Visualization and Correction of Automated Segmentation, Tracking and Lineaging from 5-D Stem Cell Image Sequences

Results: We present an application that enables the quantitative analysis of multichannel 5-D (x, y, z, t, channel) and large montage confocal fluorescence microscopy images. The image sequences show stem cells together with blood vessels, enabling quantification of the dynamic behaviors of stem cells in relation to their vascular niche, with applications in developmental and cancer biology. Our application automatically segments, tracks, and lineages the image sequence data and then allows the user to view and edit the results of automated algorithms in a stereoscopic 3-D window while simultaneously viewing the stem cell lineage tree in a 2-D window. Using the GPU to store and render the image sequence data enables a hybrid computational approach. An inference-based approach utilizing user-provided edits to automatically correct related mistakes executes interactively on the system CPU while the GPU handles 3-D visualization tasks. Conclusions: By exploiting commodity computer gaming hardware, we have developed an application that can be run in the laboratory to facilitate rapid iteration through biological experiments. There is a pressing need for visualization and analysis tools for 5-D live cell image data. We combine accurate unsupervised processes with an intuitive visualization of the results. Our validation interface allows for each data set to be corrected to 100% accuracy, ensuring that downstream data analysis is accurate and verifiable. Our tool is the first to combine all of these aspects, leveraging the synergies obtained by utilizing validation information from stereo visualization to improve the low level image processing tasks.Comment: BioVis 2014 conferenc

Learning the Consensus of Multiple Correspondences between Data Structures

En aquesta tesi presentem un marc de treball per aprendre el consens donades múltiples correspondències. S'assumeix que les diferents parts involucrades han generat aquestes correspondències per separat, i el nostre sistema actua com un mecanisme que calibra diferents característiques i considera diferents paràmetres per aprendre les millors assignacions i així, conformar una correspondència amb la major precisió possible a costa d'un cost computacional raonable. Aquest marc de treball de consens és presentat en una forma gradual, començant pels desenvolupaments més bàsics que utilitzaven exclusivament conceptes ben definits o únicament un parell de correspondències, fins al model final que és capaç de considerar múltiples correspondències, amb la capacitat d'aprendre automàticament alguns paràmetres de ponderació. Cada pas d'aquest marc de treball és avaluat fent servir bases de dades de naturalesa variada per demostrar efectivament que és possible tractar diferents escenaris de matching. Addicionalment, dos avanços suplementaris relacionats amb correspondències es presenten en aquest treball. En primer lloc, una nova mètrica de distància per correspondències s'ha desenvolupat, la qual va derivar en una nova estratègia per a la cerca de mitjanes ponderades. En segon lloc, un marc de treball específicament dissenyat per a generar correspondències al camp del registre d'imatges s'ha modelat, on es considera que una de les imatges és una imatge completa, i l'altra és una mostra petita d'aquesta. La conclusió presenta noves percepcions de com el nostre marc de treball de consens pot ser millorada, i com els dos desenvolupaments paral·lels poden convergir amb el marc de treball de consens.En esta tesis presentamos un marco de trabajo para aprender el consenso dadas múltiples correspondencias. Se asume que las distintas partes involucradas han generado dichas correspondencias por separado, y nuestro sistema actúa como un mecanismo que calibra distintas características y considera diferentes parámetros para aprender las mejores asignaciones y así, conformar una correspondencia con la mayor precisión posible a expensas de un costo computacional razonable. El marco de trabajo de consenso es presentado en una forma gradual, comenzando por los acercamientos más básicos que utilizaban exclusivamente conceptos bien definidos o únicamente un par de correspondencias, hasta el modelo final que es capaz de considerar múltiples correspondencias, con la capacidad de aprender automáticamente algunos parámetros de ponderación. Cada paso de este marco de trabajo es evaluado usando bases de datos de naturaleza variada para demostrar efectivamente que es posible tratar diferentes escenarios de matching. Adicionalmente, dos avances suplementarios relacionados con correspondencias son presentados en este trabajo. En primer lugar, una nueva métrica de distancia para correspondencias ha sido desarrollada, la cual derivó en una nueva estrategia para la búsqueda de medias ponderadas. En segundo lugar, un marco de trabajo específicamente diseñado para generar correspondencias en el campo del registro de imágenes ha sido establecida, donde se considera que una de las imágenes es una imagen completa, y la otra es una muestra pequeña de ésta. La conclusión presenta nuevas percepciones de cómo nuestro marco de trabajo de consenso puede ser mejorada, y cómo los dos desarrollos paralelos pueden converger con éste.In this work, we present a framework to learn the consensus given multiple correspondences. It is assumed that the several parties involved have generated separately these correspondences, and our system acts as a mechanism that gauges several characteristics and considers different parameters to learn the best mappings and thus, conform a correspondence with the highest possible accuracy at the expense of a reasonable computational cost. The consensus framework is presented in a gradual form, starting from the most basic approaches that used exclusively well-known concepts or only two correspondences, until the final model which is able to consider multiple correspondences, with the capability of automatically learning some weighting parameters. Each step of the framework is evaluated using databases of varied nature to effectively demonstrate that it is capable to address different matching scenarios. In addition, two supplementary advances related on correspondences are presented in this work. Firstly, a new distance metric for correspondences has been developed, which lead to a new strategy for the weighted mean correspondence search. Secondly, a framework specifically designed for correspondence generation in the image registration field has been established, where it is considered that one of the images is a full image, and the other one is a small sample of it. The conclusion presents insights of how our consensus framework can be enhanced, and how these two parallel developments can converge with it

Multiple graph matching and applications

En aplicaciones de reconocimiento de patrones, los grafos con atributos son en gran medida apropiados. Normalmente, los vértices de los grafos representan partes locales de los objetos i las aristas relaciones entre estas partes locales. No obstante, estas ventajas vienen juntas con un severo inconveniente, la distancia entre dos grafos no puede ser calculada en un tiempo polinómico. Considerando estas características especiales el uso de los prototipos de grafos es necesariamente omnipresente. Las aplicaciones de los prototipos de grafos son extensas, siendo las más habituales clustering, clasificación, reconocimiento de objetos, caracterización de objetos i bases de datos de grafos entre otras. A pesar de la diversidad de aplicaciones de los prototipos de grafos, el objetivo del mismo es equivalente en todas ellas, la representación de un conjunto de grafos. Para construir un prototipo de un grafo todos los elementos del conjunto de enteramiento tienen que ser etiquetados comúnmente. Este etiquetado común consiste en identificar que nodos de que grafos representan el mismo tipo de información en el conjunto de entrenamiento. Una vez este etiquetaje común esta hecho, los atributos locales pueden ser combinados i el prototipo construido. Hasta ahora los algoritmos del estado del arte para calcular este etiquetaje común mancan de efectividad o bases teóricas. En esta tesis, describimos formalmente el problema del etiquetaje global i mostramos una taxonomía de los tipos de algoritmos existentes. Además, proponemos seis nuevos algoritmos para calcular soluciones aproximadas al problema del etiquetaje común. La eficiencia de los algoritmos propuestos es evaluada en diversas bases de datos reales i sintéticas. En la mayoría de experimentos realizados los algoritmos propuestos dan mejores resultados que los existentes en el estado del arte.In pattern recognition, the use of graphs is, to a great extend, appropriate and advantageous. Usually, vertices of the graph represent local parts of an object while edges represent relations between these local parts. However, its advantages come together with a sever drawback, the distance between two graph cannot be optimally computed in polynomial time. Taking into account this special characteristic the use of graph prototypes becomes ubiquitous. The applicability of graphs prototypes is extensive, being the most common applications clustering, classification, object characterization and graph databases to name some. However, the objective of a graph prototype is equivalent to all applications, the representation of a set of graph. To synthesize a prototype all elements of the set must be mutually labeled. This mutual labeling consists in identifying which nodes of which graphs represent the same information in the training set. Once this mutual labeling is done the set can be characterized and combined to create a graph prototype. We call this initial labeling a common labeling. Up to now, all state of the art algorithms to compute a common labeling lack on either performance or theoretical basis. In this thesis, we formally describe the common labeling problem and we give a clear taxonomy of the types of algorithms. Six new algorithms that rely on different techniques are described to compute a suboptimal solution to the common labeling problem. The performance of the proposed algorithms is evaluated using an artificial and several real datasets. In addition, the algorithms have been evaluated on several real applications. These applications include graph databases and group-wise image registration. In most of the tests and applications evaluated the presented algorithms have showed a great improvement in comparison to state of the art applications

Data-Driven Shape Analysis and Processing

Data-driven methods play an increasingly important role in discovering geometric, structural, and semantic relationships between 3D shapes in collections, and applying this analysis to support intelligent modeling, editing, and visualization of geometric data. In contrast to traditional approaches, a key feature of data-driven approaches is that they aggregate information from a collection of shapes to improve the analysis and processing of individual shapes. In addition, they are able to learn models that reason about properties and relationships of shapes without relying on hard-coded rules or explicitly programmed instructions. We provide an overview of the main concepts and components of these techniques, and discuss their application to shape classification, segmentation, matching, reconstruction, modeling and exploration, as well as scene analysis and synthesis, through reviewing the literature and relating the existing works with both qualitative and numerical comparisons. We conclude our report with ideas that can inspire future research in data-driven shape analysis and processing.Comment: 10 pages, 19 figure