Fair comparison of skin detection approaches on publicly available datasets

Skin detection is the process of discriminating skin and non-skin regions in a digital image and it is widely used in several applications ranging from hand gesture analysis to track body parts and face detection. Skin detection is a challenging problem which has drawn extensive attention from the research community, nevertheless a fair comparison among approaches is very difficult due to the lack of a common benchmark and a unified testing protocol. In this work, we investigate the most recent researches in this field and we propose a fair comparison among approaches using several different datasets. The major contributions of this work are an exhaustive literature review of skin color detection approaches, a framework to evaluate and combine different skin detector approaches, whose source code is made freely available for future research, and an extensive experimental comparison among several recent methods which have also been used to define an ensemble that works well in many different problems. Experiments are carried out in 10 different datasets including more than 10000 labelled images: experimental results confirm that the best method here proposed obtains a very good performance with respect to other stand-alone approaches, without requiring ad hoc parameter tuning. A MATLAB version of the framework for testing and of the methods proposed in this paper will be freely available from https://github.com/LorisNann

Contributions to Ensemble Classifiers with Image Analysis Applications

134 p.Ésta tesis tiene dos aspectos fundamentales, por un lado, la propuesta denuevas arquitecturas de clasificadores y, por otro, su aplicación a el análisis deimagen.Desde el punto de vista de proponer nuevas arquitecturas de clasificaciónla tesis tiene dos contribucciones principales. En primer lugar la propuestade un innovador ensemble de clasificadores basado en arquitecturas aleatorias,como pueden ser las Extreme Learning Machines (ELM), Random Forest (RF) yRotation Forest, llamado Hybrid Extreme Rotation Forest (HERF) y su mejoraAnticipative HERF (AHERF) que conlleva una selección del modelo basada enel rendimiento de predicción para cada conjunto de datos específico. Ademásde lo anterior, proveemos una prueba formal tanto del AHERF, como de laconvergencia de los ensembles de regresores ELMs que mejoran la usabilidad yreproducibilidad de los resultados.En la vertiente de aplicación hemos estado trabajando con dos tipos de imágenes:imágenes hiperespectrales de remote sensing, e imágenes médicas tanto depatologías específicas de venas de sangre como de imágenes para el diagnósticode Alzheimer. En todos los casos los ensembles de clasificadores han sido la herramientacomún además de estrategias especificas de aprendizaje activo basadasen dichos ensembles de clasificadores. En el caso concreto de la segmentaciónde vasos sanguíneos nos hemos enfrentado con problemas, uno relacionado conlos trombos del Aneurismas de Aorta Abdominal en imágenes 3D de tomografíacomputerizada y el otro la segmentación de venas sangineas en la retina. Losresultados en ambos casos en términos de rendimiento en clasificación y ahorrode tiempo en la segmentación humana nos permiten recomendar esos enfoquespara la práctica clínica.Chapter 1Background y contribuccionesDado el espacio limitado para realizar el resumen de la tesis hemos decididoincluir un resumen general con los puntos más importantes, una pequeña introducciónque pudiera servir como background para entender los conceptos básicosde cada uno de los temas que hemos tocado y un listado con las contribuccionesmás importantes.1.1 Ensembles de clasificadoresLa idea de los ensembles de clasificadores fue propuesta por Hansen y Salamon[4] en el contexto del aprendizaje de las redes neuronales artificiales. Sutrabajo mostró que un ensemble de redes neuronales con un esquema de consensogrupal podía mejorar el resultado obtenido con una única red neuronal.Los ensembles de clasificadores buscan obtener unos resultados de clasificaciónmejores combinando clasificadores débiles y diversos [8, 9]. La propuesta inicialde ensemble contenía una colección homogena de clasificadores individuales. ElRandom Forest es un claro ejemplo de ello, puesto que combina la salida de unacolección de árboles de decisión realizando una votación por mayoría [2, 3], yse construye utilizando una técnica de remuestreo sobre el conjunto de datos ycon selección aleatoria de variables.2CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 31.2 Aprendizaje activoLa construcción de un clasificador supervisado consiste en el aprendizaje de unaasignación de funciones de datos en un conjunto de clases dado un conjunto deentrenamiento etiquetado. En muchas situaciones de la vida real la obtenciónde las etiquetas del conjunto de entrenamiento es costosa, lenta y propensa aerrores. Esto hace que la construcción del conjunto de entrenamiento sea unatarea engorrosa y requiera un análisis manual exaustivo de la imagen. Esto se realizanormalmente mediante una inspección visual de las imágenes y realizandoun etiquetado píxel a píxel. En consecuencia el conjunto de entrenamiento esaltamente redundante y hace que la fase de entrenamiento del modelo sea muylenta. Además los píxeles ruidosos pueden interferir en las estadísticas de cadaclase lo que puede dar lugar a errores de clasificación y/o overfitting. Por tantoes deseable que un conjunto de entrenamiento sea construido de una manera inteligente,lo que significa que debe representar correctamente los límites de clasemediante el muestreo de píxeles discriminantes. La generalización es la habilidadde etiquetar correctamente datos que no se han visto previamente y quepor tanto son nuevos para el modelo. El aprendizaje activo intenta aprovecharla interacción con un usuario para proporcionar las etiquetas de las muestrasdel conjunto de entrenamiento con el objetivo de obtener la clasificación másprecisa utilizando el conjunto de entrenamiento más pequeño posible.1.3 AlzheimerLa enfermedad de Alzheimer es una de las causas más importantes de discapacidaden personas mayores. Dado el envejecimiento poblacional que es una realidaden muchos países, con el aumento de la esperanza de vida y con el aumentodel número de personas mayores, el número de pacientes con demencia aumentarátambién. Debido a la importancia socioeconómica de la enfermedad enlos países occidentales existe un fuerte esfuerzo internacional focalizado en laenfermedad del Alzheimer. En las etapas tempranas de la enfermedad la atrofiacerebral suele ser sutil y está espacialmente distribuida por diferentes regionescerebrales que incluyen la corteza entorrinal, el hipocampo, las estructuras temporaleslateral e inferior, así como el cíngulo anterior y posterior. Son muchoslos esfuerzos de diseño de algoritmos computacionales tratando de encontrarbiomarcadores de imagen que puedan ser utilizados para el diagnóstico no invasivodel Alzheimer y otras enfermedades neurodegenerativas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 41.4 Segmentación de vasos sanguíneosLa segmentación de los vasos sanguíneos [1, 7, 6] es una de las herramientas computacionalesesenciales para la evaluación clínica de las enfermedades vasculares.Consiste en particionar un angiograma en dos regiones que no se superponen:la región vasculares y el fondo. Basándonos en los resultados de dicha particiónse pueden extraer, modelar, manipular, medir y visualizar las superficies vasculares.Éstas estructuras son muy útiles y juegan un rol muy imporntate en lostratamientos endovasculares de las enfermedades vasculares. Las enfermedadesvasculares son una de las principales fuentes de morbilidad y mortalidad en todoel mundo.Aneurisma de Aorta Abdominal El Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA)es una dilatación local de la Aorta que ocurre entre las arterias renal e ilíaca. Eldebilitamiento de la pared de la aorta conduce a su deformación y la generaciónde un trombo. Generalmente, un AAA se diagnostica cuando el diámetro anterioposteriormínimo de la aorta alcanza los 3 centímetros [5]. La mayoría delos aneurismas aórticos son asintomáticos y sin complicaciones. Los aneurismasque causan los síntomas tienen un mayor riesgo de ruptura. El dolor abdominalo el dolor de espalda son las dos principales características clínicas que sugiereno bien la reciente expansión o fugas. Las complicaciones son a menudo cuestiónde vida o muerte y pueden ocurrir en un corto espacio de tiempo. Por lo tanto,el reto consiste en diagnosticar lo antes posible la aparición de los síntomas.Imágenes de Retina La evaluación de imágenes del fondo del ojo es una herramientade diagnóstico de la patología vascular y no vascular. Dicha inspecciónpuede revelar hipertensión, diabetes, arteriosclerosis, enfermedades cardiovascularese ictus. Los principales retos para la segmentación de vasos retinianos son:(1) la presencia de lesiones que se pueden interpretar de forma errónea comovasos sanguíneos; (2) bajo contraste alrededor de los vasos más delgados, (3)múltiples escalas de tamaño de los vasos.1.5 ContribucionesÉsta tesis tiene dos tipos de contribuciones. Contribuciones computacionales ycontribuciones orientadas a una aplicación o prácticas.CHAPTER 1. BACKGROUND Y CONTRIBUCCIONES 5Desde un punto de vista computacional las contribuciones han sido las siguientes:¿ Un nuevo esquema de aprendizaje activo usando Random Forest y el cálculode la incertidumbre que permite una segmentación de imágenes rápida,precisa e interactiva.¿ Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Adaptative Hybrid Extreme Rotation Forest.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales.¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.Desde un punto de vista práctico:¿ Imágenes médicas¿ Aprendizaje activo combinado con HERF para la segmentación deimágenes de tomografía computerizada.¿ Mejorar el aprendizaje activo para segmentación de imágenes de tomografíacomputerizada con información de dominio.¿ Aprendizaje activo con el clasificador bootstrapped dendritic aplicadoa segmentación de imágenes médicas.¿ Meta-ensembles de clasificadores para detección de Alzheimer conimágenes de resonancia magnética.¿ Random Forest combinado con aprendizaje activo para segmentaciónde imágenes de retina.¿ Segmentación automática de grasa subcutanea y visceral utilizandoresonancia magnética.¿ Imágenes hiperespectrales¿ Unmixing no lineal y reconstrucción utilizando ensembles de regresoresELM.¿ Métodos de aprendizaje semisupervisados espectrales-espaciales concorrección espacial usando AHERF.¿ Método semisupervisado de clasificación utilizando ensembles de ELMsy con regularización espacial

Learning representations in the hyperspectral domain in aerial imagery

We establish two new datasets with baselines and network architectures for the task of hyperspectral image analysis. The first dataset, AeroRIT, is a moving camera static scene captured from a flight and contains per pixel labeling across five categories for the task of semantic segmentation. The second dataset, RooftopHSI, helps design and interpret learnt features on hyperspectral object detection on scenes captured from an university rooftop. This dataset accounts for static camera, moving scene hyperspectral imagery. We further broaden the scope of our understanding of neural networks with the development of two novel algorithms - S4AL and S4AL+. We develop these frameworks on natural (color) imagery, by combining semi-supervised learning and active learning, and display promising results for learning with limited amount of labeled data, which can be extended to hyperspectral imagery. In this dissertation, we curated two new datasets for hyperspectral image analysis, significantly larger than existing datasets and broader in terms of categories for classification. We then adapt existing neural network architectures to function on the increased channel information, in a smart manner, to leverage all hyperspectral information. We also develop novel active learning algorithms on natural (color) imagery, and discuss the hope for expanding their functionality to hyperspectral imagery

Multi-level Feature Fusion-based CNN for Local Climate Zone Classification from Sentinel-2 Images: Benchmark Results on the So2Sat LCZ42 Dataset

As a unique classification scheme for urban forms and functions, the local climate zone (LCZ) system provides essential general information for any studies related to urban environments, especially on a large scale. Remote sensing data-based classification approaches are the key to large-scale mapping and monitoring of LCZs. The potential of deep learning-based approaches is not yet fully explored, even though advanced convolutional neural networks (CNNs) continue to push the frontiers for various computer vision tasks. One reason is that published studies are based on different datasets, usually at a regional scale, which makes it impossible to fairly and consistently compare the potential of different CNNs for real-world scenarios. This study is based on the big So2Sat LCZ42 benchmark dataset dedicated to LCZ classification. Using this dataset, we studied a range of CNNs of varying sizes. In addition, we proposed a CNN to classify LCZs from Sentinel-2 images, Sen2LCZ-Net. Using this base network, we propose fusing multi-level features using the extended Sen2LCZ-Net-MF. With this proposed simple network architecture and the highly competitive benchmark dataset, we obtain results that are better than those obtained by the state-of-the-art CNNs, while requiring less computation with fewer layers and parameters. Large-scale LCZ classification examples of completely unseen areas are presented, demonstrating the potential of our proposed Sen2LCZ-Net-MF as well as the So2Sat LCZ42 dataset. We also intensively investigated the influence of network depth and width and the effectiveness of the design choices made for Sen2LCZ-Net-MF. Our work will provide important baselines for future CNN-based algorithm developments for both LCZ classification and other urban land cover land use classification

Spectral Band Selection for Ensemble Classification of Hyperspectral Images with Applications to Agriculture and Food Safety

In this dissertation, an ensemble non-uniform spectral feature selection and a kernel density decision fusion framework are proposed for the classification of hyperspectral data using a support vector machine classifier. Hyperspectral data has more number of bands and they are always highly correlated. To utilize the complete potential, a feature selection step is necessary. In an ensemble situation, there are mainly two challenges: (1) Creating diverse set of classifiers in order to achieve a higher classification accuracy when compared to a single classifier. This can either be achieved by having different classifiers or by having different subsets of features for each classifier in the ensemble. (2) Designing a robust decision fusion stage to fully utilize the decision produced by individual classifiers. This dissertation tests the efficacy of the proposed approach to classify hyperspectral data from different applications. Since these datasets have a small number of training samples with larger number of highly correlated features, conventional feature selection approaches such as random feature selection cannot utilize the variability in the correlation level between bands to achieve diverse subsets for classification. In contrast, the approach proposed in this dissertation utilizes the variability in the correlation between bands by dividing the spectrum into groups and selecting bands from each group according to its size. The intelligent decision fusion proposed in this approach uses the probability density of training classes to produce a final class label. The experimental results demonstrate the validity of the proposed framework that results in improvements in the overall, user, and producer accuracies compared to other state-of-the-art techniques. The experiments demonstrate the ability of the proposed approach to produce more diverse feature selection over conventional approaches