3D time series analysis of cell shape using Laplacian approaches

Background: Fundamental cellular processes such as cell movement, division or food uptake critically depend on cells being able to change shape. Fast acquisition of three-dimensional image time series has now become possible, but we lack efficient tools for analysing shape deformations in order to understand the real three-dimensional nature of shape changes. Results: We present a framework for 3D+time cell shape analysis. The main contribution is three-fold: First, we develop a fast, automatic random walker method for cell segmentation. Second, a novel topology fixing method is proposed to fix segmented binary volumes without spherical topology. Third, we show that algorithms used for each individual step of the analysis pipeline (cell segmentation, topology fixing, spherical parameterization, and shape representation) are closely related to the Laplacian operator. The framework is applied to the shape analysis of neutrophil cells. Conclusions: The method we propose for cell segmentation is faster than the traditional random walker method or the level set method, and performs better on 3D time-series of neutrophil cells, which are comparatively noisy as stacks have to be acquired fast enough to account for cell motion. Our method for topology fixing outperforms the tools provided by SPHARM-MAT and SPHARM-PDM in terms of their successful fixing rates. The different tasks in the presented pipeline for 3D+time shape analysis of cells can be solved using Laplacian approaches, opening the possibility of eventually combining individual steps in order to speed up computations

Hybrid-CSR: Coupling Explicit and Implicit Shape Representation for Cortical Surface Reconstruction

We present Hybrid-CSR, a geometric deep-learning model that combines explicit and implicit shape representations for cortical surface reconstruction. Specifically, Hybrid-CSR begins with explicit deformations of template meshes to obtain coarsely reconstructed cortical surfaces, based on which the oriented point clouds are estimated for the subsequent differentiable poisson surface reconstruction. By doing so, our method unifies explicit (oriented point clouds) and implicit (indicator function) cortical surface reconstruction. Compared to explicit representation-based methods, our hybrid approach is more friendly to capture detailed structures, and when compared with implicit representation-based methods, our method can be topology aware because of end-to-end training with a mesh-based deformation module. In order to address topology defects, we propose a new topology correction pipeline that relies on optimization-based diffeomorphic surface registration. Experimental results on three brain datasets show that our approach surpasses existing implicit and explicit cortical surface reconstruction methods in numeric metrics in terms of accuracy, regularity, and consistency

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

Human perception-oriented segmentation for triangle meshes

A segmentação de malhas é um tópico importante de investigação em computação gráfica, em particular em modelação geométrica. Isto deve-se ao facto de as técnicas de segmentaçãodemalhasteremváriasaplicações,nomeadamentenaproduçãodefilmes, animaçãoporcomputador, realidadevirtual, compressãodemalhas, assimcomoemjogosdigitais. Emconcreto, asmalhastriangularessãoamplamenteusadasemaplicações interativas, visto que sua segmentação em partes significativas (também designada por segmentação significativa, segmentação perceptiva ou segmentação perceptualmente significativa ) é muitas vezes vista como uma forma de acelerar a interação com o utilizador ou a deteção de colisões entre esses objetos 3D definidos por uma malha, bem como animar uma ou mais partes significativas (por exemplo, a cabeça de uma personagem) de um dado objeto, independentemente das restantes partes. Acontece que não se conhece nenhuma técnica capaz de segmentar correctamente malhas arbitrárias −ainda que restritas aos domínios de formas livres e não-livres− em partes significativas. Algumas técnicas são mais adequadas para objetos de forma não-livre (por exemplo, peças mecânicas definidas geometricamente por quádricas), enquanto outras são mais talhadas para o domínio dos objectos de forma livre. Só na literatura recente surgem umas poucas técnicas que se aplicam a todo o universo de objetos de forma livre e não-livre. Pior ainda é o facto de que a maioria das técnicas de segmentação não serem totalmente automáticas, no sentido de que quase todas elas exigem algum tipo de pré-requisitos e assistência do utilizador. Resumindo, estes três desafios relacionados com a proximidade perceptual, generalidade e automação estão no cerne do trabalho descrito nesta tese. Para enfrentar estes desafios, esta tese introduz o primeiro algoritmo de segmentação baseada nos contornos ou fronteiras dos segmentos, cuja técnica se inspira nas técnicas de segmentação baseada em arestas, tão comuns em análise e processamento de imagem,porcontraposiçãoàstécnicasesegmentaçãobaseadaemregiões. Aideiaprincipal é a de encontrar em primeiro lugar a fronteira de cada região para, em seguida, identificar e agrupar todos os seus triângulos internos. As regiões da malha encontradas correspondem a saliências e reentrâncias, que não precisam de ser estritamente convexas, nem estritamente côncavas, respectivamente. Estas regiões, designadas regiões relaxadamenteconvexas(ousaliências)eregiõesrelaxadamentecôncavas(oureentrâncias), produzem segmentações que são menos sensíveis ao ruído e, ao mesmo tempo, são mais intuitivas do ponto de vista da perceção humana; por isso, é designada por segmentação orientada à perceção humana (ou, human perception- oriented (HPO), do inglês). Além disso, e ao contrário do atual estado-da-arte da segmentação de malhas, a existência destas regiões relaxadas torna o algoritmo capaz de segmentar de maneira bastante plausível tanto objectos de forma não-livre como objectos de forma livre. Nesta tese, enfrentou-se também um quarto desafio, que está relacionado com a fusão de segmentação e multi-resolução de malhas. Em boa verdade, já existe na literatura uma variedade grande de técnicas de segmentação, bem como um número significativo de técnicas de multi-resolução, para malhas triangulares. No entanto, não é assim tão comum encontrar estruturas de dados e algoritmos que façam a fusão ou a simbiose destes dois conceitos, multi-resolução e segmentação, num único esquema multi-resolução que sirva os propósitos das aplicações que lidam com malhas simples e segmentadas, sendo que neste contexto se entende que uma malha simples é uma malha com um único segmento. Sendo assim, nesta tese descreve-se um novo esquema (entenda-seestruturasdedadosealgoritmos)demulti-resoluçãoesegmentação,designado por extended Ghost Cell (xGC). Este esquema preserva a forma das malhas, tanto em termos globais como locais, ou seja, os segmentos da malha e as suas fronteiras, bem como os seus vincos e ápices são preservados, não importa o nível de resolução que usamos durante a/o simplificação/refinamento da malha. Além disso, ao contrário de outros esquemas de segmentação, tornou-se possível ter segmentos adjacentes com dois ou mais níveis de resolução de diferença. Isto é particularmente útil em animação por computador, compressão e transmissão de malhas, operações de modelação geométrica, visualização científica e computação gráfica. Em suma, esta tese apresenta um esquema genérico, automático, e orientado à percepção humana, que torna possível a simbiose dos conceitos de segmentação e multiresolução de malhas trianguladas que sejam representativas de objectos 3D.The mesh segmentation is an important topic in computer graphics, in particular in geometric computing. This is so because mesh segmentation techniques find many applications in movies, computer animation, virtual reality, mesh compression, and games. Infact, trianglemeshesarewidelyusedininteractiveapplications, sothattheir segmentation in meaningful parts (i.e., human-perceptually segmentation, perceptive segmentationormeaningfulsegmentation)isoftenseenasawayofspeedinguptheuser interaction, detecting collisions between these mesh-covered objects in a 3D scene, as well as animating one or more meaningful parts (e.g., the head of a humanoid) independently of the other parts of a given object. It happens that there is no known technique capable of correctly segmenting any mesh into meaningful parts. Some techniques are more adequate for non-freeform objects (e.g., quadricmechanicalparts), whileothersperformbetterinthedomainoffreeform objects. Only recently, some techniques have been developed for the entire universe of objects and shapes. Even worse it is the fact that most segmentation techniques are not entirely automated in the sense that almost all techniques require some sort of pre-requisites and user assistance. Summing up, these three challenges related to perceptual proximity, generality and automation are at the core of the work described in this thesis. In order to face these challenges, we have developed the first contour-based mesh segmentation algorithm that we may find in the literature, which is inspired in the edgebased segmentation techniques used in image analysis, as opposite to region-based segmentation techniques. Its leading idea is to firstly find the contour of each region, and then to identify and collect all of its inner triangles. The encountered mesh regions correspond to ups and downs, which do not need to be strictly convex nor strictly concave, respectively. These regions, called relaxedly convex regions (or saliences) and relaxedly concave regions (or recesses), produce segmentations that are less-sensitive to noise and, at the same time, are more intuitive from the human point of view; hence it is called human perception- oriented (HPO) segmentation. Besides, and unlike the current state-of-the-art in mesh segmentation, the existence of these relaxed regions makes the algorithm suited to both non-freeform and freeform objects. In this thesis, we have also tackled a fourth challenge, which is related with the fusion of mesh segmentation and multi-resolution. Truly speaking, a plethora of segmentation techniques, as well as a number of multiresolution techniques, for triangle meshes already exist in the literature. However, it is not so common to find algorithms and data structures that fuse these two concepts, multiresolution and segmentation, into a symbiotic multi-resolution scheme for both plain and segmented meshes, in which a plainmeshisunderstoodasameshwithasinglesegment. So, weintroducesuchanovel multiresolution segmentation scheme, called extended Ghost Cell (xGC) scheme. This scheme preserves the shape of the meshes in both global and local terms, i.e., mesh segments and their boundaries, as well as creases and apices are preserved, no matter the level of resolution we use for simplification/refinement of the mesh. Moreover, unlike other segmentation schemes, it was made possible to have adjacent segments with two or more resolution levels of difference. This is particularly useful in computer animation, mesh compression and transmission, geometric computing, scientific visualization, and computer graphics. In short, this thesis presents a fully automatic, general, and human perception-oriented scheme that symbiotically integrates the concepts of mesh segmentation and multiresolution