Entropy in Image Analysis II

Image analysis is a fundamental task for any application where extracting information from images is required. The analysis requires highly sophisticated numerical and analytical methods, particularly for those applications in medicine, security, and other fields where the results of the processing consist of data of vital importance. This fact is evident from all the articles composing the Special Issue "Entropy in Image Analysis II", in which the authors used widely tested methods to verify their results. In the process of reading the present volume, the reader will appreciate the richness of their methods and applications, in particular for medical imaging and image security, and a remarkable cross-fertilization among the proposed research areas

Consolidating Literature for Images Compression and Its Techniques

With the proliferation of readily available image content, image compression has become a topic of considerable importance. As, rapidly increase of digital imaging demand, storage capability aspect should be considered. Therefore, image compression refers to reducing the size of image for minimizing storage without harming the image quality. Thus, an appropriate technique is needed for image compression for saving capacity as well as not losing valuable information. This paper consolidates literature whose characteristics have focused on image compression, thresholding algorithms, quantization algorithms. Later, related research on these areas are presented

An Effective Ultrasound Video Communication System Using Despeckle Filtering and HEVC

The recent emergence of the high-efficiency video coding (HEVC) standard promises to deliver significant bitrate savings over current and prior video compression standards, while also supporting higher resolutions that can meet the clinical acquisition spatiotemporal settings. The effective application of HEVC to medical ultrasound necessitates a careful evaluation of strict clinical criteria that guarantee that clinical quality will not be sacrificed in the compression process. Furthermore, the potential use of despeckle filtering prior to compression provides for the possibility of significant additional bitrate savings that have not been previously considered. This paper provides a thorough comparison of the use of MPEG-2, H.263, MPEG-4, H.264/AVC, and HEVC for compressing atherosclerotic plaque ultrasound videos. For the comparisons, we use both subjective and objective criteria based on plaque structure and motion. For comparable clinical video quality, experimental evaluation on ten videos demonstrates that HEVC reduces bitrate requirements by as much as 33.2% compared to H.264/AVC and up to 71% compared to MPEG-2. The use of despeckle filtering prior to compression is also investigated as a method that can reduce bitrate requirements through the removal of higher frequency components without sacrificing clinical quality. Based on the use of three despeckle filtering methods with both H.264/AVC and HEVC, we find that prior filtering can yield additional significant bitrate savings. The best performing despeckle filter (DsFlsmv) achieves bitrate savings of 43.6% and 39.2% compared to standard nonfiltered HEVC and H.264/AVC encoding, respectively

JPG, PNG and BMP image compression using discrete cosine transform

This paper proposes image compression using discrete cosine transform (DCT) for the format of joint photographic expert groups (JPEG) or JPG, portable network graphic (PNG) and bitmap (BMP). These three extensions are the most popular types used in current image processing storage. The purpose of image compression is to produce lower memory usage or to reduce memory file. This process removes redundant information of each pixel. The challenge for image compression process is to maintain the quality of images after the compression process. Hence, this article utilizes the DCT technique to sustain the image quality and at the same time reduces the image storage size. The effectiveness of the DCT technique has been reasonable over some real images and the implementation of the technique has been compared with different types of image extensions. Matlab software is an important platform for this project in order to write a program and perform the progress of project phase by phase to achieve the expected results. Based on the tested images, the DCT technique in image compression is capable to reduce the image storage memory in average about 50% of each image tested

Ultrasound image processing in the evaluation of labor induction failure risk

Labor induction is defined as the artificial stimulation of uterine contractions for the purpose of vaginal birth. Induction is prescribed for medical and elective reasons. Success in labor induction procedures is related to vaginal delivery. Cesarean section is one of the potential risks of labor induction as it occurs in about 20% of the inductions. A ripe cervix (soft and distensible) is needed for a successful labor. During the ripening cervical, tissues experience micro structural changes: collagen becomes disorganized and water content increases. These changes will affect the interaction between cervical tissues and sound waves during ultrasound transvaginal scanning and will be perceived as gray level intensity variations in the echographic image. Texture analysis can be used to analyze these variations and provide a means to evaluate cervical ripening in a non-invasive way

Image Compression Techniques: A Survey in Lossless and Lossy algorithms

The bandwidth of the communication networks has been increased continuously as results of technological advances. However, the introduction of new services and the expansion of the existing ones have resulted in even higher demand for the bandwidth. This explains the many efforts currently being invested in the area of data compression. The primary goal of these works is to develop techniques of coding information sources such as speech, image and video to reduce the number of bits required to represent a source without significantly degrading its quality. With the large increase in the generation of digital image data, there has been a correspondingly large increase in research activity in the field of image compression. The goal is to represent an image in the fewest number of bits without losing the essential information content within. Images carry three main type of information: redundant, irrelevant, and useful. Redundant information is the deterministic part of the information, which can be reproduced without loss from other information contained in the image. Irrelevant information is the part of information that has enormous details, which are beyond the limit of perceptual significance (i.e., psychovisual redundancy). Useful information, on the other hand, is the part of information, which is neither redundant nor irrelevant. Human usually observes decompressed images. Therefore, their fidelities are subject to the capabilities and limitations of the Human Visual System. This paper provides a survey on various image compression techniques, their limitations, compression rates and highlights current research in medical image compression

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica

Robust density modelling using the student's t-distribution for human action recognition

The extraction of human features from videos is often inaccurate and prone to outliers. Such outliers can severely affect density modelling when the Gaussian distribution is used as the model since it is highly sensitive to outliers. The Gaussian distribution is also often used as base component of graphical models for recognising human actions in the videos (hidden Markov model and others) and the presence of outliers can significantly affect the recognition accuracy. In contrast, the Student's t-distribution is more robust to outliers and can be exploited to improve the recognition rate in the presence of abnormal data. In this paper, we present an HMM which uses mixtures of t-distributions as observation probabilities and show how experiments over two well-known datasets (Weizmann, MuHAVi) reported a remarkable improvement in classification accuracy. © 2011 IEEE

Efficient reconfigurable architectures for 3D medical image compression

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.Recently, the more widespread use of three-dimensional (3-D) imaging modalities, such as magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), and ultrasound (US) have generated a massive amount of volumetric data. These have provided an impetus to the development of other applications, in particular telemedicine and teleradiology. In these fields, medical image compression is important since both efficient storage and transmission of data through high-bandwidth digital communication lines are of crucial importance. Despite their advantages, most 3-D medical imaging algorithms are computationally intensive with matrix transformation as the most fundamental operation involved in the transform-based methods. Therefore, there is a real need for high-performance systems, whilst keeping architectures exible to allow for quick upgradeability with real-time applications. Moreover, in order to obtain efficient solutions for large medical volumes data, an efficient implementation of these operations is of significant importance. Reconfigurable hardware, in the form of field programmable gate arrays (FPGAs) has been proposed as viable system building block in the construction of high-performance systems at an economical price. Consequently, FPGAs seem an ideal candidate to harness and exploit their inherent advantages such as massive parallelism capabilities, multimillion gate counts, and special low-power packages. The key achievements of the work presented in this thesis are summarised as follows. Two architectures for 3-D Haar wavelet transform (HWT) have been proposed based on transpose-based computation and partial reconfiguration suitable for 3-D medical imaging applications. These applications require continuous hardware servicing, and as a result dynamic partial reconfiguration (DPR) has been introduced. Comparative study for both non-partial and partial reconfiguration implementation has shown that DPR offers many advantages and leads to a compelling solution for implementing computationally intensive applications such as 3-D medical image compression. Using DPR, several large systems are mapped to small hardware resources, and the area, power consumption as well as maximum frequency are optimised and improved. Moreover, an FPGA-based architecture of the finite Radon transform (FRAT)with three design strategies has been proposed: direct implementation of pseudo-code with a sequential or pipelined description, and block random access memory (BRAM)- based method. An analysis with various medical imaging modalities has been carried out. Results obtained for image de-noising implementation using FRAT exhibits promising results in reducing Gaussian white noise in medical images. In terms of hardware implementation, promising trade-offs on maximum frequency, throughput and area are also achieved. Furthermore, a novel hardware implementation of 3-D medical image compression system with context-based adaptive variable length coding (CAVLC) has been proposed. An evaluation of the 3-D integer transform (IT) and the discrete wavelet transform (DWT) with lifting scheme (LS) for transform blocks reveal that 3-D IT demonstrates better computational complexity than the 3-D DWT, whilst the 3-D DWT with LS exhibits a lossless compression that is significantly useful for medical image compression. Additionally, an architecture of CAVLC that is capable of compressing high-definition (HD) images in real-time without any buffer between the quantiser and the entropy coder is proposed. Through a judicious parallelisation, promising results have been obtained with limited resources. In summary, this research is tackling the issues of massive 3-D medical volumes data that requires compression as well as hardware implementation to accelerate the slowest operations in the system. Results obtained also reveal a significant achievement in terms of the architecture efficiency and applications performance.Ministry of Higher Education Malaysia (MOHE), Universiti Tun Hussein Onn Malaysia (UTHM) and the British Counci