Técnicas de análise de imagens para detecção de retinopatia diabética

Orientadores: Anderson de Rezende Rocha. Jacques WainerTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Retinopatia Diabética (RD) é uma complicação a longo prazo do diabetes e a principal causa de cegueira da população ativa. Consultas regulares são necessárias para diagnosticar a retinopatia em um estágio inicial, permitindo um tratamento com o melhor prognóstico capaz de retardar ou até mesmo impedir a cegueira. Alavancados pela evolução da prevalência do diabetes e pelo maior risco que os diabéticos têm de desenvolver doenças nos olhos, diversos trabalhos com abordagens bem estabelecidas e promissoras vêm sendo desenvolvidos para triagem automática de retinopatia. Entretanto, a maior parte dos trabalhos está focada na detecção de lesões utilizando características visuais particulares de cada tipo de lesão. Além do mais, soluções artesanais para avaliação de necessidade de consulta e de identificação de estágios da retinopatia ainda dependem bastante das lesões, cujo repetitivo procedimento de detecção é complexo e inconveniente, mesmo se um esquema unificado for adotado. O estado da arte para avaliação automatizada de necessidade de consulta é composto por abordagens que propõem uma representação altamente abstrata obtida inteiramente por meio dos dados. Usualmente, estas abordagens recebem uma imagem e produzem uma resposta ¿ que pode ser resultante de um único modelo ou de uma combinação ¿ e não são facilmente explicáveis. Este trabalho objetivou melhorar a detecção de lesões e reforçar decisões relacionadas à necessidade de consulta, fazendo uso de avançadas representações de imagens em duas etapas. Nós também almejamos compor um modelo sofisticado e direcionado pelos dados para triagem de retinopatia, bem como incorporar aprendizado supervisionado de características com representação orientada por mapa de calor, resultando em uma abordagem robusta e ainda responsável para triagem automatizada. Finalmente, tivemos como objetivo a integração das soluções em dispositivos portáteis de captura de imagens de retina. Para detecção de lesões, propusemos abordagens de caracterização de imagens que possibilitem uma detecção eficaz de diferentes tipos de lesões. Nossos principais avanços estão centrados na modelagem de uma nova técnica de codificação para imagens de retina, bem como na preservação de informações no processo de pooling ou agregação das características obtidas. Decidir automaticamente pela necessidade de encaminhamento do paciente a um especialista é uma investigação ainda mais difícil e muito debatida. Nós criamos um método mais simples e robusto para decisões de necessidade de consulta, e que não depende da detecção de lesões. Também propusemos um modelo direcionado pelos dados que melhora significativamente o desempenho na tarefa de triagem da RD. O modelo produz uma resposta confiável com base em respostas (locais e globais), bem como um mapa de ativação que permite uma compreensão de importância de cada pixel para a decisão. Exploramos a metodologia de explicabilidade para criar um descritor local codificado em uma rica representação em nível médio. Os modelos direcionados pelos dados são o estado da arte para triagem de retinopatia diabética. Entretanto, mapas de ativação são essenciais para interpretar o aprendizado em termos de importância de cada pixel e para reforçar pequenas características discriminativas que têm potencial de melhorar o diagnósticoAbstract: Diabetic Retinopathy (DR) is a long-term complication of diabetes and the leading cause of blindness among working-age adults. A regular eye examination is necessary to diagnose DR at an early stage, when it can be treated with the best prognosis and the visual loss delayed or deferred. Leveraged by the continuous expansion of diabetics and by the increased risk that those people have to develop eye diseases, several works with well-established and promising approaches have been proposed for automatic screening. Therefore, most existing art focuses on lesion detection using visual characteristics specific to each type of lesion. Additionally, handcrafted solutions for referable diabetic retinopathy detection and DR stages identification still depend too much on the lesions, whose repetitive detection is complex and cumbersome to implement, even when adopting a unified detection scheme. Current art for automated referral assessment resides on highly abstract data-driven approaches. Usually, those approaches receive an image and spit the response out ¿ that might be resulting from only one model or ensembles ¿ and are not easily explainable. Hence, this work aims at enhancing lesion detection and reinforcing referral decisions with advanced handcrafted two-tiered image representations. We also intended to compose sophisticated data-driven models for referable DR detection and incorporate supervised learning of features with saliency-oriented mid-level image representations to come up with a robust yet accountable automated screening approach. Ultimately, we aimed at integrating our software solutions with simple retinal imaging devices. In the lesion detection task, we proposed advanced handcrafted image characterization approaches to detecting effectively different lesions. Our leading advances are centered on designing a novel coding technique for retinal images and preserving information in the pooling process. Automatically deciding on whether or not the patient should be referred to the ophthalmic specialist is a more difficult, and still hotly debated research aim. We designed a simple and robust method for referral decisions that does not rely upon lesion detection stages. We also proposed a novel and effective data-driven model that significantly improves the performance for DR screening. Our accountable data-driven model produces a reliable (local- and global-) response along with a heatmap/saliency map that enables pixel-based importance comprehension. We explored this methodology to create a local descriptor that is encoded into a rich mid-level representation. Data-driven methods are the state of the art for diabetic retinopathy screening. However, saliency maps are essential not only to interpret the learning in terms of pixel importance but also to reinforce small discriminative characteristics that have the potential to enhance the diagnosticDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da ComputaçãoCAPE

Aggregated Deep Local Features for Remote Sensing Image Retrieval

Remote Sensing Image Retrieval remains a challenging topic due to the special nature of Remote Sensing Imagery. Such images contain various different semantic objects, which clearly complicates the retrieval task. In this paper, we present an image retrieval pipeline that uses attentive, local convolutional features and aggregates them using the Vector of Locally Aggregated Descriptors (VLAD) to produce a global descriptor. We study various system parameters such as the multiplicative and additive attention mechanisms and descriptor dimensionality. We propose a query expansion method that requires no external inputs. Experiments demonstrate that even without training, the local convolutional features and global representation outperform other systems. After system tuning, we can achieve state-of-the-art or competitive results. Furthermore, we observe that our query expansion method increases overall system performance by about 3%, using only the top-three retrieved images. Finally, we show how dimensionality reduction produces compact descriptors with increased retrieval performance and fast retrieval computation times, e.g. 50% faster than the current systems.Comment: Published in Remote Sensing. The first two authors have equal contributio

Neonatal pain detection in videos using the iCOPEvid dataset and an ensemble of descriptors extracted from Gaussian of Local Descriptors

Diagnosing pain in neonates is difficult but critical. Although approximately thirty manual pain instruments have been developed for neonatal pain diagnosis, most are complex, multifactorial, and geared toward research. The goals of this work are twofold: 1) to develop a new video dataset for automatic neonatal pain detection called iCOPEvid (infant Classification Of Pain Expressions videos), and 2) to present a classification system that sets a challenging comparison performance on this dataset. The iCOPEvid dataset contains 234 videos of 49 neonates experiencing a set of noxious stimuli, a period of rest, and an acute pain stimulus. From these videos 20 s segments are extracted and grouped into two classes: pain (49) and nopain (185), with the nopain video segments handpicked to produce a highly challenging dataset. An ensemble of twelve global and local descriptors with a Bag-of-Features approach is utilized to improve the performance of some new descriptors based on Gaussian of Local Descriptors (GOLD). The basic classifier used in the ensembles is the Support Vector Machine, and decisions are combined by sum rule. These results are compared with standard methods, some deep learning approaches, and 185 human assessments. Our best machine learning methods are shown to outperform the human judges

Blind Image Super-resolution with Rich Texture-Aware Codebooks

Blind super-resolution (BSR) methods based on high-resolution (HR) reconstruction codebooks have achieved promising results in recent years. However, we find that a codebook based on HR reconstruction may not effectively capture the complex correlations between low-resolution (LR) and HR images. In detail, multiple HR images may produce similar LR versions due to complex blind degradations, causing the HR-dependent only codebooks having limited texture diversity when faced with confusing LR inputs. To alleviate this problem, we propose the Rich Texture-aware Codebook-based Network (RTCNet), which consists of the Degradation-robust Texture Prior Module (DTPM) and the Patch-aware Texture Prior Module (PTPM). DTPM effectively mines the cross-resolution correlation of textures between LR and HR images by exploiting the cross-resolution correspondence of textures. PTPM uses patch-wise semantic pre-training to correct the misperception of texture similarity in the high-level semantic regularization. By taking advantage of this, RTCNet effectively gets rid of the misalignment of confusing textures between HR and LR in the BSR scenarios. Experiments show that RTCNet outperforms state-of-the-art methods on various benchmarks by up to 0.16 ~ 0.46dB