Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

Mathematics and Digital Signal Processing

Modern computer technology has opened up new opportunities for the development of digital signal processing methods. The applications of digital signal processing have expanded significantly and today include audio and speech processing, sonar, radar, and other sensor array processing, spectral density estimation, statistical signal processing, digital image processing, signal processing for telecommunications, control systems, biomedical engineering, and seismology, among others. This Special Issue is aimed at wide coverage of the problems of digital signal processing, from mathematical modeling to the implementation of problem-oriented systems. The basis of digital signal processing is digital filtering. Wavelet analysis implements multiscale signal processing and is used to solve applied problems of de-noising and compression. Processing of visual information, including image and video processing and pattern recognition, is actively used in robotic systems and industrial processes control today. Improving digital signal processing circuits and developing new signal processing systems can improve the technical characteristics of many digital devices. The development of new methods of artificial intelligence, including artificial neural networks and brain-computer interfaces, opens up new prospects for the creation of smart technology. This Special Issue contains the latest technological developments in mathematics and digital signal processing. The stated results are of interest to researchers in the field of applied mathematics and developers of modern digital signal processing systems

Fast and interactive ray-based rendering

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonDespite their age, ray-based rendering methods are still a very active field of research with many challenges when it comes to interactive visualization. In this thesis, we present our work on Guided High-Quality Rendering, Foveated Ray Tracing for Head Mounted Displays and Hash-based Hierarchical Caching and Layered Filtering. Our system for Guided High-Quality Rendering allows for guiding the sampling rate of ray-based rendering methods by a user-specified Region of Interest (RoI). We propose two interaction methods for setting such an RoI when using a large display system and a desktop display, respectively. This makes it possible to compute images with a heterogeneous sample distribution across the image plane. Using such a non-uniform sample distribution, the rendering performance inside the RoI can be significantly improved in order to judge specific image features. However, a modified scheduling method is required to achieve sufficient performance. To solve this issue, we developed a scheduling method based on sparse matrix compression, which has shown significant improvements in our benchmarks. By filtering the sparsely sampled image appropriately, large brightness variations in areas outside the RoI are avoided and the overall image brightness is similar to the ground truth early in the rendering process. When using ray-based methods in a VR environment on head-mounted display de vices, it is crucial to provide sufficient frame rates in order to reduce motion sickness. This is a challenging task when moving through highly complex environments and the full image has to be rendered for each frame. With our foveated rendering sys tem, we provide a perception-based method for adjusting the sample density to the user’s gaze, measured with an eye tracker integrated into the HMD. In order to avoid disturbances through visual artifacts from low sampling rates, we introduce a reprojection-based rendering pipeline that allows for fast rendering and temporal accumulation of the sparsely placed samples. In our user study, we analyse the im pact our system has on visual quality. We then take a closer look at the recorded eye tracking data in order to determine tracking accuracy and connections between different fixation modes and perceived quality, leading to surprising insights. For previewing global illumination of a scene interactively by allowing for free scene exploration, we present a hash-based caching system. Building upon the concept of linkless octrees, which allow for constant-time queries of spatial data, our frame work is suited for rendering such previews of static scenes. Non-diffuse surfaces are supported by our hybrid reconstruction approach that allows for the visualization of view-dependent effects. In addition to our caching and reconstruction technique, we introduce a novel layered filtering framework, acting as a hybrid method between path space and image space filtering, that allows for the high-quality denoising of non-diffuse materials. Also, being designed as a framework instead of a concrete filtering method, it is possible to adapt most available denoising methods to our layered approach instead of relying only on the filtering of primary hitpoints

Spatio-Temporal Approaches to Denoising and Feature Extraction in Rapid Image Triage

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Exploring behavioral circuits with holographic optogenetics and network imaging

Included works This thesis contains three previously published works: Semmelhack, Donovan, et al.; eLife 2014 Temizer, Donovan, et al.; Current Biology 2015 Thiele, Donovan, Baier; Neuron 2014 And one full manuscript, soon to be in the second round of review: Dal Maschio*, Donovan*, et al. *(Equal contributions) The work presented in these manuscripts is equivalent to a standard thesis

3D exemplar-based image inpainting in electron microscopy

In electron microscopy (EM) a common problem is the non-availability of data, which causes artefacts in reconstructions. In this thesis the goal is to generate artificial data where missing in EM by using exemplar-based inpainting (EBI). We implement an accelerated 3D version tailored to applications in EM, which reduces reconstruction times from days to minutes. We develop intelligent sampling strategies to find optimal data as input for reconstruction methods. Further, we investigate approaches to reduce electron dose and acquisition time. Sparse sampling followed by inpainting is the most promising approach. As common evaluation measures may lead to misinterpretation of results in EM and falsify a subsequent analysis, we propose to use application driven metrics and demonstrate this in a segmentation task. A further application of our technique is the artificial generation of projections in tiltbased EM. EBI is used to generate missing projections, such that the full angular range is covered. Subsequent reconstructions are significantly enhanced in terms of resolution, which facilitates further analysis of samples. In conclusion, EBI proves promising when used as an additional data generation step to tackle the non-availability of data in EM, which is evaluated in selected applications. Enhancing adaptive sampling methods and refining EBI, especially considering the mutual influence, promotes higher throughput in EM using less electron dose while not lessening quality.Ein häufig vorkommendes Problem in der Elektronenmikroskopie (EM) ist die Nichtverfügbarkeit von Daten, was zu Artefakten in Rekonstruktionen führt. In dieser Arbeit ist es das Ziel fehlende Daten in der EM künstlich zu erzeugen, was durch Exemplar-basiertes Inpainting (EBI) realisiert wird. Wir implementieren eine auf EM zugeschnittene beschleunigte 3D Version, welche es ermöglicht, Rekonstruktionszeiten von Tagen auf Minuten zu reduzieren. Wir entwickeln intelligente Abtaststrategien, um optimale Datenpunkte für die Rekonstruktion zu erhalten. Ansätze zur Reduzierung von Elektronendosis und Aufnahmezeit werden untersucht. Unterabtastung gefolgt von Inpainting führt zu den besten Resultaten. Evaluationsmaße zur Beurteilung der Rekonstruktionsqualität helfen in der EM oft nicht und können zu falschen Schlüssen führen, weswegen anwendungsbasierte Metriken die bessere Wahl darstellen. Dies demonstrieren wir anhand eines Beispiels. Die künstliche Erzeugung von Projektionen in der neigungsbasierten Elektronentomographie ist eine weitere Anwendung. EBI wird verwendet um fehlende Projektionen zu generieren. Daraus resultierende Rekonstruktionen weisen eine deutlich erhöhte Auflösung auf. EBI ist ein vielversprechender Ansatz, um nicht verfügbare Daten in der EM zu generieren. Dies wird auf Basis verschiedener Anwendungen gezeigt und evaluiert. Adaptive Aufnahmestrategien und EBI können also zu einem höheren Durchsatz in der EM führen, ohne die Bildqualität merklich zu verschlechtern

Recent Advances in Signal Processing

The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

Variational models for color image processing in the RGB space inspired by human vision Mémoire d'Habilitation a Diriger des Recherches dans la spécialité Mathématiques

La recherche que j'ai développée jusqu'à maintenant peut être divisée en quatre catégories principales : les modèles variationnels pourla correction de la couleur basée sur la perception humaine, le transfert d'histogrammes, le traitement d'images à haute gammedynamique et les statistiques d'images naturelles en couleur. Les sujets ci-dessus sont très inter-connectés car la couleur est un sujetfortement inter-disciplinaire