Estimating and understanding motion : from diagnostic to robotic surgery

Estimating and understanding motion from an image sequence is a central topic in computer vision. The high interest in this topic is because we are living in a world where many events that occur in the environment are dynamic. This makes motion estimation and understanding a natural component and a key factor in a widespread of applications including object recognition , 3D shape reconstruction, autonomous navigation and medica! diagnosis. Particularly, we focus on the medical domain in which understanding the human body for clinical purposes requires retrieving the organs' complex motion patterns, which is in general a hard problem when using only image data. In this thesis, we cope with this problem by posing the question - How to achieve a realistic motion estimation to offer a better clinical understanding? We focus this thesis on answering this question by using a variational formulation as a basis to understand one of the most complex motions in the human's body, the heart motion, through three different applications: (i) cardiac motion estimation for diagnostic, (ii) force estimation and (iii) motion prediction, both for robotic surgery. Firstly, we focus on a central topic in cardiac imaging that is the estimation of the cardiac motion. The main aim is to offer objective and understandable measures to physicians for helping them in the diagnostic of cardiovascular diseases. We employ ultrafast ultrasound data and tools for imaging motion drawn from diverse areas such as low-rank analysis and variational deformation to perform a realistic cardiac motion estimation. The significance is that by taking low-rank data with carefully chosen penalization, synergies in this complex variational problem can be created. We demonstrate how our proposed solution deals with complex deformations through careful numerical experiments using realistic and simulated data. We then move from diagnostic to robotic surgeries where surgeons perform delicate procedures remotely through robotic manipulators without directly interacting with the patients. As a result, they lack force feedback, which is an important primary sense for increasing surgeon-patient transparency and avoiding injuries and high mental workload. To solve this problem, we follow the conservation principies of continuum mechanics in which it is clear that the change in shape of an elastic object is directly proportional to the force applied. Thus, we create a variational framework to acquire the deformation that the tissues undergo due to an applied force. Then, this information is used in a learning system to find the nonlinear relationship between the given data and the applied force. We carried out experiments with in-vivo and ex-vivo data and combined statistical, graphical and perceptual analyses to demonstrate the strength of our solution. Finally, we explore robotic cardiac surgery, which allows carrying out complex procedures including Off-Pump Coronary Artery Bypass Grafting (OPCABG). This procedure avoids the associated complications of using Cardiopulmonary Bypass (CPB) since the heart is not arrested while performing the surgery on a beating heart. Thus, surgeons have to deal with a dynamic target that compromisetheir dexterity and the surgery's precision. To compensate the heart motion, we propase a solution composed of three elements: an energy function to estimate the 3D heart motion, a specular highlight detection strategy and a prediction approach for increasing the robustness of the solution. We conduct evaluation of our solution using phantom and realistic datasets. We conclude the thesis by reporting our findings on these three applications and highlight the dependency between motion estimation and motion understanding at any dynamic event, particularly in clinical scenarios.L’estimació i comprensió del moviment dins d’una seqüència d’imatges és un tema central en la visió per ordinador, el que genera un gran interès perquè vivim en un entorn ple d’esdeveniments dinàmics. Per aquest motiu és considerat com un component natural i factor clau dins d’un ampli ventall d’aplicacions, el qual inclou el reconeixement d’objectes, la reconstrucció de formes tridimensionals, la navegació autònoma i el diagnòstic de malalties. En particular, ens situem en l’àmbit mèdic en el qual la comprensió del cos humà, amb finalitats clíniques, requereix l’obtenció de patrons complexos de moviment dels òrgans. Aquesta és, en general, una tasca difícil quan s’utilitzen només dades de tipus visual. En aquesta tesi afrontem el problema plantejant-nos la pregunta - Com es pot aconseguir una estimació realista del moviment amb l’objectiu d’oferir una millor comprensió clínica? La tesi se centra en la resposta mitjançant l’ús d’una formulació variacional com a base per entendre un dels moviments més complexos del cos humà, el del cor, a través de tres aplicacions: (i) estimació del moviment cardíac per al diagnòstic, (ii) estimació de forces i (iii) predicció del moviment, orientant-se les dues últimes en cirurgia robòtica. En primer lloc, ens centrem en un tema principal en la imatge cardíaca, que és l’estimació del moviment cardíac. L’objectiu principal és oferir als metges mesures objectives i comprensibles per ajudar-los en el diagnòstic de les malalties cardiovasculars. Fem servir dades d’ultrasons ultraràpids i eines per al moviment d’imatges procedents de diverses àrees, com ara l’anàlisi de baix rang i la deformació variacional, per fer una estimació realista del moviment cardíac. La importància rau en que, en prendre les dades de baix rang amb una penalització acurada, es poden crear sinergies en aquest problema variacional complex. Mitjançant acurats experiments numèrics, amb dades realístiques i simulades, hem demostrat com les nostres propostes solucionen deformacions complexes. Després passem del diagnòstic a la cirurgia robòtica, on els cirurgians realitzen procediments delicats remotament, a través de manipuladors robòtics, sense interactuar directament amb els pacients. Com a conseqüència, no tenen la percepció de la força com a resposta, que és un sentit primari important per augmentar la transparència entre el cirurgià i el pacient, per evitar lesions i per reduir la càrrega de treball mental. Resolem aquest problema seguint els principis de conservació de la mecànica del medi continu, en els quals està clar que el canvi en la forma d’un objecte elàstic és directament proporcional a la força aplicada. Per això hem creat un marc variacional que adquireix la deformació que pateixen els teixits per l’aplicació d’una força. Aquesta informació s’utilitza en un sistema d’aprenentatge, per trobar la relació no lineal entre les dades donades i la força aplicada. Hem dut a terme experiments amb dades in-vivo i ex-vivo i hem combinat l’anàlisi estadístic, gràfic i de percepció que demostren la robustesa de la nostra solució. Finalment, explorem la cirurgia cardíaca robòtica, la qual cosa permet realitzar procediments complexos, incloent la cirurgia coronària sense bomba (off-pump coronary artery bypass grafting o OPCAB). Aquest procediment evita les complicacions associades a l’ús de circulació extracorpòria (Cardiopulmonary Bypass o CPB), ja que el cor no s’atura mentre es realitza la cirurgia. Això comporta que els cirurgians han de tractar amb un objectiu dinàmic que compromet la seva destresa i la precisió de la cirurgia. Per compensar el moviment del cor, proposem una solució composta de tres elements: un funcional d’energia per estimar el moviment tridimensional del cor, una estratègia de detecció de les reflexions especulars i una aproximació basada en mètodes de predicció, per tal d’augmentar la robustesa de la solució. L’avaluació de la nostra solució s’ha dut a terme mitjançant conjunts de dades sintètiques i realistes. La tesi conclou informant dels nostres resultats en aquestes tres aplicacions i posant de relleu la dependència entre l’estimació i la comprensió del moviment en qualsevol esdeveniment dinàmic, especialment en escenaris clínics.Postprint (published version

ACME: Automated Cell Morphology Extractor for Comprehensive Reconstruction of Cell Membranes

The quantification of cell shape, cell migration, and cell rearrangements is important for addressing classical questions in developmental biology such as patterning and tissue morphogenesis. Time-lapse microscopic imaging of transgenic embryos expressing fluorescent reporters is the method of choice for tracking morphogenetic changes and establishing cell lineages and fate maps in vivo. However, the manual steps involved in curating thousands of putative cell segmentations have been a major bottleneck in the application of these technologies especially for cell membranes. Segmentation of cell membranes while more difficult than nuclear segmentation is necessary for quantifying the relations between changes in cell morphology and morphogenesis. We present a novel and fully automated method to first reconstruct membrane signals and then segment out cells from 3D membrane images even in dense tissues. The approach has three stages: 1) detection of local membrane planes, 2) voting to fill structural gaps, and 3) region segmentation. We demonstrate the superior performance of the algorithms quantitatively on time-lapse confocal and two-photon images of zebrafish neuroectoderm and paraxial mesoderm by comparing its results with those derived from human inspection. We also compared with synthetic microscopic images generated by simulating the process of imaging with fluorescent reporters under varying conditions of noise. Both the over-segmentation and under-segmentation percentages of our method are around 5%. The volume overlap of individual cells, compared to expert manual segmentation, is consistently over 84%. By using our software (ACME) to study somite formation, we were able to segment touching cells with high accuracy and reliably quantify changes in morphogenetic parameters such as cell shape and size, and the arrangement of epithelial and mesenchymal cells. Our software has been developed and tested on Windows, Mac, and Linux platforms and is available publicly under an open source BSD license (https://github.com/krm15/ACME)

Robust Modular Feature-Based Terrain-Aided Visual Navigation and Mapping

The visual feature-based Terrain-Aided Navigation (TAN) system presented in this thesis addresses the problem of constraining inertial drift introduced into the location estimate of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in GPS-denied environment. The presented TAN system utilises salient visual features representing semantic or human-interpretable objects (roads, forest and water boundaries) from onboard aerial imagery and associates them to a database of reference features created a-priori, through application of the same feature detection algorithms to satellite imagery. Correlation of the detected features with the reference features via a series of the robust data association steps allows a localisation solution to be achieved with a finite absolute bound precision defined by the certainty of the reference dataset. The feature-based Visual Navigation System (VNS) presented in this thesis was originally developed for a navigation application using simulated multi-year satellite image datasets. The extension of the system application into the mapping domain, in turn, has been based on the real (not simulated) flight data and imagery. In the mapping study the full potential of the system, being a versatile tool for enhancing the accuracy of the information derived from the aerial imagery has been demonstrated. Not only have the visual features, such as road networks, shorelines and water bodies, been used to obtain a position ’fix’, they have also been used in reverse for accurate mapping of vehicles detected on the roads into an inertial space with improved precision. Combined correction of the geo-coding errors and improved aircraft localisation formed a robust solution to the defense mapping application. A system of the proposed design will provide a complete independent navigation solution to an autonomous UAV and additionally give it object tracking capability

Structure-aware image denoising, super-resolution, and enhancement methods

Denoising, super-resolution and structure enhancement are classical image processing applications. The motive behind their existence is to aid our visual analysis of raw digital images. Despite tremendous progress in these fields, certain difficult problems are still open to research. For example, denoising and super-resolution techniques which possess all the following properties, are very scarce: They must preserve critical structures like corners, should be robust to the type of noise distribution, avoid undesirable artefacts, and also be fast. The area of structure enhancement also has an unresolved issue: Very little efforts have been put into designing models that can tackle anisotropic deformations in the image acquisition process. In this thesis, we design novel methods in the form of partial differential equations, patch-based approaches and variational models to overcome the aforementioned obstacles. In most cases, our methods outperform the existing approaches in both quality and speed, despite being applicable to a broader range of practical situations.Entrauschen, Superresolution und Strukturverbesserung sind klassische Anwendungen der Bildverarbeitung. Ihre Existenz bedingt sich in dem Bestreben, die visuelle Begutachtung digitaler Bildrohdaten zu unterstützen. Trotz erheblicher Fortschritte in diesen Feldern bedürfen bestimmte schwierige Probleme noch weiterer Forschung. So sind beispielsweise Entrauschungsund Superresolutionsverfahren, welche alle der folgenden Eingenschaften besitzen, sehr selten: die Erhaltung wichtiger Strukturen wie Ecken, Robustheit bezüglich der Rauschverteilung, Vermeidung unerwünschter Artefakte und niedrige Laufzeit. Auch im Gebiet der Strukturverbesserung liegt ein ungelöstes Problem vor: Bisher wurde nur sehr wenig Forschungsaufwand in die Entwicklung von Modellen investieret, welche anisotrope Deformationen in bildgebenden Verfahren bewältigen können. In dieser Arbeit entwerfen wir neue Methoden in Form von partiellen Differentialgleichungen, patch-basierten Ansätzen und Variationsmodellen um die oben erwähnten Hindernisse zu überwinden. In den meisten Fällen übertreffen unsere Methoden nicht nur qualitativ die bisher verwendeten Ansätze, sondern lösen die gestellten Aufgaben auch schneller. Zudem decken wir mit unseren Modellen einen breiteren Bereich praktischer Fragestellungen ab

Lidar-based scene understanding for autonomous driving using deep learning

With over 1.35 million fatalities related to traffic accidents worldwide, autonomous driving was foreseen at the beginning of this century as a feasible solution to improve security in our roads. Nevertheless, it is meant to disrupt our transportation paradigm, allowing to reduce congestion, pollution, and costs, while increasing the accessibility, efficiency, and reliability of the transportation for both people and goods. Although some advances have gradually been transferred into commercial vehicles in the way of Advanced Driving Assistance Systems (ADAS) such as adaptive cruise control, blind spot detection or automatic parking, however, the technology is far from mature. A full understanding of the scene is actually needed so that allowing the vehicles to be aware of the surroundings, knowing the existing elements of the scene, as well as their motion, intentions and interactions. In this PhD dissertation, we explore new approaches for understanding driving scenes from 3D LiDAR point clouds by using Deep Learning methods. To this end, in Part I we analyze the scene from a static perspective using independent frames to detect the neighboring vehicles. Next, in Part II we develop new ways for understanding the dynamics of the scene. Finally, in Part III we apply all the developed methods to accomplish higher level challenges such as segmenting moving obstacles while obtaining their rigid motion vector over the ground. More specifically, in Chapter 2 we develop a 3D vehicle detection pipeline based on a multi-branch deep-learning architecture and propose a Front (FR-V) and a Bird’s Eye view (BE-V) as 2D representations of the 3D point cloud to serve as input for training our models. Later on, in Chapter 3 we apply and further test this method on two real uses-cases, for pre-filtering moving obstacles while creating maps to better localize ourselves on subsequent days, as well as for vehicle tracking. From the dynamic perspective, in Chapter 4 we learn from the 3D point cloud a novel dynamic feature that resembles optical flow from RGB images. For that, we develop a new approach to leverage RGB optical flow as pseudo ground truth for training purposes but allowing the use of only 3D LiDAR data at inference time. Additionally, in Chapter 5 we explore the benefits of combining classification and regression learning problems to face the optical flow estimation task in a joint coarse-and-fine manner. Lastly, in Chapter 6 we gather the previous methods and demonstrate that with these independent tasks we can guide the learning of higher challenging problems such as segmentation and motion estimation of moving vehicles from our own moving perspective.Con más de 1,35 millones de muertes por accidentes de tráfico en el mundo, a principios de siglo se predijo que la conducción autónoma sería una solución viable para mejorar la seguridad en nuestras carreteras. Además la conducción autónoma está destinada a cambiar nuestros paradigmas de transporte, permitiendo reducir la congestión del tráfico, la contaminación y el coste, a la vez que aumentando la accesibilidad, la eficiencia y confiabilidad del transporte tanto de personas como de mercancías. Aunque algunos avances, como el control de crucero adaptativo, la detección de puntos ciegos o el estacionamiento automático, se han transferido gradualmente a vehículos comerciales en la forma de los Sistemas Avanzados de Asistencia a la Conducción (ADAS), la tecnología aún no ha alcanzado el suficiente grado de madurez. Se necesita una comprensión completa de la escena para que los vehículos puedan entender el entorno, detectando los elementos presentes, así como su movimiento, intenciones e interacciones. En la presente tesis doctoral, exploramos nuevos enfoques para comprender escenarios de conducción utilizando nubes de puntos en 3D capturadas con sensores LiDAR, para lo cual empleamos métodos de aprendizaje profundo. Con este fin, en la Parte I analizamos la escena desde una perspectiva estática para detectar vehículos. A continuación, en la Parte II, desarrollamos nuevas formas de entender las dinámicas del entorno. Finalmente, en la Parte III aplicamos los métodos previamente desarrollados para lograr desafíos de nivel superior, como segmentar obstáculos dinámicos a la vez que estimamos su vector de movimiento sobre el suelo. Específicamente, en el Capítulo 2 detectamos vehículos en 3D creando una arquitectura de aprendizaje profundo de dos ramas y proponemos una vista frontal (FR-V) y una vista de pájaro (BE-V) como representaciones 2D de la nube de puntos 3D que sirven como entrada para entrenar nuestros modelos. Más adelante, en el Capítulo 3 aplicamos y probamos aún más este método en dos casos de uso reales, tanto para filtrar obstáculos en movimiento previamente a la creación de mapas sobre los que poder localizarnos mejor en los días posteriores, como para el seguimiento de vehículos. Desde la perspectiva dinámica, en el Capítulo 4 aprendemos de la nube de puntos en 3D una característica dinámica novedosa que se asemeja al flujo óptico sobre imágenes RGB. Para ello, desarrollamos un nuevo enfoque que aprovecha el flujo óptico RGB como pseudo muestras reales para entrenamiento, usando solo information 3D durante la inferencia. Además, en el Capítulo 5 exploramos los beneficios de combinar los aprendizajes de problemas de clasificación y regresión para la tarea de estimación de flujo óptico de manera conjunta. Por último, en el Capítulo 6 reunimos los métodos anteriores y demostramos que con estas tareas independientes podemos guiar el aprendizaje de problemas de más alto nivel, como la segmentación y estimación del movimiento de vehículos desde nuestra propia perspectivaAmb més d’1,35 milions de morts per accidents de trànsit al món, a principis de segle es va predir que la conducció autònoma es convertiria en una solució viable per millorar la seguretat a les nostres carreteres. D’altra banda, la conducció autònoma està destinada a canviar els paradigmes del transport, fent possible així reduir la densitat del trànsit, la contaminació i el cost, alhora que augmentant l’accessibilitat, l’eficiència i la confiança del transport tant de persones com de mercaderies. Encara que alguns avenços, com el control de creuer adaptatiu, la detecció de punts cecs o l’estacionament automàtic, s’han transferit gradualment a vehicles comercials en forma de Sistemes Avançats d’Assistència a la Conducció (ADAS), la tecnologia encara no ha arribat a aconseguir el grau suficient de maduresa. És necessària, doncs, una total comprensió de l’escena de manera que els vehicles puguin entendre l’entorn, detectant els elements presents, així com el seu moviment, intencions i interaccions. A la present tesi doctoral, explorem nous enfocaments per tal de comprendre les diferents escenes de conducció utilitzant núvols de punts en 3D capturats amb sensors LiDAR, mitjançant l’ús de mètodes d’aprenentatge profund. Amb aquest objectiu, a la Part I analitzem l’escena des d’una perspectiva estàtica per a detectar vehicles. A continuació, a la Part II, desenvolupem noves formes d’entendre les dinàmiques de l’entorn. Finalment, a la Part III apliquem els mètodes prèviament desenvolupats per a aconseguir desafiaments d’un nivell superior, com, per exemple, segmentar obstacles dinàmics al mateix temps que estimem el seu vector de moviment respecte al terra. Concretament, al Capítol 2 detectem vehicles en 3D creant una arquitectura d’aprenentatge profund amb dues branques, i proposem una vista frontal (FR-V) i una vista d’ocell (BE-V) com a representacions 2D del núvol de punts 3D que serveixen com a punt de partida per entrenar els nostres models. Més endavant, al Capítol 3 apliquem i provem de nou aquest mètode en dos casos d’ús reals, tant per filtrar obstacles en moviment prèviament a la creació de mapes en els quals poder localitzar-nos millor en dies posteriors, com per dur a terme el seguiment de vehicles. Des de la perspectiva dinàmica, al Capítol 4 aprenem una nova característica dinàmica del núvol de punts en 3D que s’assembla al flux òptic sobre imatges RGB. Per a fer-ho, desenvolupem un nou enfocament que aprofita el flux òptic RGB com pseudo mostres reals per a entrenament, utilitzant només informació 3D durant la inferència. Després, al Capítol 5 explorem els beneficis que s’obtenen de combinar els aprenentatges de problemes de classificació i regressió per la tasca d’estimació de flux òptic de manera conjunta. Finalment, al Capítol 6 posem en comú els mètodes anteriors i demostrem que mitjançant aquests processos independents podem abordar l’aprenentatge de problemes més complexos, com la segmentació i estimació del moviment de vehicles des de la nostra pròpia perspectiva

Sparse variational regularization for visual motion estimation

The computation of visual motion is a key component in numerous computer vision tasks such as object detection, visual object tracking and activity recognition. Despite exten- sive research effort, efficient handling of motion discontinuities, occlusions and illumina- tion changes still remains elusive in visual motion estimation. The work presented in this thesis utilizes variational methods to handle the aforementioned problems because these methods allow the integration of various mathematical concepts into a single en- ergy minimization framework. This thesis applies the concepts from signal sparsity to the variational regularization for visual motion estimation. The regularization is designed in such a way that it handles motion discontinuities and can detect object occlusions

Surface Modeling and Analysis Using Range Images: Smoothing, Registration, Integration, and Segmentation

This dissertation presents a framework for 3D reconstruction and scene analysis, using a set of range images. The motivation for developing this framework came from the needs to reconstruct the surfaces of small mechanical parts in reverse engineering tasks, build a virtual environment of indoor and outdoor scenes, and understand 3D images. The input of the framework is a set of range images of an object or a scene captured by range scanners. The output is a triangulated surface that can be segmented into meaningful parts. A textured surface can be reconstructed if color images are provided. The framework consists of surface smoothing, registration, integration, and segmentation. Surface smoothing eliminates the noise present in raw measurements from range scanners. This research proposes area-decreasing flow that is theoretically identical to the mean curvature flow. Using area-decreasing flow, there is no need to estimate the curvature value and an optimal step size of the flow can be obtained. Crease edges and sharp corners are preserved by an adaptive scheme. Surface registration aligns measurements from different viewpoints in a common coordinate system. This research proposes a new surface representation scheme named point fingerprint. Surfaces are registered by finding corresponding point pairs in an overlapping region based on fingerprint comparison. Surface integration merges registered surface patches into a whole surface. This research employs an implicit surface-based integration technique. The proposed algorithm can generate watertight models by space carving or filling the holes based on volumetric interpolation. Textures from different views are integrated inside a volumetric grid. Surface segmentation is useful to decompose CAD models in reverse engineering tasks and help object recognition in a 3D scene. This research proposes a watershed-based surface mesh segmentation approach. The new algorithm accurately segments the plateaus by geodesic erosion using fast marching method. The performance of the framework is presented using both synthetic and real world data from different range scanners. The dissertation concludes by summarizing the development of the framework and then suggests future research topics