il secondo incentrati sulle tecnologie non distruttive e in particolare sui sistemi di computer vision per il monitoraggio della qualità dei prodotti agroalimentari. Il terzo, quarto e quinto capitolo mirano a valutare le foglie di rucola sulla base della stima di parametri qualitativi, considerando diversi aspetti: (i) la variabilità dovuta alle diverse pratiche agricole, (ii) la senescenza dei prodotti confezionati e non, e (iii) lo sviluppo e sfruttamento dei vantaggi di nuovi modelli più semplici rispetto al machine learning utilizzato negli esperimenti precedenti. Il lavoro di ricerca di questa tesi di dottorato è stato svolto dall'Università di Foggia, dall'Istituto di Scienze delle Produzioni Alimentari (ISPA) e dall'Istituto di Tecnologie e Sistemi Industriali Intelligenti per le Manifatture Avanzate (STIIMA) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). L’attività di ricerca è stata condotta nell'ambito del Progetto SUS&LOW (Sustaining Low-impact Practices in Horticulture through Non-destructive Approach to Provide More Information on Fresh Produce History & Quality), finanziato dal MUR-PRIN 2017, e volto a sostenere la qualità della produzione e dell'ambiente utilizzando pratiche agricole a basso input e la valutazione non distruttiva della qualità di prodotti ortofrutticoli.The doctoral thesis focused on the analysis of non-destructive technologies available for the control quality of agri-food products, along the whole supply chain. In particular, the thesis concerns the application of computer vision system to evaluate the quality of fresh rocket leaves. The thesis is structured in three parts (introduction, experimental applications and conclusions) and in 5 chapters, the first and second focused on non-destructive technologies and in particular on computer vision systems for monitoring the quality of agri-food products, respectively. The third, quarter, and fifth chapters aim to assess the rocket leaves based on the estimation of quality aspects, considering different aspects: (i) the variability due to the different agricultural practices, (ii) the senescence of packed and unpacked products, and (iii) development and exploitation of the advantages of new models simpler than the machine learning used in the previous experiments. The research work of this doctoral thesis was carried out by the University of Foggia, the Institute of Science of Food Production (ISPA) and the Institute of Intelligent Industrial Technologies and Systems for Advanced Manufacturing (STIIMA) of National Research Council (CNR). It was conducted within the Project SUS&LOW (Sustaining Low-impact Practices in Horticulture through Non-destructive Approach to Provide More Information on Fresh Produce History & Quality), funded by MUR- PRIN 2017, and aimed at sustaining quality of production and of the environment using low input agricultural practices and non-destructive quality evaluation

Perception of Unstructured Environments for Autonomous Off-Road Vehicles

Autonome Fahrzeuge benötigen die Fähigkeit zur Perzeption als eine notwendige Voraussetzung für eine kontrollierbare und sichere Interaktion, um ihre Umgebung wahrzunehmen und zu verstehen. Perzeption für strukturierte Innen- und Außenumgebungen deckt wirtschaftlich lukrative Bereiche, wie den autonomen Personentransport oder die Industrierobotik ab, während die Perzeption unstrukturierter Umgebungen im Forschungsfeld der Umgebungswahrnehmung stark unterrepräsentiert ist. Die analysierten unstrukturierten Umgebungen stellen eine besondere Herausforderung dar, da die vorhandenen, natürlichen und gewachsenen Geometrien meist keine homogene Struktur aufweisen und ähnliche Texturen sowie schwer zu trennende Objekte dominieren. Dies erschwert die Erfassung dieser Umgebungen und deren Interpretation, sodass Perzeptionsmethoden speziell für diesen Anwendungsbereich konzipiert und optimiert werden müssen. In dieser Dissertation werden neuartige und optimierte Perzeptionsmethoden für unstrukturierte Umgebungen vorgeschlagen und in einer ganzheitlichen, dreistufigen Pipeline für autonome Geländefahrzeuge kombiniert: Low-Level-, Mid-Level- und High-Level-Perzeption. Die vorgeschlagenen klassischen Methoden und maschinellen Lernmethoden (ML) zur Perzeption bzw.~Wahrnehmung ergänzen sich gegenseitig. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Perzeptions- und Validierungsmethoden für jede Ebene eine zuverlässige Wahrnehmung der möglicherweise unbekannten Umgebung, wobei lose und eng gekoppelte Validierungsmethoden kombiniert werden, um eine ausreichende, aber flexible Bewertung der vorgeschlagenen Perzeptionsmethoden zu gewährleisten. Alle Methoden wurden als einzelne Module innerhalb der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Perzeptions- und Validierungspipeline entwickelt, und ihre flexible Kombination ermöglicht verschiedene Pipelinedesigns für eine Vielzahl von Geländefahrzeugen und Anwendungsfällen je nach Bedarf. Low-Level-Perzeption gewährleistet eine eng gekoppelte Konfidenzbewertung für rohe 2D- und 3D-Sensordaten, um Sensorausfälle zu erkennen und eine ausreichende Genauigkeit der Sensordaten zu gewährleisten. Darüber hinaus werden neuartige Kalibrierungs- und Registrierungsansätze für Multisensorsysteme in der Perzeption vorgestellt, welche lediglich die Struktur der Umgebung nutzen, um die erfassten Sensordaten zu registrieren: ein halbautomatischer Registrierungsansatz zur Registrierung mehrerer 3D~Light Detection and Ranging (LiDAR) Sensoren und ein vertrauensbasiertes Framework, welches verschiedene Registrierungsmethoden kombiniert und die Registrierung verschiedener Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien ermöglicht. Dabei validiert die Kombination mehrerer Registrierungsmethoden die Registrierungsergebnisse in einer eng gekoppelten Weise. Mid-Level-Perzeption ermöglicht die 3D-Rekonstruktion unstrukturierter Umgebungen mit zwei Verfahren zur Schätzung der Disparität von Stereobildern: ein klassisches, korrelationsbasiertes Verfahren für Hyperspektralbilder, welches eine begrenzte Menge an Test- und Validierungsdaten erfordert, und ein zweites Verfahren, welches die Disparität aus Graustufenbildern mit neuronalen Faltungsnetzen (CNNs) schätzt. Neuartige Disparitätsfehlermetriken und eine Evaluierungs-Toolbox für die 3D-Rekonstruktion von Stereobildern ergänzen die vorgeschlagenen Methoden zur Disparitätsschätzung aus Stereobildern und ermöglichen deren lose gekoppelte Validierung. High-Level-Perzeption konzentriert sich auf die Interpretation von einzelnen 3D-Punktwolken zur Befahrbarkeitsanalyse, Objekterkennung und Hindernisvermeidung. Eine Domänentransferanalyse für State-of-the-art-Methoden zur semantischen 3D-Segmentierung liefert Empfehlungen für eine möglichst exakte Segmentierung in neuen Zieldomänen ohne eine Generierung neuer Trainingsdaten. Der vorgestellte Trainingsansatz für 3D-Segmentierungsverfahren mit CNNs kann die benötigte Menge an Trainingsdaten weiter reduzieren. Methoden zur Erklärbarkeit künstlicher Intelligenz vor und nach der Modellierung ermöglichen eine lose gekoppelte Validierung der vorgeschlagenen High-Level-Methoden mit Datensatzbewertung und modellunabhängigen Erklärungen für CNN-Vorhersagen. Altlastensanierung und Militärlogistik sind die beiden Hauptanwendungsfälle in unstrukturierten Umgebungen, welche in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Anwendungsszenarien zeigen auch, wie die Lücke zwischen der Entwicklung einzelner Methoden und ihrer Integration in die Verarbeitungskette für autonome Geländefahrzeuge mit Lokalisierung, Kartierung, Planung und Steuerung geschlossen werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene Pipeline flexible Perzeptionslösungen für autonome Geländefahrzeuge bietet und die begleitende Validierung eine exakte und vertrauenswürdige Perzeption unstrukturierter Umgebungen gewährleistet

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

Object Detection in High Resolution Aerial Images and Hyperspectral Remote Sensing Images

With rapid developments in satellite and sensor technologies, there has been a dramatic increase in the availability of remotely sensed images. However, the exploration of these images still involves a tremendous amount of human interventions, which are tedious, time-consuming, and inefficient. To help imaging experts gain a complete understanding of the images and locate the objects of interest in a more accurate and efficient way, there is always an urgent need for developing automatic detection algorithms. In this work, we delve into the object detection problems in remote sensing applications, exploring the detection algorithms for both hyperspectral images (HSIs) and high resolution aerial images. In the first part, we focus on the subpixel target detection problem in HSIs with low spatial resolutions, where the objects of interest are much smaller than the image pixel spatial resolution. To this end, we explore the detection frameworks that integrate image segmentation techniques in designing the matched filters (MFs). In particular, we propose a novel image segmentation algorithm to identify the spatial-spectral coherent image regions, from which the background statistics were estimated for deriving the MFs. Extensive experimental studies were carried out to demonstrate the advantages of the proposed subpixel target detection framework. Our studies show the superiority of the approach when comparing to state-of-the-art methods. The second part of the thesis explores the object based image analysis (OBIA) framework for geospatial object detection in high resolution aerial images. Specifically, we generate a tree representation of the aerial images from the output of hierarchical image segmentation algorithms and reformulate the object detection problem into a tree matching task. We then proposed two tree-matching algorithms for the object detection framework. We demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed tree-matching based object detection framework. In the third part, we study object detection in high resolution aerial images from a machine learning perspective. We investigate both traditional machine learning based framework and end-to-end convolutional neural network (CNN) based approach for various object detection tasks. In the traditional detection framework, we propose to apply the Gaussian process classifier (GPC) to train an object detector and demonstrate the advantages of the probabilistic classification algorithm. In the CNN based approach, we proposed a novel scale transfer module that generates enhanced feature maps for object detection. Our results show the efficiency and competitiveness of the proposed algorithms when compared to state-of-the-art counterparts

Performance Evaluation of Cluster Validity Indices (CVIs) on Multi/Hyperspectral Remote Sensing Datasets

The number of clusters (i.e., the number of classes) for unsupervised classification has been recognized as an important part of remote sensing image clustering analysis. The number of classes is usually determined by cluster validity indices (CVIs). Although many CVIs have been proposed, few studies have compared and evaluated their effectiveness on remote sensing datasets. In this paper, the performance of 16 representative and commonly-used CVIs was comprehensively tested by applying the fuzzy c-means (FCM) algorithm to cluster nine types of remote sensing datasets, including multispectral (QuickBird, Landsat TM, Landsat ETM+, FLC1, and GaoFen-1) and hyperspectral datasets (Hyperion, HYDICE, ROSIS, and AVIRIS). The preliminary experimental results showed that most CVIs, including the commonly used DBI (Davies-Bouldin index) and XBI (Xie-Beni index), were not suitable for remote sensing images (especially for hyperspectral images) due to significant between-cluster overlaps; the only effective index for both multispectral and hyperspectral data sets was the WSJ index (WSJI). Such important conclusions can serve as a guideline for future remote sensing image clustering applications