Non-negative Independent Component Analysis Algorithm Based on 2D Givens Rotations and a Newton Optimization

ISBN 978-3-642-15994-7, SoftcoverInternational audienceIn this paper, we consider the Independent Component Analysis problem when the hidden sources are non-negative (Non-negative ICA). This problem is formulated as a non-linear cost function optimization over the special orthogonal matrix group SO(n). Using Givens rotations and Newton optimization, we developed an effective axis pair rotation method for Non-negative ICA. The performance of the proposed method is compared to those designed by Plumbley and simulations on synthetic data show the efficiency of the proposed algorithm

Regularized Gradient Algorithm for Non-Negative Independent Component Analysis

International audienceIndependent Component Analysis (ICA) is a well-known technique for solving blind source separation (BSS) problem. However "classical" ICA algorithms seem not suited for non-negative sources. This paper proposes a gradient descent approach for solving the Non- Negative Independent Component Analysis problem (NNICA). NNICA original separation criterion contains the discontinuous sign function whose minimization may lead to ill convergence (local minima) especially for sparse sources. Replacing the discontinuous function by a continuous one tanh, we propose a more accurate regularized Gradient algorithm called "Exact" Regularized Gradient (ERG) for NNICA. Experiments on synthetic data with different sparsity degrees illustrate the efficiency of the proposed method and a comparison shows that the proposed ERG outperforms existing methods

Geometrical Method Using Simplicial Cones for Overdetermined Nonnegative Blind Source Separation: Application to Real PET Images

International audienceThis paper presents a geometrical method for solving the overdetermined Nonnegative Blind Source Separation (N-BSS) problem. Considering each column of the mixed data as a point in the data space, we develop a Simplicial Cone Shrinking Algorithm for Unmixing Nonnegative Sources (SCSA-UNS). The proposed method estimates the mixing matrix and the sources by fitting a simplicial cone to the scatter plot of the mixed data. It requires weak assumption on the sources distribution, in particular the independence of the different sources is not necessary. Simulations on synthetic data show that SCSA-UNS outperforms other existing geometrical methods in noiseless case. Experiment on real Dynamic Positon Emission Tomography (PET) images illustrates the efficiency of the proposed method

On the Suppression of Noise from a Fast Moving Acoustic Source using Multimodality

International audienceThe problem of cancelling the noise from a moving acoustic source in outdoor environment is investigated in this paper. By making use of the known instantaneous location of the moving source (provided by a second modality), we propose a time-domain method for removing the noise from a moving source in a mixture of acoustic sources. The proposed method consists in resampling the mixed data recorded at a reference sensor, and by linearly combining the resampled data and the non-resampled data of the others sensor to cancel the undesired source. Simulation on synthetic data show the effectiveness and the usefulness of the proposed method

Non-Negative Blind Source Separation Algorithm Based on Minimum Aperture Simplicial Cone

International audienceWe address the problem of Blind Source Separation (BSS) when the hidden sources are Nonnegative (N-BSS). In this case, the scatter plot of the mixed data is contained within the simplicial cone generated by the columns of the mixing matrix. The proposed method, termed SCSA-UNS for Simplicial Cone Shrinking Algorithm for Unmixing Non-negative Sources, aims at estimating the mixing matrix and the sources by fitting a Minimum Aperture Simplicial Cone (MASC) to the cloud of mixed data points. SCSA-UNS is evaluated on both independent and correlated synthetic data and compared to other N-BSS methods. Simulations are also performed on real Liquid Chromatography-Mass Spectrum (LC-MS) data for the metabolomic analysis of a chemical sample, and on real dynamic Positron Emission Tomography (PET) images, in order to study the pharmacokinetics of the [18F]-FDG (FluoroDeoxyGlucose) tracer in the brain

Modélisation temporelle des sources acoustiques d'un bâtiment marin ou sous-marin en mouvement dans le champ lointain

National audienceLes sources acoustiques sous-marines de bâtiment marin sont actuellement étudiées de façon individuelle au moyen de modèles numériques pour caractériser finement leur comportement. Cette approche ne répond pas aux problématiques des études acoustiques de champ lointain d'un bâtiment marin entier mobile qui nécessiteraient une modélisation numérique complète. Une démarche de modélisation analytique est proposée dans ce papier pour traiter ces problématiques. Des sources de nature spectrale différente sont modélisées analytiquement pour prédire le champ lointain de pression acoustique d'un bâtiment marin. À partir de ces données, les sources mobiles sont propagées par la théorie des rayons. Enfin, des simulations permettent de valider ces modèles

Méthode géométrique de séparation de sources non-négatives : applications à l'imagerie dynamique TEP et à la spectrométrie de masse

This thesis addresses the problem of non-negative blind source separation (i.e. positive or zero quantities). The situation of linear instantaneous mixtures of non-negative sources occurs in many problems of signal and image processing, such as decompositions of signals measured by a spectrometer (mass spectra, Raman spectra, infrared spectra), decomposition of images (medical, multi-spectral and hyperspectral) or estimating of the activity of a radionuclide. In these problems, the sources are inherently non-negative and this property should be preserved during their estimation, in order to get physical meaning components. Most of existing non-negative blind source separation methods require ``strong" assumptions on sources (such as mutual independence, local dominance or total additivity), which are not always satisfied in practice. In this work, we propose a new geometrical method for separating non-negative sources. The mixing matrix and the sources are estimated by finding the minimum aperture simplicial cone containing the scatter plot of mixed data. The proposed method does not require the mutual independence of the sources, neither their decorrelation, nor their local dominance, or their total additivity. One condition is necessary and sufficient: the positive orthant must be the unique minimum aperture simplicial cone cone containing the scatter plot of the sources. The proposed algorithm is successfully evaluated in two different problems of non-negative sources separation. In the first situation, we perform the separation of mass spectra measured at the output of a liquid chromatograph to identify and quantify the different metabolites (small molecules) present in the urine of rats treated with phenobarbital . In the second situation, we estimate the different pharmacokinetics compartments of the radiotracer [18F]-FDG in human brain, from a set of 3D PET images of this organ, without blood sampling. Among these pharmacokinetics, arterial input function is of great interest to evaluate the effectiveness of anti-cancer treatment in oncology.Cette thèse traite du problème de séparation aveugle de sources non-négatives (c'est à dire des grandeurs positives ou nulles). La situation de séparation de mélanges linéaires instantanés de sources non-négatives se rencontre dans de nombreux problèmes de traitement de signal et d'images, comme la décomposition de signaux mesurés par un spectromètre (spectres de masse, spectres Raman, spectres infrarouges), la décomposition d'images (médicales, multi-spectrale ou hyperspectrales) ou encore l'estimation de l'activité d'un radionucléide. Dans ces problèmes, les grandeurs sont intrinsèquement non-négatives et cette propriété doit être préservée lors de leur estimation, car c'est elle qui donne un sens physique aux composantes estimées. La plupart des méthodes existantes de séparation de sources non-négatives requièrent de ``fortes" hypothèses sur les sources (comme l'indépendance mutuelle, la dominance locale ou encore l'additivité totale des sources), qui ne sont pas toujours vérifiées en pratique. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de séparation de sources non-négatives fondée sur la répartition géométrique du nuage des observations. Les coefficients de mélange et les sources sont estimées en cherchant le cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage des observations. Cette méthode ne nécessite pas l'indépendance mutuelle des sources, ni même leur décorrélation; elle ne requiert pas non plus la dominance locale des sources, ni leur additivité totale. Une seule condition est nécessaire et suffisante: l'orthant positif doit être l'unique cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage de points des signaux sources. L'algorithme proposé est évalué avec succès dans deux situations de séparation de sources non-négatives de nature très différentes. Dans la première situation, nous effectuons la séparation de spectres de masse mesurés à la sortie d'un chromatographe liquide haute précision, afin d'identifier et quantifier les différents métabolites (petites molécules) présents dans l'urine d'un rat traité au phénobarbital. Dans la deuxième situation, nous estimons les différents compartiments pharmacocinétiques du radio-traceur FluoroDeoxyGlucose marqué au fluor 18 ([18F]-FDG) dans le cerveau d'un patient humain, à partir d'une série d'images 3D TEP de cet organe. Parmi ces pharmacocinétiques, la fonction d'entrée artérielle présente un grand intérêt pour l'évaluation de l'efficacité d'un traitement anti-cancéreux en oncologie

Geometrical method for non-negative source separation : Application to dynamic PET imaging and mass spectrometry

Cette thèse traite du problème de séparation aveugle de sources non-négatives (c'est à dire des grandeurs positives ou nulles). La situation de séparation de mélanges linéaires instantanés de sources non-négatives se rencontre dans de nombreux problèmes de traitement de signal et d'images, comme la décomposition de signaux mesurés par un spectromètre (spectres de masse, spectres Raman, spectres infrarouges), la décomposition d'images (médicales, multi-spectrale ou hyperspectrales) ou encore l'estimation de l'activité d'un radionucléide. Dans ces problèmes, les grandeurs sont intrinsèquement non-négatives et cette propriété doit être préservée lors de leur estimation, car c'est elle qui donne un sens physique aux composantes estimées. La plupart des méthodes existantes de séparation de sources non-négatives requièrent de ``fortes" hypothèses sur les sources (comme l'indépendance mutuelle, la dominance locale ou encore l'additivité totale des sources), qui ne sont pas toujours vérifiées en pratique. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de séparation de sources non-négatives fondée sur la répartition géométrique du nuage des observations. Les coefficients de mélange et les sources sont estimées en cherchant le cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage des observations. Cette méthode ne nécessite pas l'indépendance mutuelle des sources, ni même leur décorrélation; elle ne requiert pas non plus la dominance locale des sources, ni leur additivité totale. Une seule condition est nécessaire et suffisante: l'orthant positif doit être l'unique cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage de points des signaux sources. L'algorithme proposé est évalué avec succès dans deux situations de séparation de sources non-négatives de nature très différentes. Dans la première situation, nous effectuons la séparation de spectres de masse mesurés à la sortie d'un chromatographe liquide haute précision, afin d'identifier et quantifier les différents métabolites (petites molécules) présents dans l'urine d'un rat traité au phénobarbital. Dans la deuxième situation, nous estimons les différents compartiments pharmacocinétiques du radio-traceur FluoroDeoxyGlucose marqué au fluor 18 ([18F]-FDG) dans le cerveau d'un patient humain, à partir d'une série d'images 3D TEP de cet organe. Parmi ces pharmacocinétiques, la fonction d'entrée artérielle présente un grand intérêt pour l'évaluation de l'efficacité d'un traitement anti-cancéreux en oncologie.This thesis addresses the problem of non-negative blind source separation (i.e. positive or zero quantities). The situation of linear instantaneous mixtures of non-negative sources occurs in many problems of signal and image processing, such as decompositions of signals measured by a spectrometer (mass spectra, Raman spectra, infrared spectra), decomposition of images (medical, multi-spectral and hyperspectral) or estimating of the activity of a radionuclide. In these problems, the sources are inherently non-negative and this property should be preserved during their estimation, in order to get physical meaning components. Most of existing non-negative blind source separation methods require ``strong" assumptions on sources (such as mutual independence, local dominance or total additivity), which are not always satisfied in practice. In this work, we propose a new geometrical method for separating non-negative sources. The mixing matrix and the sources are estimated by finding the minimum aperture simplicial cone containing the scatter plot of mixed data. The proposed method does not require the mutual independence of the sources, neither their decorrelation, nor their local dominance, or their total additivity. One condition is necessary and sufficient: the positive orthant must be the unique minimum aperture simplicial cone cone containing the scatter plot of the sources. The proposed algorithm is successfully evaluated in two different problems of non-negative sources separation. In the first situation, we perform the separation of mass spectra measured at the output of a liquid chromatograph to identify and quantify the different metabolites (small molecules) present in the urine of rats treated with phenobarbital . In the second situation, we estimate the different pharmacokinetics compartments of the radiotracer [18F]-FDG in human brain, from a set of 3D PET images of this organ, without blood sampling. Among these pharmacokinetics, arterial input function is of great interest to evaluate the effectiveness of anti-cancer treatment in oncology

Méthode géométrique de séparation de sources non-négatives (applications à l'imagerie dynamique TEP et à la spectrométrie de masse)

Cette thèse traite du problème de séparation aveugle de sources non-négatives (c'est à dire des grandeurs positives ou nulles). La situation de séparation de mélanges linéaires instantanés de sources non-négatives se rencontre dans de nombreux problèmes de traitement de signal et d'images, comme la décomposition de signaux mesurés par un spectromètre (spectres de masse, spectres Raman, spectres infrarouges), la décomposition d'images (médicales, multi-spectrale ou hyperspectrales) ou encore l'estimation de l'activité d'un radionucléide. Dans ces problèmes, les grandeurs sont intrinsèquement non-négatives et cette propriété doit être préservée lors de leur estimation, car c'est elle qui donne un sens physique aux composantes estimées. La plupart des méthodes existantes de séparation de sources non-négatives requièrent de fortes" hypothèses sur les sources (comme l'indépendance mutuelle, la dominance locale ou encore l'additivité totale des sources), qui ne sont pas toujours vérifiées en pratique. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode de séparation de sources non-négatives fondée sur la répartition géométrique du nuage des observations. Les coefficients de mélange et les sources sont estimées en cherchant le cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage des observations. Cette méthode ne nécessite pas l'indépendance mutuelle des sources, ni même leur décorrélation; elle ne requiert pas non plus la dominance locale des sources, ni leur additivité totale. Une seule condition est nécessaire et suffisante: l'orthant positif doit être l'unique cône simplicial d'ouverture minimale contenant le nuage de points des signaux sources. L'algorithme proposé est évalué avec succès dans deux situations de séparation de sources non-négatives de nature très différentes. Dans la première situation, nous effectuons la séparation de spectres de masse mesurés à la sortie d'un chromatographe liquide haute précision, afin d'identifier et quantifier les différents métabolites (petites molécules) présents dans l'urine d'un rat traité au phénobarbital. Dans la deuxième situation, nous estimons les différents compartiments pharmacocinétiques du radio-traceur FluoroDeoxyGlucose marqué au fluor 18 ([18F]-FDG) dans le cerveau d'un patient humain, à partir d'une série d'images 3D TEP de cet organe. Parmi ces pharmacocinétiques, la fonction d'entrée artérielle présente un grand intérêt pour l'évaluation de l'efficacité d'un traitement anti-cancéreux en oncologie.This thesis addresses the problem of non-negative blind source separation (i.e. positive or zero quantities). The situation of linear instantaneous mixtures of non-negative sources occurs in many problems of signal and image processing, such as decompositions of signals measured by a spectrometer (mass spectra, Raman spectra, infrared spectra), decomposition of images (medical, multi-spectral and hyperspectral) or estimating of the activity of a radionuclide. In these problems, the sources are inherently non-negative and this property should be preserved during their estimation, in order to get physical meaning components. Most of existing non-negative blind source separation methods require strong" assumptions on sources (such as mutual independence, local dominance or total additivity), which are not always satisfied in practice. In this work, we propose a new geometrical method for separating non-negative sources. The mixing matrix and the sources are estimated by finding the minimum aperture simplicial cone containing the scatter plot of mixed data. The proposed method does not require the mutual independence of the sources, neither their decorrelation, nor their local dominance, or their total additivity. One condition is necessary and sufficient: the positive orthant must be the unique minimum aperture simplicial cone cone containing the scatter plot of the sources. The proposed algorithm is successfully evaluated in two different problems of non-negative sources separation. In the first situation, we perform the separation of mass spectra measured at the output of a liquid chromatograph to identify and quantify the different metabolites (small molecules) present in the urine of rats treated with phenobarbital . In the second situation, we estimate the different pharmacokinetics compartments of the radiotracer [18F]-FDG in human brain, from a set of 3D PET images of this organ, without blood sampling. Among these pharmacokinetics, arterial input function is of great interest to evaluate the effectiveness of anti-cancer treatment in oncology.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

A robust geometrical method for blind separation of noisy mixtures of non-negatives sources

International audienceRecently, we proposed an effective geometrical method for separating linear instantaneous mixtures of non-negative sources, termed Simplicial Cone Shrinking Algorithm for Unmixing Non-negative Sources (SCSA-UNS). The latter method operates in noiseless case, and estimates the mixing matrix and the sources by finding the minimum aperture simplicial cone, containing the scatter plot of mixed data. In this paper, we propose an extension of SCSA-UNS, to tackle the noisy mixtures, in the case where the sparsity degrees of the sources are known a priori. The idea is to progressively eliminate, the noisy mixed data points which are likely to significantly modify the scatter plot of noiseless mixed data and to lead to a bad estimation of the mixing matrix and the sources. Simulations on synthetic data show the effectiveness of the proposed method