Texture descriptor combining fractal dimension and artificial crawlers

Texture is an important visual attribute used to describe images. There are many methods available for texture analysis. However, they do not capture the details richness of the image surface. In this paper, we propose a new method to describe textures using the artificial crawler model. This model assumes that each agent can interact with the environment and each other. Since this swarm system alone does not achieve a good discrimination, we developed a new method to increase the discriminatory power of artificial crawlers, together with the fractal dimension theory. Here, we estimated the fractal dimension by the Bouligand-Minkowski method due to its precision in quantifying structural properties of images. We validate our method on two texture datasets and the experimental results reveal that our method leads to highly discriminative textural features. The results indicate that our method can be used in different texture applications.Comment: 12 pages 9 figures. Paper in press: Physica A: Statistical Mechanics and its Application

Thermal image segmentation in studies of wildlife animals

Thermal imaging analysis is an important tool in the study of wildlife animals. The segmentation of thermal images has not extensively explored by the Ecology and Biology communities. In this paper we propose a new approach for segmenting thermal images using the SLIC superpixel algorithm and connected component labeling. Experiments were performed on images taken over the behaviour activity of four mammal species. The results show that our approach has a great potential for partioning animals and background.IPÊ - Instituto de Pesquisas Ecológica

Análise de texturas usando sistemas complexos: dimensão fractal, multiagentes e difusão não-linear

Texture is one of the primary visual attributes used to describe patterns found in nature. Several texture analysis methods have been used as powerful tools for real applications involving analysis and computer vision. However, existing methods do not successfully discriminate the complexity of texture patterns. Such methods disregard the possibility of describing image structures by means of measures such as the fractal dimension. Fractality-based measures allow a non-integer geometric interpretation with applications in areas such as mathematics, physics, and biology. With this gap in mind, the central hypothesis of this thesis is that textures can be described as irregular fractal surfaces due to their complex geometry; such geometry can be exploited for image analysis and computer vision. By exploring such possibilities, pushing the limits of the state-of-the-art, this thesis starts with an analysis of texture features achieved by means of agents on image surfaces. To do so, we used the Bouligand-Minkowski fractal dimension, swarm-system Artificial Crawlers, and non-linear diffusion of Perona-Malik, techniques that led to methodologies with efficacy and efficiency comparable to the state-of-the-art. Our first method combines fractal dimension with random walks on the surface of images. In a second approach, non-linear diffusion is used to represent texture images at different scales, which are described via their fractal dimension for image classification purposes. In a third proposal, we employ fractal dimension concepts over multiple scales derived from the same image for a richer texture description. One of the purposes is the automatic detection of diseases in soybean leaves. Finally, texture characteristics were exploited in a method based on complex networks used to analyze the agglomeration of particles in nanotechnology images. The results achieved in the four methodologies described in this thesis demonstrated the potential of using texture features in tasks of classification and pattern recognition. The contributions of this work shall support significant advances in materials engineering, computer vision, and agriculture.A textura é um dos principais atributos visuais para a descrição de padrões encontrados na natureza. Diversos métodos de análise de textura têm sido usados como uma poderosa ferramenta para aplicações reais que envolvem análise de imagens e visão computacional. Entretanto, os métodos existentes não conseguem discriminar com sucesso a complexidade dos padrões de textura. Tais métodos desconsideram a possibilidade de se descrever estruturas de imagens por meio de medidas como a dimensão fractal. Medidas baseadas em fractalidade permitem uma interpretação geométrica não-inteira que possui aplicações encontradas em áreas como matemática, física, e biologia. Sobre esta lacuna metodológica, a hipótese central desta tese é que texturas presentes na natureza podem ser medidas como superfícies fractais irregulares devido à sua geometria complexa, o que pode ser explorado para fins de análise de imagens e visão computacional. Para superar tais limitações, avançando o estado da arte, esta tese se inicia com uma análise das características de texturas baseada em caminhadas aleatórias de agentes sobre superfícies de imagens. Esta primeira análise leva a um método que combina dimensão fractal com caminhadas de agentes sobre a superfície de imagens. Em uma segunda abordagem, usa-se a difusão não-linear para representar imagens de texturas em diferentes escalas, as quais são descritas via dimensão fractal para fins de classificação de imagens. Em uma terceira proposta, emprega-se a dimensão fractal sobre múltiplas escalas derivadas de uma mesma imagem com o propósito de se realizar a descrição multi-escala de texturas. Um dos propósitos específicos foi a detecção automática de doenças em folhas de soja. Por último, as características de textura foram exploradas segundo uma metodologia baseada em redes complexas para análise de aglomeração de partículas em imagens de nanotecnologia. Os resultados alcançados nesta tese demonstraram o potencial do uso de características de textura. Para tanto foram usadas técnicas de dimensão fractal de Bouligand-Minkowski, multiagentes Artificial Crawlerse difusão não-linear de Perona-Malik, os quais alcançaram eficácia e eficiência comparáveis ao do estado da arte. As contribuições obtidas devem suportar avanços significativos nas áreas de engenharia de materiais, visão computacional, e agricultura

Visual feature space exploration: an approach to image analysis via multidimensional data projection

Sistemas para análise de imagens partem da premissa de que o conjunto de dados sob investigação está corretamente representado por características. Entretanto, definir quais características representam apropriadamente um conjunto de dados é uma tarefa desafiadora e exaustiva. Grande parte das técnicas de descrição existentes na literatura, especialmente quando os dados têm alta dimensionalidade, são baseadas puramente em medidas estatísticas ou abordagens baseadas em inteligência artificial, e normalmente são caixas-pretas para os usuários. A abordagem proposta nesta dissertação busca abrir esta caixa-preta por meio de representações visuais criadas pela técnica Multidimensional Classical Scaling, permitindo que usuários capturem interativamente a essência sobre a representatividade das características computadas de diferentes descritores. A abordagem é avaliada sobre seis conjuntos de imagens que contém texturas, imagens médicas e cenas naturais. Os experimentos mostram que, conforme a combinação de um conjunto de características melhora a qualidade da representação visual, a acurácia de classificação também melhora. A qualidade das representações é medida pelo índice da silhueta, superando problemas relacionados com a subjetividade de conclusões baseadas puramente em análise visual. Além disso, a capacidade de exploração visual do conjunto sob análise permite que usuários investiguem um dos maiores desafios em classificação de dados: a presença de variação intra-classe. Os resultados sugerem fortemente que esta abordagem pode ser empregada com sucesso como um guia para auxiliar especialistas a explorar, refinar e definir as características que representam apropriadamente um conjunto de imagensImage analysis systems rely on the fact that the dataset under investigation is correctly represented by features. However, defining a set of features that properly represents a dataset is still a challenging and, in most cases, an exhausting task. Most of the available techniques, especially when a large number of features is considered, are based on purely quantitative statistical measures or approaches based on artificial intelligence, and normally are black-boxes to the user. The approach proposed here seeks to open this black-box by means of visual representations via Multidimensional Classical Scaling projection technique, enabling users to get insight about the meaning and representativeness of the features computed from different feature extraction algorithms and sets of parameters. This approach is evaluated over six image datasets that contains textures, medical images and outdoor scenes. The results show that, as the combination of sets of features and changes in parameters improves the quality of the visual representation, the accuracy of the classification for the computed features also improves. In order to reduce this subjectiveness, a measure called silhouette index, which was originally proposed to evaluate results of clustering algorithms, is employed. Moreover, the visual exploration of datasets under analysis enable users to investigate one of the greatest challenges in data classification: the presence of intra-class variation. The results strongly suggest that our approach can be successfully employed as a guidance to defining and understanding a set of features that properly represents an image datase

Image decomposition with anisotropic diffusion applied to leaf-texture analysis

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