Mapping the spatiotemporal dynamics of calcium signaling in cellular neural networks using optical flow

An optical flow gradient algorithm was applied to spontaneously forming net- works of neurons and glia in culture imaged by fluorescence optical microscopy in order to map functional calcium signaling with single pixel resolution. Optical flow estimates the direction and speed of motion of objects in an image between subsequent frames in a recorded digital sequence of images (i.e. a movie). Computed vector field outputs by the algorithm were able to track the spatiotemporal dynamics of calcium signaling pat- terns. We begin by briefly reviewing the mathematics of the optical flow algorithm, and then describe how to solve for the displacement vectors and how to measure their reliability. We then compare computed flow vectors with manually estimated vectors for the progression of a calcium signal recorded from representative astrocyte cultures. Finally, we applied the algorithm to preparations of primary astrocytes and hippocampal neurons and to the rMC-1 Muller glial cell line in order to illustrate the capability of the algorithm for capturing different types of spatiotemporal calcium activity. We discuss the imaging requirements, parameter selection and threshold selection for reliable measurements, and offer perspectives on uses of the vector data.Comment: 23 pages, 5 figures. Peer reviewed accepted version in press in Annals of Biomedical Engineerin

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multi-camera systems are being deployed in a variety of vehicles and mobile robots today. To eliminate the need for cost and labor intensive maintenance and calibration, continuous self-calibration is highly desirable. In this book we present such an approach for self-calibration of multi-Camera systems for vehicle surround sensing. In an extensive evaluation we assess our algorithm quantitatively using real-world data

Self-Calibration of Multi-Camera Systems for Vehicle Surround Sensing

Multikamerasysteme werden heute bereits in einer Vielzahl von Fahrzeugen und mobilen Robotern eingesetzt. Die Anwendungen reichen dabei von einfachen Assistenzfunktionen wie der Erzeugung einer virtuellen Rundumsicht bis hin zur Umfelderfassung, wie sie für teil- und vollautomatisches Fahren benötigt wird. Damit aus den Kamerabildern metrische Größen wie Distanzen und Winkel abgeleitet werden können und ein konsistentes Umfeldmodell aufgebaut werden kann, muss das Abbildungsverhalten der einzelnen Kameras sowie deren relative Lage zueinander bekannt sein. Insbesondere die Bestimmung der relativen Lage der Kameras zueinander, die durch die extrinsische Kalibrierung beschrieben wird, ist aufwendig, da sie nur im Gesamtverbund erfolgen kann. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass es über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg zu nicht vernachlässigbaren Veränderungen durch äußere Einflüsse kommt. Um den hohen Zeit- und Kostenaufwand einer regelmäßigen Wartung zu vermeiden, ist ein Selbstkalibrierungsverfahren erforderlich, das die extrinsischen Kalibrierparameter fortlaufend nachschätzt. Für die Selbstkalibrierung wird typischerweise das Vorhandensein überlappender Sichtbereiche ausgenutzt, um die extrinsische Kalibrierung auf der Basis von Bildkorrespondenzen zu schätzen. Falls die Sichtbereiche mehrerer Kameras jedoch nicht überlappen, lassen sich die Kalibrierparameter auch aus den relativen Bewegungen ableiten, die die einzelnen Kameras beobachten. Die Bewegung typischer Straßenfahrzeuge lässt dabei jedoch nicht die Bestimmung aller Kalibrierparameter zu. Um die vollständige Schätzung der Parameter zu ermöglichen, lassen sich weitere Bedingungsgleichungen, die sich z.B. aus der Beobachtung der Bodenebene ergeben, einbinden. In dieser Arbeit wird dazu in einer theoretischen Analyse gezeigt, welche Parameter sich aus der Kombination verschiedener Bedingungsgleichungen eindeutig bestimmen lassen. Um das Umfeld eines Fahrzeugs vollständig erfassen zu können, werden typischerweise Objektive, wie zum Beispiel Fischaugenobjektive, eingesetzt, die einen sehr großen Bildwinkel ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Bestimmung von Bildkorrespondenzen vorgeschlagen, das die geometrischen Verzerrungen, die sich durch die Verwendung von Fischaugenobjektiven und sich stark ändernden Ansichten ergeben, berücksichtigt. Darauf aufbauend stellen wir ein robustes Verfahren zur Nachführung der Parameter der Bodenebene vor. Basierend auf der theoretischen Analyse der Beobachtbarkeit und den vorgestellten Verfahren stellen wir ein robustes, rekursives Kalibrierverfahren vor, das auf einem erweiterten Kalman-Filter aufbaut. Das vorgestellte Kalibrierverfahren zeichnet sich insbesondere durch die geringe Anzahl von internen Parametern, sowie durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der einbezogenen Bedingungsgleichungen aus und basiert einzig auf den Bilddaten des Multikamerasystems. In einer umfangreichen experimentellen Auswertung mit realen Daten vergleichen wir die Ergebnisse der auf unterschiedlichen Bedingungsgleichungen und Bewegungsmodellen basierenden Verfahren mit den aus einer Referenzkalibrierung bestimmten Parametern. Die besten Ergebnisse wurden dabei durch die Kombination aller vorgestellten Bedingungsgleichungen erzielt. Anhand mehrerer Beispiele zeigen wir, dass die erreichte Genauigkeit ausreichend für eine Vielzahl von Anwendungen ist

Projection-based image registration in the presence of fixed-pattern noise

A computationally efficient method for image registration is investigated that can achieve an improved performance over the traditional two-dimensional (2-D) cross-correlation-based techniques in the presence of both fixed-pattern and temporal noise. The method relies on transforming each image in the sequence of frames into two vector projections formed by accumulating pixel values along the rows and columns of the image. The vector projections corresponding to successive frames are in turn used to estimate the individual horizontal and vertical components of the shift by means of a one-dimensional (1-D) cross-correlation-based estimator. While gradient-based shift estimation techniques are computationally efficient, they often exhibit degraded performance under noisy conditions in comparison to cross-correlators due to the fact that the gradient operation amplifies noise. The projection-based estimator, on the other hand, significantly reduces the computational complexity associated with the 2-D operations involved in traditional correlation-based shift estimators while improving the performance in the presence of temporal and spatial noise. To show the noise rejection capability of the projection-based shift estimator relative to the 2-D cross correlator, a figure-of-merit is developed and computed reflecting the signal-to-noise ratio (SNR) associated with each estimator. The two methods are also compared by means of computer simulation and tests using real image sequences

Photospheric Electric Fields and Energy Fluxes in the Eruptive Active Region NOAA 11158

How much electromagnetic energy crosses the photosphere in evolving solar active regions? With the advent of high-cadence vector magnetic field observations, addressing this fundamental question has become tractable. In this paper, we apply the "PTD-Doppler-FLCT-Ideal" (PDFI) electric field inversion technique of Kazachenko et al. (2014) to a 6-day HMI/SDO vector magnetogram and Doppler velocity sequence, to find the electric field and Poynting flux evolution in active region NOAA 11158, which produced an X2.2 flare early on 2011 February 15. We find photospheric electric fields ranging up to $2$ V/cm. The Poynting fluxes range from $[-0.6$ to $2.3]\times10^{10}$ ergs$\cdot$cm$^{-2}$s$^{-1}$, mostly positive, with the largest contribution to the energy budget in the range of $[10^9$-$10^{10}]$ ergs$\cdot$cm$^{-2}$s$^{-1}$. Integrating the instantaneous energy flux over space and time, we find that the total magnetic energy accumulated above the photosphere from the initial emergence to the moment before the X2.2 flare to be $E=10.6\times10^{32}$ ergs, which is partitioned as $2.0$ and $8.6\times10^{32}$ ergs, respectively, between free and potential energies. Those estimates are consistent with estimates from preflare non-linear force-free field (NLFFF) extrapolations and the Minimum Current Corona estimates (MCC), in spite of our very different approach. This study of photospheric electric fields demonstrates the potential of the PDFI approach for estimating Poynting fluxes and opens the door to more quantitative studies of the solar photosphere and more realistic data-driven simulations of coronal magnetic field evolution.Comment: 51 pages, 10 figures, accepted by ApJ on August 11, 201