Tensor Analysis and Fusion of Multimodal Brain Images

Current high-throughput data acquisition technologies probe dynamical systems with different imaging modalities, generating massive data sets at different spatial and temporal resolutions posing challenging problems in multimodal data fusion. A case in point is the attempt to parse out the brain structures and networks that underpin human cognitive processes by analysis of different neuroimaging modalities (functional MRI, EEG, NIRS etc.). We emphasize that the multimodal, multi-scale nature of neuroimaging data is well reflected by a multi-way (tensor) structure where the underlying processes can be summarized by a relatively small number of components or "atoms". We introduce Markov-Penrose diagrams - an integration of Bayesian DAG and tensor network notation in order to analyze these models. These diagrams not only clarify matrix and tensor EEG and fMRI time/frequency analysis and inverse problems, but also help understand multimodal fusion via Multiway Partial Least Squares and Coupled Matrix-Tensor Factorization. We show here, for the first time, that Granger causal analysis of brain networks is a tensor regression problem, thus allowing the atomic decomposition of brain networks. Analysis of EEG and fMRI recordings shows the potential of the methods and suggests their use in other scientific domains.Comment: 23 pages, 15 figures, submitted to Proceedings of the IEE

Super-Resolution for Hyperspectral and Multispectral Image Fusion Accounting for Seasonal Spectral Variability

Image fusion combines data from different heterogeneous sources to obtain more precise information about an underlying scene. Hyperspectral-multispectral (HS-MS) image fusion is currently attracting great interest in remote sensing since it allows the generation of high spatial resolution HS images, circumventing the main limitation of this imaging modality. Existing HS-MS fusion algorithms, however, neglect the spectral variability often existing between images acquired at different time instants. This time difference causes variations in spectral signatures of the underlying constituent materials due to different acquisition and seasonal conditions. This paper introduces a novel HS-MS image fusion strategy that combines an unmixing-based formulation with an explicit parametric model for typical spectral variability between the two images. Simulations with synthetic and real data show that the proposed strategy leads to a significant performance improvement under spectral variability and state-of-the-art performance otherwise

From representation learning to thematic classification - Application to hierarchical analysis of hyperspectral images

Numerous frameworks have been developed in order to analyze the increasing amount of available image data. Among those methods, supervised classification has received considerable attention leading to the development of state-of-the-art classification methods. These methods aim at inferring the class of each observation given a specific class nomenclature by exploiting a set of labeled observations. Thanks to extensive research efforts of the community, classification methods have become very efficient. Nevertheless, the results of a classification remains a highlevel interpretation of the scene since it only gives a single class to summarize all information in a given pixel. Contrary to classification methods, representation learning methods are model-based approaches designed especially to handle high-dimensional data and extract meaningful latent variables. By using physic-based models, these methods allow the user to extract very meaningful variables and get a very detailed interpretation of the considered image. The main objective of this thesis is to develop a unified framework for classification and representation learning. These two methods provide complementary approaches allowing to address the problem using a hierarchical modeling approach. The representation learning approach is used to build a low-level model of the data whereas classification is used to incorporate supervised information and may be seen as a high-level interpretation of the data. Two different paradigms, namely Bayesian models and optimization approaches, are explored to set up this hierarchical model. The proposed models are then tested in the specific context of hyperspectral imaging where the representation learning task is specified as a spectral unmixing proble

Audio source separation for music in low-latency and high-latency scenarios

Aquesta tesi proposa mètodes per tractar les limitacions de les tècniques existents de separació de fonts musicals en condicions de baixa i alta latència. En primer lloc, ens centrem en els mètodes amb un baix cost computacional i baixa latència. Proposem l'ús de la regularització de Tikhonov com a mètode de descomposició de l'espectre en el context de baixa latència. El comparem amb les tècniques existents en tasques d'estimació i seguiment dels tons, que són passos crucials en molts mètodes de separació. A continuació utilitzem i avaluem el mètode de descomposició de l'espectre en tasques de separació de veu cantada, baix i percussió. En segon lloc, proposem diversos mètodes d'alta latència que milloren la separació de la veu cantada, gràcies al modelatge de components específics, com la respiració i les consonants. Finalment, explorem l'ús de correlacions temporals i anotacions manuals per millorar la separació dels instruments de percussió i dels senyals musicals polifònics complexes.Esta tesis propone métodos para tratar las limitaciones de las técnicas existentes de separación de fuentes musicales en condiciones de baja y alta latencia. En primer lugar, nos centramos en los métodos con un bajo coste computacional y baja latencia. Proponemos el uso de la regularización de Tikhonov como método de descomposición del espectro en el contexto de baja latencia. Lo comparamos con las técnicas existentes en tareas de estimación y seguimiento de los tonos, que son pasos cruciales en muchos métodos de separación. A continuación utilizamos y evaluamos el método de descomposición del espectro en tareas de separación de voz cantada, bajo y percusión. En segundo lugar, proponemos varios métodos de alta latencia que mejoran la separación de la voz cantada, gracias al modelado de componentes que a menudo no se toman en cuenta, como la respiración y las consonantes. Finalmente, exploramos el uso de correlaciones temporales y anotaciones manuales para mejorar la separación de los instrumentos de percusión y señales musicales polifónicas complejas.This thesis proposes specific methods to address the limitations of current music source separation methods in low-latency and high-latency scenarios. First, we focus on methods with low computational cost and low latency. We propose the use of Tikhonov regularization as a method for spectrum decomposition in the low-latency context. We compare it to existing techniques in pitch estimation and tracking tasks, crucial steps in many separation methods. We then use the proposed spectrum decomposition method in low-latency separation tasks targeting singing voice, bass and drums. Second, we propose several high-latency methods that improve the separation of singing voice by modeling components that are often not accounted for, such as breathiness and consonants. Finally, we explore using temporal correlations and human annotations to enhance the separation of drums and complex polyphonic music signals

Détection de changement par fusion d'images de télédétection de résolutions et modalités différentes

La détection de changements dans une scène est l’un des problèmes les plus complexes en télédétection. Il s’agit de détecter des modifications survenues dans une zone géographique donnée par comparaison d’images de cette zone acquises à différents instants. La comparaison est facilitée lorsque les images sont issues du même type de capteur c’est-à-dire correspondent à la même modalité (le plus souvent optique multi-bandes) et possèdent des résolutions spatiales et spectrales identiques. Les techniques de détection de changements non supervisées sont, pour la plupart, conçues spécifiquement pour ce scénario. Il est, dans ce cas, possible de comparer directement les images en calculant la différence de pixels homologues, c’est-à-dire correspondant au même emplacement au sol. Cependant, dans certains cas spécifiques tels que les situations d’urgence, les missions ponctuelles, la défense et la sécurité, il peut s’avérer nécessaire d’exploiter des images de modalités et de résolutions différentes. Cette hétérogénéité dans les images traitées introduit des problèmes supplémentaires pour la mise en œuvre de la détection de changements. Ces problèmes ne sont pas traités par la plupart des méthodes de l’état de l’art. Lorsque la modalité est identique mais les résolutions différentes, il est possible de se ramener au scénario favorable en appliquant des prétraitements tels que des opérations de rééchantillonnage destinées à atteindre les mêmes résolutions spatiales et spectrales. Néanmoins, ces prétraitements peuvent conduire à une perte d’informations pertinentes pour la détection de changements. En particulier, ils sont appliqués indépendamment sur les deux images et donc ne tiennent pas compte des relations fortes existant entre les deux images. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodes de détection de changements qui exploitent au mieux l’information contenue dans une paire d’images observées, sans condition sur leur modalité et leurs résolutions spatiale et spectrale. Les restrictions classiquement imposées dans l’état de l’art sont levées grâce à une approche utilisant la fusion des deux images observées. La première stratégie proposée s’applique au cas d’images de modalités identiques mais de résolutions différentes. Elle se décompose en trois étapes. La première étape consiste à fusionner les deux images observées ce qui conduit à une image de la scène à haute résolution portant l’information des changements éventuels. La deuxième étape réalise la prédiction de deux images non observées possédant des résolutions identiques à celles des images observées par dégradation spatiale et spectrale de l’image fusionnée. Enfin, la troisième étape consiste en une détection de changements classique entre images observées et prédites de mêmes résolutions. Une deuxième stratégie modélise les images observées comme des versions dégradées de deux images non observées caractérisées par des résolutions spectrales et spatiales identiques et élevées. Elle met en œuvre une étape de fusion robuste qui exploite un a priori de parcimonie des changements observés. Enfin, le principe de la fusion est étendu à des images de modalités différentes. Dans ce cas où les pixels ne sont pas directement comparables, car correspondant à des grandeurs physiques différentes, la comparaison est réalisée dans un domaine transformé. Les deux images sont représentées par des combinaisons linéaires parcimonieuses des éléments de deux dictionnaires couplés, appris à partir des données. La détection de changements est réalisée à partir de l’estimation d’un code couplé sous condition de parcimonie spatiale de la différence des codes estimés pour chaque image. L’expérimentation de ces différentes méthodes, conduite sur des changements simulés de manière réaliste ou sur des changements réels, démontre les avantages des méthodes développées et plus généralement de l’apport de la fusion pour la détection de changement