Pollen segmentation and feature evaluation for automatic classification in bright-field microscopy

14 págs.; 10 figs.; 7 tabs.; 1 app.© 2014 Elsevier B.V. Besides the well-established healthy properties of pollen, palynology and apiculture are of extreme importance to avoid hard and fast unbalances in our ecosystems. To support such disciplines computer vision comes to alleviate tedious recognition tasks. In this paper we present an applied study of the state of the art in pattern recognition techniques to describe, analyze, and classify pollen grains in an extensive dataset specifically collected (15 types, 120 samples/type). We also propose a novel contour-inner segmentation of grains, improving 50% of accuracy. In addition to published morphological, statistical, and textural descriptors, we introduce a new descriptor to measure the grain's contour profile and a logGabor implementation not tested before for this purpose. We found a significant improvement for certain combinations of descriptors, providing an overall accuracy above 99%. Finally, some palynological features that are still difficult to be integrated in computer systems are discussed.This work has been supported by the European project APIFRESH FP7-SME-2008-2 ‘‘Developing European standards for bee pollen and royal jelly: quality, safety and authenticity’’ and we would like to thank to Mr. Walter Haefeker, President of the European Professional Beekeepers Association (EPBA). J. Victor Marcos is a ‘‘Juan de la Cierva’’ research fellow funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness. Rodrigo Nava thanks Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) and PAPIIT Grant IG100814.Peer Reviewe

Study of Computational Image Matching Techniques: Improving Our View of Biomedical Image Data

Image matching techniques are proven to be necessary in various fields of science and engineering, with many new methods and applications introduced over the years. In this PhD thesis, several computational image matching methods are introduced and investigated for improving the analysis of various biomedical image data. These improvements include the use of matching techniques for enhancing visualization of cross-sectional imaging modalities such as Computed Tomography (CT) and Magnetic Resonance Imaging (MRI), denoising of retinal Optical Coherence Tomography (OCT), and high quality 3D reconstruction of surfaces from Scanning Electron Microscope (SEM) images. This work greatly improves the process of data interpretation of image data with far reaching consequences for basic sciences research. The thesis starts with a general notion of the problem of image matching followed by an overview of the topics covered in the thesis. This is followed by introduction and investigation of several applications of image matching/registration in biomdecial image processing: a) registration-based slice interpolation, b) fast mesh-based deformable image registration and c) use of simultaneous rigid registration and Robust Principal Component Analysis (RPCA) for speckle noise reduction of retinal OCT images. Moving towards a different notion of image matching/correspondence, the problem of view synthesis and 3D reconstruction, with a focus on 3D reconstruction of microscopic samples from 2D images captured by SEM, is considered next. Starting from sparse feature-based matching techniques, an extensive analysis is provided for using several well-known feature detector/descriptor techniques, namely ORB, BRIEF, SURF and SIFT, for the problem of multi-view 3D reconstruction. This chapter contains qualitative and quantitative comparisons in order to reveal the shortcomings of the sparse feature-based techniques. This is followed by introduction of a novel framework using sparse-dense matching/correspondence for high quality 3D reconstruction of SEM images. As will be shown, the proposed framework results in better reconstructions when compared with state-of-the-art sparse-feature based techniques. Even though the proposed framework produces satisfactory results, there is room for improvements. These improvements become more necessary when dealing with higher complexity microscopic samples imaged by SEM as well as in cases with large displacements between corresponding points in micrographs. Therefore, based on the proposed framework, a new approach is proposed for high quality 3D reconstruction of microscopic samples. While in case of having simpler microscopic samples the performance of the two proposed techniques are comparable, the new technique results in more truthful reconstruction of highly complex samples. The thesis is concluded with an overview of the thesis and also pointers regarding future directions of the research using both multi-view and photometric techniques for 3D reconstruction of SEM images

An Objectivation of Visual Perception using Virtual Reality, Brain-Computer Interfaces and Deep Learning

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

An Objectivation of Visual Perception using Virtual Reality, Brain-Computer Interfaces and Deep Learning

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

Objectivation of Visual Perception

Der Sehsinn ermöglicht eine detailgenaue Wahrnehmung der Welt. Virtual Reality (VR), Brain-Computer Interfaces (BCI) und Deep Learning sind neue Technologien, die uns hierbei neue Möglichkeiten für die Erforschung der visuellen Wahrnehmung geben. In dieser Dissertation wird ein System für die Augenheilkunde vorgestellt, das Augenkrankheiten in VR simulieren kann und durch Hinzufügen von BCI und KI eine objektive Diagnostik von Gesichtsfeldausfällen ermöglicht. Für ein besseres Verständnis der Arbeit wird das menschliche Sehen mit Modellen der Computer Vision verglichen und basierend hierauf ein allgemeines vierstufiges Seh-Modell eingeführt. Innerhalb des Modells werden Schnittstellen zwischen der biologisch-realen und der technologisch-virtuellen Welt evaluiert. Besteht heutzutage bei einem Patienten der Verdacht auf einen Gesichtsfeldausfall (Skotom), so werden ophthalmologische Geräte wie das Perimeter zur Ausmessung des Gesichtsfeldes eingesetzt. Das dem Stand der Technik entsprechende Verfahren liegt dem subjektiven Feedback des Patienten zugrunde. Entsprechend können Lerneffekte beim Patienten das Ergebnis nicht unwesentlich beeinflussen. Um diese Problematiken zu umgehen, wurde in dieser Dissertation ein objektives Perimetriesystem auf Basis von VR, BCI und Deep Learning erfolgreich implementiert und evaluiert. Ein weiterer Vorteil des neuen Systems ist die Möglichkeit zur Einsetzung bei Menschen mit Schwerbehinderung, Kindern und Tieren. Der Lösungsansatz dieser Dissertation ist die Simulation (pathologischer/eingeschränkter) Sehzustände. Hierfür wurde der Zustand von Glaukompatienten mit Hilfe von VR-Technologien virtuell abgebildet. Die resultierende VR-Anwendung bildet individuelle Glaukomverläufe immersiv in VR ab. Evaluiert wurde die Simulationsumgebung mit medizinischem Fachpersonal und Glaukompatienten an der Augenklinik des Universitätsklinikums Heidelberg (\textit{N}=22). Hierbei wurde gezeigt, dass VR eine geeignete Maßnahme zur Simulation von Sehbedingungen ist und zum Verständnis des Patientenzustandes einen Beitrag leisten kann. Ausgehend von dieser Simulationsumgebung wurden weitere Software- und Hardwaremodule hinzugefügt. Erzeugte stationäre visuelle Stimuli wurden hierbei eingesetzt, um (simulierte) Sehfehler durch ein Elektroenzephalographie (EEG)-basiertes BCI zu erkennen. Das System wurde in einer internationalen Laborstudie (\textit{N}=15) in Zusammenarbeit mit dem Massachusetts Institute of Technology getestet und validiert. Die gesammelten Daten deuten darauf hin, dass das System für die Klassifizierung des zentralen (88\% Genauigkeit pro 2,5 Sekunden EEG-Daten) und peripheren Gesichtsfeldes (63-81\% Genauigkeit) geeignet ist, während es für periphere Positionen aufgrund der Technologiesensitivität zu Einschränkungen (50-57\% Genauigkeit) kommt. Entsprechend sollte das System für Skotome eingesetzt werden, sofern der Sehausfall das zentrale Sehen oder ganze Quadranten des Gesichtsfelds betrifft. Aufgrund der Notwendigkeit für einen besseren ambulanten EEG-Messaufbau werden modulare, plattformübergreifende Softwareimplementierungen und neuartige, zum Patent angemeldete, EEG-Elektroden vorgestellt. Die neuartigen Elektroden bieten ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als herkömmliche Trockenelektroden (\SI{1,35}{dB} Verbesserung), sind schnell anzulegen, wiederverwendbar und hinterlassen kaum bis keine unerwünschten Rückstände im Haar des Patienten. Diese Dissertation legt den Grundstein für ein VR, BCI und KI-basiertes Perimetrie-Messsystem, welches insbesondere im ambulanten Setting oder bei Patienten mit Einschränkungen zum Einsatz kommen könnte

Plant Seed Identification

Plant seed identification is routinely performed for seed certification in seed trade, phytosanitary certification for the import and export of agricultural commodities, and regulatory monitoring, surveillance, and enforcement. Current identification is performed manually by seed analysts with limited aiding tools. Extensive expertise and time is required, especially for small, morphologically similar seeds. Computers are, however, especially good at recognizing subtle differences that humans find difficult to perceive. In this thesis, a 2D, image-based computer-assisted approach is proposed. The size of plant seeds is extremely small compared with daily objects. The microscopic images of plant seeds are usually degraded by defocus blur due to the high magnification of the imaging equipment. It is necessary and beneficial to differentiate the in-focus and blurred regions given that only sharp regions carry distinctive information usually for identification. If the object of interest, the plant seed in this case, is in- focus under a single image frame, the amount of defocus blur can be employed as a cue to separate the object and the cluttered background. If the defocus blur is too strong to obscure the object itself, sharp regions of multiple image frames acquired at different focal distance can be merged together to make an all-in-focus image. This thesis describes a novel non-reference sharpness metric which exploits the distribution difference of uniform LBP patterns in blurred and non-blurred image regions. It runs in realtime on a single core cpu and responses much better on low contrast sharp regions than the competitor metrics. Its benefits are shown both in defocus segmentation and focal stacking. With the obtained all-in-focus seed image, a scale-wise pooling method is proposed to construct its feature representation. Since the imaging settings in lab testing are well constrained, the seed objects in the acquired image can be assumed to have measureable scale and controllable scale variance. The proposed method utilizes real pixel scale information and allows for accurate comparison of seeds across scales. By cross-validation on our high quality seed image dataset, better identification rate (95%) was achieved compared with pre- trained convolutional-neural-network-based models (93.6%). It offers an alternative method for image based identification with all-in-focus object images of limited scale variance. The very first digital seed identification tool of its kind was built and deployed for test in the seed laboratory of Canadian food inspection agency (CFIA). The proposed focal stacking algorithm was employed to create all-in-focus images, whereas scale-wise pooling feature representation was used as the image signature. Throughput, workload, and identification rate were evaluated and seed analysts reported significantly lower mental demand (p = 0.00245) when using the provided tool compared with manual identification. Although the identification rate in practical test is only around 50%, I have demonstrated common mistakes that have been made in the imaging process and possible ways to deploy the tool to improve the recognition rate

Addressing subjectivity in the classification of palaeoenvironmental remains with supervised deep learning convolutional neural networks

Archaeological object identifications have been traditionally undertaken through a comparative methodology where each artefact is identified through a subjective, interpretative act by a professional. Regarding palaeoenvironmental remains, this comparative methodology is given boundaries by using reference materials and codified sets of rules, but subjectivity is nevertheless present. The problem with this traditional archaeological methodology is that higher level of subjectivity in the identification of artefacts leads to inaccuracies, which then increases the potential for Type I and Type II errors in the testing of hypotheses. Reducing the subjectivity of archaeological identifications would improve the statistical power of archaeological analyses, which would subsequently lead to more impactful research. In this thesis, it is shown that the level of subjectivity in palaeoenvironmental research can be reduced by applying deep learning convolutional neural networks within an image recognition framework. The primary aim of the presented research is therefore to further the on-going paradigm shift in archaeology towards model-based object identifications, particularly within the realm of palaeoenvironmental remains. Although this thesis focuses on the identification of pollen grains and animal bones, with the latter being restricted to the astragalus of sheep and goats, there are wider implications for archaeology as these methods can easily be extended beyond pollen and animal remains. The previously published POLEN23E dataset is used as the pilot study of applying deep learning in pollen grain classification. In contrast, an image dataset of modern bones was compiled for the classification of sheep and goat astragali due to a complete lack of available bone image datasets and a double blind study with inexperienced and experienced zooarchaeologists was performed to have a benchmark to which image recognition models can be compared. In both classification tasks, the presented models outperform all previous formal modelling methods and only the best human analysts match the performance of the deep learning model in the sheep and goat astragalus separation task. Throughout the thesis, there is a specific focus on increasing trust in the models through the visualization of the models’ decision making and avenues of improvements to Grad-CAM are explored. This thesis makes an explicit case for the phasing out of the comparative methods in favour of a formal modelling framework within archaeology, especially in palaeoenvironmental object identification

On Improving Generalization of CNN-Based Image Classification with Delineation Maps Using the CORF Push-Pull Inhibition Operator

Deployed image classification pipelines are typically dependent on the images captured in real-world environments. This means that images might be affected by different sources of perturbations (e.g. sensor noise in low-light environments). The main challenge arises by the fact that image quality directly impacts the reliability and consistency of classification tasks. This challenge has, hence, attracted wide interest within the computer vision communities. We propose a transformation step that attempts to enhance the generalization ability of CNN models in the presence of unseen noise in the test set. Concretely, the delineation maps of given images are determined using the CORF push-pull inhibition operator. Such an operation transforms an input image into a space that is more robust to noise before being processed by a CNN. We evaluated our approach on the Fashion MNIST data set with an AlexNet model. It turned out that the proposed CORF-augmented pipeline achieved comparable results on noise-free images to those of a conventional AlexNet classification model without CORF delineation maps, but it consistently achieved significantly superior performance on test images perturbed with different levels of Gaussian and uniform noise