Representation and Detection of Shapes in Images

We present a set of techniques that can be used to represent and detect shapes in images. Our methods revolve around a particular shape representation based on the description of objects using triangulated polygons. This representation is similar to the medial axis transform and has important properties from a computational perspective. The first problem we consider is the detection of non-rigid objects in images using deformable models. We present an efficient algorithm to solve this problem in a wide range of situations, and show examples in both natural and medical images. We also consider the problem of learning an accurate non-rigid shape model for a class of objects from examples. We show how to learn good models while constraining them to the form required by the detection algorithm. Finally, we consider the problem of low-level image segmentation and grouping. We describe a stochastic grammar that generates arbitrary triangulated polygons while capturing Gestalt principles of shape regularity. This grammar is used as a prior model over random shapes in a low level algorithm that detects objects in images

Spatio-Temporal Video Segmentation with Shape Growth or Shrinkage Constraint

We propose a new method for joint segmentation of monotonously growing or shrinking shapes in a time sequence of noisy images. The task of segmenting the image time series is expressed as an optimization problem using the spatio-temporal graph of pixels, in which we are able to impose the constraint of shape growth or of shrinkage by introducing monodirectional infinite links connecting pixels at the same spatial locations in successive image frames. The globally optimal solution is computed with a graph cut. The performance of the proposed method is validated on three applications: segmentation of melting sea ice floes and of growing burned areas from time series of 2D satellite images, and segmentation of a growing brain tumor from sequences of 3D medical scans. In the latter application, we impose an additional intersequences inclusion constraint by adding directed infinite links between pixels of dependent image structures

Efficient and robust shape retrieval from deformable templates

Computer Systems, Imagery and Medi

Object localization using deformable templates

Object localization refers to the detection, matching and segmentation of objects in images. The localization model presented in this paper relies on deformable templates to match objects based on shape alone. The shape structure is captured by a prototype template consisting of hand-drawn edges and contours representing the object to be localized. A multistage, multiresolution algorithm is utilized to reduce the computational intensity of the search. The first stage reduces the physical search space dimensions using correlation to determine the regions of interest where a match it likely to occur. The second stage finds approximate matches between the template and target image at progressively finer resolutions, by attracting the template to salient image features using Edge Potential Fields. The third stage entails the use of evolutionary optimization to determine control point placement for a Local Weighted Mean warp, which deforms the template to fit the object boundaries. Results are presented for a number of applications, showing the successful localization of various objects. The algorithm’s invariance to rotation, scale, translation and moderate shape variation of the target objects is clearly illustrated

Aportaciones a la historia de la fotografía indigenista mexicana. El fotógrafo Nacho López: Vida, obra y propuesta de un modelo de metadatos denotativo-morfológicos para el análisis de su obra en el Instituto Nacional Indigenista de México. (1950-1981)

La presente tesis tiene como epicentro al fotógrafo mexicano Ignacio López Bocanegra (1923-1986) mejor conocido como Nacho López y su trabajo fotográfico en el Instituto Nacional Indigenista.López fue uno de los fotógrafos mexicanos más importantes en la segunda mitad del siglo XX pero sorprende que no exista una obra monográfica que incluya una biografía unitaria o un recuento completo de su obra, en particular su trabajo indigenista. La presente investigación subsana esta situación mediante una reseña biográfica que llena algunos vacíos y corrobora informaciones, así como un recorrido más completo de su obra, con particular énfasis en su trabajo fotográfico indigenista, uno de los menos estudiados. Por otra parte, ocurre algo similiar con el repaso histórico de la fotografía antropológicae indigenista en México que se encuentra igualmente atomizada. Así que esta investigación ha dado como resultado un recuento de los principales momentos y de las personalidades más importantes de la fotografía antropológica en México; se incluyen, desde luego, los aportes de la generación de fotógrafos indigenistas que trabajaron entre 1940 y 1970 como Héctor García,Julio de la Fuente, Alfonso Fabila y el propio Nacho López..

Pattern Recognition in High-Throughput Zebrafish Imaging

High Throughput (HT) methods are high volume experimental approaches that are common in the fields of the life-sciences. The instrumentation for these methods differs per application. We will focus on the HT methods that are concerned with imaging. The aim of this thesis is to find robust methods for object extraction and analysis. We focus on the Computer Science aspects of such analysis, namely pattern recognition. Pattern Recognition can be seen in the context of object recognition and data mining. Both aspects will be described in this thesis. We present a framework for segmenting and recognizing the objects of interest based on Template Matching. This approach was designed for an application in the HT screening of zebrafish embryos. All proposed methods are fully automated. We further elaborate on the segmentation algorithms to apply these in software that can be used in a HT context to derive measurements. Then we apply the software on a real life problem involving zebrafish infected with Mycobacterium marinum.SmartmixComputer Systems, Imagery and Medi

Insights on the spatiotemporal organization of integrins and their ligands using quantitative biophysical tools

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Università degli Studi di FirenzeThe migration of leukocytes from the blood stream to sites of injury and infection in the extravascular tissues is fundamental for the immune response. Two of the main receptors mediating this process are the integrins aLß2 and a4ß1, both expressed on the leukocyte cell membrane, which bind to their respective ligands ICAM-1 and VCAM-1, expressed on endothelial cell (EC) membrane. The dynamic and lateral organization of integrins on the cell membrane has been shown to be crucial in the regulation of cell adhesion. Likewise, organization of ligands in small domains (clusters) would probably reinforce the bonds formed with the integrins, thus increasing leukocyte adhesion. However, how the spatiotemporal behavior of integrins and their ligands is affected by the influence of external factors, such as mechanical and/or biochemical stimuli, has not been extensively studied. In addition, the impact of such spatiotemporal changes in the process of leukocyte adhesion and migration has not been addressed yet. The main aim of this thesis has been to address these questions using a combination of state-of-art biophysical tools, including advanced cell imaging, single molecule dynamic approaches, cell mechanical stimulation, and custom-designed algorithms for data quantification. From the technical side, our general approach involved the use of single particle tracking (SPT) approaches to monitor the dynamics of individual molecules implicated in the process of the cell adhesion, in combination with different super-resolution microscopy techniques, such as STED and STORM, to visualize changes in their nanoscale organization upon the influence of biochemical and/or mechanical stimuli. To mechanically stimulate cells we developed two different approaches; namely, a mechanical stretching device and a parallel-plate flow chamber (PPFC). We integrated these devices into our single molecule set-up and succeeded in recording the diffusion of integrins on cells plated on the mechanical stretching device upon varying stress conditions. As part of this thesis, we also applied different custom-made data analysis algorithms existent in the Lab and developed novel algorithms aimed at tracking and quantifying changes in the migratory behavior of T-cells on ECs exposed to shear stress. Using this powerful palette of tools we discovered that, as a consequence of prolonged shear flow exposure, ICAM-1 undergoes a global reorganization on the EC membrane accompanied by the formation of ICAM-1 nanoclusters. These nanoclusters were found to co-localize with shear flow-induced actin-enriched patch-like structures. Moreover, we showed that T-cells migrate faster and interact for shorter period of times on ECs mechanically stimulated as compared to ECs not subjected to shear stimulation. Hence, from these results, we concluded that continuous shear flow regulates the spatial organization of cell adhesion receptors on ECs, which in turn modulates leukocyte migration. In addition, we showed that chemokine (CXCL12) stimulation leads to rapid and transient activation of the a4ß1 expressed on T cells. These changes in activation profile directly correlate with talin recruitment, restricted lateral diffusion and integrin immobilization. Moreover, co-stimulation with CXCL12 and the ligand VCAM-1 potentiated integrin immobilization. In addition, superresolution imaging revealed that the nanoscale organization of a4ß1 remains unaffected upon CXCL12 and/or VCAM-1 stimulation. Our data, thus, indicate that docking by talin of the chemokine-activated a4ß1 to the actin cytoskeleton favors integrin immobilization, which likely facilitates ligand interaction and increased adhesiveness. The overall finding of this thesis indicates that cells of the immune system respond to mechanical and biochemical stimuli by rapidly readjusting the spatiotemporal behavior of integrins and ligands on the cell membrane modulating in turn cell adhesion and migration.La migración de leucocitos desde el torrente sanguíneo a sitios de lesión e infección es fundamental en la respuesta inmune. Dos de los principales receptores que median este proceso son las integrinas aLß2 y a4ß1, que se expresan en la membrana celular de los leucocitos y se unen a sus respectivos ligandos ICAM-1 y VCAM-1, ambos localizados sobre la membrana de células endoteliales (CE). Se ha demostrado que la dinámica y la organización lateral de las integrinas sobre la membrana celular son cruciales en la regulación de la adhesión celular. Asimismo, es muy probable que la organización de los ligandos en pequeños dominios refuerce los enlaces formados con las integrinas, fortaleciendo así la adhesión celular. Sin embargo, cómo el comportamiento espacio-temporal de las integrinas y sus ligandos es afectado por factores externos, tales como estímulos mecánicos y/o bioquímicos, no ha sido ampliamente estudiado. Además, el impacto de estos cambios espacio-temporales en el proceso de adhesión y migración leucocitaria aún no ha sido abordado. El objetivo principal de esta tesis ha sido abordar estas interrogantes usando una combinación de herramientas biofísicas de última generación que incluyen avanzadas técnicas de visualización, dinámica de moléculas individuales, estimulación mecánica de células y desarrollo de algoritmos para la cuantificación de datos. Con este fin hemos utilizado métodos de seguimiento de partículas individuales para monitorizar la dinámica de moléculas individuales, en combinación con técnicas de microscopía de super-resolución, como STED y STORM, para visualizar cambios en su organización a nano-escala tras la estimulación bioquímica y/o mecánica. Para estimular las células mecánicamente hemos desarrollado dos métodos: un dispositivo de estiramiento y una cámara de flujo de placa paralela. Ambos dispositivos fueron integrados a nuestro montaje experimental de detección de moléculas individuales y el primero fue exitosamente utilizado en la caracterización de la difusión de integrinas en células cultivadas en el dispositivo de estiramiento mecánico. Como parte de esta tesis también usamos diferentes algoritmos, existentes en nuestro grupo, para el análisis de datos y desarrollamos otros nuevos para el seguimiento y cuantificación del comportamiento migratorio de células T sometidas a flujo continuo. Utilizando estas herramientas descubrimos que, a causa de la exposición a flujo mecánico, ICAM-1 se reorganiza sobre la membrana de las CEs y forma nano-agregados. Se encontró además que estos agregados se colocalizan con regiones ricas en actina con estructura de parches. Además mostramos que las células T migran más rápido e interactúan por periodos más cortos de tiempo con CEs estimuladas mecánicamente respecto a CEs no estimuladas. De estos resultados concluimos que el flujo mecánico regula la organización espacial de los receptores de adhesión en las CEs, que a su vez modula la migración de leucocitos. También demostramos que la estimulación con quimioquinas (CXCL12) conduce a una rápida y transitoria activación de a4ß1. Estos cambios en la activación de a4ß1 se correlacionaron con el reclutamiento de talina, la inmovilización de la integrina y su reducida difusión lateral. Además, la coestimulación con CXCL12 y el ligando VCAM-1 potenció la inmovilización de a4ß1. Adicionalmente, imágenes de superresolución revelaron que la organización a nanométrica de a4ß1 no se ve afectada por la estimulación con CXCL12 y/o VCAM-1. Estos datos indican que las integrinas activadas por CXCL12 se unen al citoesqueleto por medio de talina, favoreciendo la inmovilización de a4ß1 y facilitando así, la interacción con su ligando y una mayor adhesión. En resumen, esta tesis indica que las células del sistema inmune responden a estímulos mecánicos y bioquímicos mediante el reajuste rápido de la organización espacio-temporal de integrinas y ligandos sobre la membrana celular, modulando así su adhesión y migraciónPostprint (published version