Some variational problems from image processing

"Vegeu el resum a l'inici del document del fitxer adjunt."

Generating controlled image sets in cognitive neuroscience research.

The investigation of perceptual and cognitive functions with non-invasive brain imaging methods critically depends on the careful selection of stimuli for use in experiments. For example, it must be verified that any observed effects follow from the parameter of interest (e.g. semantic category) rather than other low-level physical features (e.g. luminance, or spectral properties). Otherwise, interpretation of results is confounded. Often, researchers circumvent this issue by including additional control conditions or tasks, both of which are flawed and also prolong experiments. Here, we present some new approaches for controlling classes of stimuli intended for use in cognitive neuroscience, however these methods can be readily extrapolated to other applications and stimulus modalities. Our approach is comprised of two levels. The first level aims at equalizing individual stimuli in terms of their mean luminance. Each data point in the stimulus is adjusted to a standardized value based on a standard value across the stimulus battery. The second level analyzes two populations of stimuli along their spectral properties (i.e. spatial frequency) using a dissimilarity metric that equals the root mean square of the distance between two populations of objects as a function of spatial frequency along x- and y-dimensions of the image. Randomized permutations are used to obtain a minimal value between the populations to minimize, in a completely data-driven manner, the spectral differences between image sets. While another paper in this issue applies these methods in the case of acoustic stimuli (Aeschlimann et al., Brain Topogr 2008), we illustrate this approach here in detail for complex visual stimuli.

A Survey of Active Learning Algorithms for Supervised Remote Sensing Image Classification

Defining an efficient training set is one of the most delicate phases for the success of remote sensing image classification routines. The complexity of the problem, the limited temporal and financial resources, as well as the high intraclass variance can make an algorithm fail if it is trained with a suboptimal dataset. Active learning aims at building efficient training sets by iteratively improving the model performance through sampling. A user-defined heuristic ranks the unlabeled pixels according to a function of the uncertainty of their class membership and then the user is asked to provide labels for the most uncertain pixels. This paper reviews and tests the main families of active learning algorithms: committee, large margin, and posterior probability-based. For each of them, the most recent advances in the remote sensing community are discussed and some heuristics are detailed and tested. Several challenging remote sensing scenarios are considered, including very high spatial resolution and hyperspectral image classification. Finally, guidelines for choosing the good architecture are provided for new and/or unexperienced user.

MSight: an image analysis software for liquid chromatography-mass spectrometry.

Images obtained from high-throughput mass spectrometry (MS) contain information that remains hidden when looking at a single spectrum at a time. Image processing of liquid chromatography-MS datasets can be extremely useful for quality control, experimental monitoring and knowledge extraction. The importance of imaging in differential analysis of proteomic experiments has already been established through two-dimensional gels and can now be foreseen with MS images. We present MSight, a new software designed to construct and manipulate MS images, as well as to facilitate their analysis and comparison.

Synthèse de l'évolution de la plateforme Urgonienne (Barrémien tardif à Aptien précoce) du Sud-Est de la France : facies, micropaléontologie, géochimie, géométries, paléotectonique et géomodélisation

Il y a environ 125 millions d'années, au Crétacé inférieur, la position des continents et le climat terrestre étaient bien différents de ce que l'on connait aujourd'hui. Le Sud-Est de la France, secteur de cette étude, était alors recouvert d'eau, sous un climat chaud et humide. Sur la bordure de cette étendue d'eau (appelée bassin Vocontien), qui correspond aujourd'hui aux régions de la Provence, du Vaucluse, du Gard, de l'Ardèche et du Vercors, des plateformes carbonatées, (telles que les Bahamas), se développaient. Le calcaire, formé à partir des sédiments accumulés sur ces plateformes, est appelé Urgonien. L'objectif de cette étude est de définir les facteurs qui ont influencé le développement de cette plateforme carbonatée dite « urgonienne » et dans quelle mesure. Plusieurs missions de terrain ont permis de récolter de nombreux échantillons de roche en 52 lieux répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les observations réalisées sur le terrain ainsi que les données acquises en laboratoire (microfaune, microfacies et données géo-chimiques) ont permis, de subdiviser chacune des 52 séries urgoniennes en séquences stratigraphiques et cortèges sédimentaires. La comparaison des épaisseurs et des faciès de chaque cortège sédimentaire permet de concevoir la géométrie et l'évolution paléogéographique de la plateforme urgonienne. Les résultats de cette étude démontrent que son organisation est principalement dirigée par des failles qui ont jouées pendant le dépôt des sédiments. Sur la bordure nord du bassin Vocontien, trois failles subméridiennes contrôlent la géométrie et la répartition des environnements de dépôt. Sur sa bordure sud, ces failles synsédimentaires d'orientation N30° et N110° délimitent des blocs basculés. En tête de bloc, des séries d'épaisseurs réduites à faciès de lagon interne se sont déposées alors que les pieds de blocs sont caractérisés par des épaisseurs importantes et la présence de faciès plus externes. Ces concepts ont ensuite été testés en construisant un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des formations équivalentes à l'Urgonien sont réparties dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où elles constituent les réservoirs pétroliers les plus importants. Etre capable de caractériser les facteurs ayant influencé son architecture permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- Au Crétacé inférieur, l'intense activité magmatique due à la dislocation du super-continent Pangée influence fortement les conditions environnementales globales. Au Barrémien terminal et Aptien basal, période géologique dont fait l'objet cette étude, le bassin Vocontien, puis Bédoulien, recouvre le Sud-Est de la France, sous un climat chaud et humide. Sur les bordures de ces bassins, des plateformes carbonatées se mettent en place. Les sédiments qui se déposent sur ces plateformes sont à l'origine de la formation urgonienne. Afin d'étudier cette formation, une charte biostratigraphique, principalement basée sur les Orbitolinidés, et un modèle de faciès ont été développés. Les assemblages faunistiques, la succession des faciès, les observations de terrain ainsi que l'étude de signaux géochimiques ont permis le découpage séquentiel de la série urgonienne le long de 54 coupes et puis, répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les corrélations induites par cette étude stratigraphique ont mis en évidence d'importantes variations d'épaisseur et d'environnements de dépôt au sein même de la plateforme urgonienne. Ces variations sont expliquées par le jeu de failles syn-sédimentaires qui ont compartimentées la plateforme urgonienne en blocs. Sur la bordure sud du bassin Vocontien, ces failles d'orientation N30° et N110° délimitent six blocs basculés. Au sommet du Barrémien terminal, la subsidence des blocs situés le plus au sud s'amplifie jusqu'à provoquer l'ouverture du bassin de la Bédoule au sud du secteur d'étude. Cette théorie d'évolution a ensuite été testée par l'élaboration d'un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des analogues de l'Urgonien sont répartis dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où ils représentent d'importants réservoirs pétroliers. Être capable de caractériser les facteurs ayant influencé l'architecture de l'Urgonien du Sud-Est de la France permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. -- During the Early Cretaceous epoch, intensive magmatic activity due to the dislocation of the super-continent Pangaea, highly influenced global environmental conditions, which were characterized by a warm and generally humic climate. In this context, carbonate platforms were important in tropical and subtropical shallow-water regions, and especially during the late Barremian and early Aptian, platform carbonates of so-called Urgonian affinity are widespread. In southeastern France, the Urgonian platform was part of the northern Tethyan margin and bordered the Vocontian and the Bedoulian basins. The goal of this thesis was the systematic study of the Urgonian Formation in this region, and in order to achieve this goal, a biostratigraphic chart and a facies model were developed. The faunistic assemblages, the facies succession, the field observations and the study of geochemical signals lead to a sequential subdivision of the Urgonian series along 54 sections and wells allocated in five different regions in southeastern France (Gard, Ardèche, Vercors, Vaucluse and Provence). Correlations from this stratigraphic study highlight important variations in thickness and depositional environments of the Urgonian series. These variations are explained by relative movements induced by syn-sedimentary faults, which divided the Urgonian platforms into blocks. On the southern border of the Vocontian basin, these faults, oriented N30° and N110°, delineate six tilted blocks. At the top of the upper Barremian carbonates, subsidence of the two southern blocks accelerated leading to the opening of the Bedoulian basin. The reconstruction of the sequence-stratigraphic and paleoenvironmental evolution of the Urgonian platforms was then tested by the construction of a 3D numerical model of the Urgonian formation of southeastern France. Firstly, its consistency with the data collected during this study, and secondly, its geometrical coherence validate the proposed theory. Urgonian analogs exist all over the world and particularly in Middle East where they constitute important oil reservoirs. The exact reconstruction of the major factors, which influenced the architecture of these formations, will allow for a better exploitation of these energy resources.

L'image de la Suisse à l'étranger

L'image qu'un pays a dans le monde est importante à plusieurs titres. Elle peut soutenir la commercialisation de biens et de services exportés, elle revêt un caractère tout particulier dans le cadre des promotions touristique et économique et elle peut aussi être de nature à contribuer aux relations qu'un pays entretient avec d'autres pays aux niveaux politique, économique ou culturel. L'image de la Suisse a fait l'objet d'études dans de nombreux pays, dont les Etats-Unis, l'Allemagne et la Chine, auprès d'échantillons représentatifs de la population ainsi qu'auprès de groupes de leaders d'opinion et cet ouvrage présente de manière synthétique les principaux résultats de ces études. Après une description de l'image globale de la Suisse auprès des personnes interrogées et une analyse des associations faites à l'évocation de la Suisse, une partie importante est consacrée aux dimensions qui caractérisent l'image du pays en différenciant notamment entre les dimensions liées à la Suisse en tant qu'espace socioculturel et les dimensions liées aux aspects économiques. Pour terminer, un dernier chapitre analyse l'impact de faits ayant marqué l'actualité helvétique, comme le grounding de Swissair, sur l'image de la Suisse dans les pays étudiés.

Using a NPWE model observer to assess suitable image quality for a digital mammography quality assurance programme.

A method of objectively determining imaging performance for a mammography quality assurance programme for digital systems was developed. The method is based on the assessment of the visibility of a spherical microcalcification of 0.2 mm using a quasi-ideal observer model. It requires the assessment of the spatial resolution (modulation transfer function) and the noise power spectra of the systems. The contrast is measured using a 0.2-mm thick Al sheet and Polymethylmethacrylate (PMMA) blocks. The minimal image quality was defined as that giving a target contrast-to-noise ratio (CNR) of 5.4. Several evaluations of this objective method for evaluating image quality in mammography quality assurance programmes have been considered on computed radiography (CR) and digital radiography (DR) mammography systems. The measurement gives a threshold CNR necessary to reach the minimum standard image quality required with regards to the visibility of a 0.2-mm microcalcification. This method may replace the CDMAM image evaluation and simplify the threshold contrast visibility test used in mammography quality.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Structured output SVM for remote sensing image classification

In the recent years, kernel methods have revealed very powerful tools in many application domains in general and in remote sensing image classification in particular. The special characteristics of remote sensing images (high dimension, few labeled samples and different noise sources) are efficiently dealt with kernel machines. In this paper, we propose the use of structured output learning to improve remote sensing image classification based on kernels. Structured output learning is concerned with the design of machine learning algorithms that not only implement input-output mapping, but also take into account the relations between output labels, thus generalizing unstructured kernel methods. We analyze the framework and introduce it to the remote sensing community. Output similarity is here encoded into SVM classifiers by modifying the model loss function and the kernel function either independently or jointly. Experiments on a very high resolution (VHR) image classification problem shows promising results and opens a wide field of research with structured output kernel methods.