Image Segmentation Using Information Bottleneck Method

In image processing, segmentation algorithms constitute one of the main focuses of research. In this paper, new image segmentation algorithms based on a hard version of the information bottleneck method are presented. The objective of this method is to extract a compact representation of a variable, considered the input, with minimal loss of mutual information with respect to another variable, considered the output. First, we introduce a split-and-merge algorithm based on the definition of an information channel between a set of regions (input) of the image and the intensity histogram bins (output). From this channel, the maximization of the mutual information gain is used to optimize the image partitioning. Then, the merging process of the regions obtained in the previous phase is carried out by minimizing the loss of mutual information. From the inversion of the above channel, we also present a new histogram clustering algorithm based on the minimization of the mutual information loss, where now the input variable represents the histogram bins and the output is given by the set of regions obtained from the above split-and-merge algorithm. Finally, we introduce two new clustering algorithms which show how the information bottleneck method can be applied to the registration channel obtained when two multimodal images are correctly aligned. Different experiments on 2-D and 3-D images show the behavior of the proposed algorithms

Efficient image mosaicing for multi-robot visual underwater mapping

Robotic platforms have advanced greatly in terms of their remote sensing capabilities, including obtaining optical information using cameras. Alongside these advances, visual mapping has become a very active research area, which facilitates the mapping of areas inaccessible to humans. This requires the efficient processing of data to increase the final mosaic quality and computational efficiency. In this paper, we propose an efficient image mosaicing algorithm for large area visual mapping in underwater environments using multiple underwater robots. Our method identifies overlapping image pairs in the trajectories carried out by the different robots during the topology estimation process, being this a cornerstone for efficiently mapping large areas of the seafloor. We present comparative results based on challenging real underwater datasets, which simulated multi-robot mapping

Optimització de la tècnica del miralls màgics a partir de mesures de teoria de la informació

La visualització científica estudia i defineix algorismes i estructures de dades que permeten fer comprensibles conjunts de dades a través d’imatges. En el cas de les aplicacions mèdiques les dades que cal interpretar provenen de diferents dispositius de captació i es representen en un model de vòxels. La utilitat d’aquest model de vòxels depèn de poder-lo veure des del punt de vista ideal, és a dir el que aporti més informació. D’altra banda, existeix la tècnica dels Miralls Màgics que permet veure el model de vòxels des de diferents punts de vista alhora i mostrant diferents valors de propietat a cada mirall. En aquest projecte implementarem un algorisme que permetrà determinar el punt de vista ideal per visualitzar un model de vòxels així com també els punts de vista ideals per als miralls per tal d’aconseguir el màxim d’informació possible del model de vòxels. Aquest algorisme es basa en la teoria de la informació per saber quina és la millor visualització. L’algorisme també permetrà determinar l’assignació de colors òptima per al model de vòxels

Evaluation of sample processing methods for the polar contaminant analysis of sewage sludge using liquid chromatography - mass spectrometry (LC/MS)

Monitoring of sewage sludge has proved the presence of many polar anthropogenic pollutants since LC/MS techniques came into routine use. While advanced techniques may improve characterizations, flawed sample processing procedures, however, may disturb or disguise the presence and fate of many target compounds present in this type of complex matrix before analytical process starts. Freeze-drying or oven-drying, in combination with centrifugation or filtration as sample processing techniques were performed followed by visual pattern recognition of target compounds for assessment of pretreatment processes. The results shown that oven-drying affected the sludge characterization, while freeze-drying led to less analytical misinterpretations.

Eye Fundus Image Analysis for Automatic Detection of Diabetic Retinopathy

Diabetes is a rapidly increasing worldwide problem which is characterised by defective metabolism of glucose that causes long-term dysfunction and failure of various organs. The most common complication of diabetes is diabetic retinopathy (DR), which is one of the primary causes of blindness and visual impairment in adults. The rapid increase of diabetes pushes the limits of the current DR screening capabilities for which the digital imaging of the eye fundus (retinal imaging), and automatic or semi-automatic image analysis algorithms provide a potential solution. In this work, the use of colour in the detection of diabetic retinopathy is statistically studied using a supervised algorithm based on one-class classification and Gaussian mixture model estimation. The presented algorithm distinguishes a certain diabetic lesion type from all other possible objects in eye fundus images by only estimating the probability density function of that certain lesion type. For the training and ground truth estimation, the algorithm combines manual annotations of several experts for which the best practices were experimentally selected. By assessing the algorithm’s performance while conducting experiments with the colour space selection, both illuminance and colour correction, and background class information, the use of colour in the detection of diabetic retinopathy was quantitatively evaluated. Another contribution of this work is the benchmarking framework for eye fundus image analysis algorithms needed for the development of the automatic DR detection algorithms. The benchmarking framework provides guidelines on how to construct a benchmarking database that comprises true patient images, ground truth, and an evaluation protocol. The evaluation is based on the standard receiver operating characteristics analysis and it follows the medical practice in the decision making providing protocols for image- and pixel-based evaluations. During the work, two public medical image databases with ground truth were published: DIARETDB0 and DIARETDB1. The framework, DR databases and the final algorithm, are made public in the web to set the baseline results for automatic detection of diabetic retinopathy. Although deviating from the general context of the thesis, a simple and effective optic disc localisation method is presented. The optic disc localisation is discussed, since normal eye fundus structures are fundamental in the characterisation of DR.

Image analysis for assessing broiler breeder behavior response to thermal environment

The research proposes a methodology for assessing broiler breeder response to changes in rearing thermal environment. The continuous video recording of a flock analyzed may offer compelling evidences of thermal comfort, as well as other indications of welfare. An algorithm for classifying specific broiler breeder behavior was developed. Videos were recorded over three boxes where 30 breeders were reared. The boxes were mounted inside an environmental chamber were ambient temperature varied from cold to hot. Digital images were processed based on the number of pixels, according to their light intensity variation and binary contrast allowing a sequence of behaviors related to welfare. The system used the default of x, y coordinates, where x represents the horizontal distance from the top left of the work area to the point P, and y is the vertical distance. The video images were observed, and a grid was developed for identifying the area the birds stayed and the time they spent at that place. The sequence was analyzed frame by frame confronting the data with specific adopted thermal neutral rearing standards. The grid mask overlapped the real bird image. The resulting image allows the visualization of clusters, as birds in flock behave in certain patterns. An algorithm indicating the breeder response to thermal environment was developed.

The introduction of navigation in liver surgery in Brazil

The authors thoroughly report the development, the technical aspects and the performance of the first navigated liver resections, by laparotomy and laparoscopy, in Brazil, done at the National Cancer Institute, Ministry of Health, using a surgical navigator.

Machine vision methods for process measurements in pulping

The papermaking industry has been continuously developing intelligent solutions to characterize the raw materials it uses, to control the manufacturing process in a robust way, and to guarantee the desired quality of the end product. Based on the much improved imaging techniques and image-based analysis methods, it has become possible to look inside the manufacturing pipeline and propose more effective alternatives to human expertise. This study is focused on the development of image analyses methods for the pulping process of papermaking. Pulping starts with wood disintegration and forming the fiber suspension that is subsequently bleached, mixed with additives and chemicals, and finally dried and shipped to the papermaking mills. At each stage of the process it is important to analyze the properties of the raw material to guarantee the product quality. In order to evaluate properties of fibers, the main component of the pulp suspension, a framework for fiber characterization based on microscopic images is proposed in this thesis as the first contribution. The framework allows computation of fiber length and curl index correlating well with the ground truth values. The bubble detection method, the second contribution, was developed in order to estimate the gas volume at the delignification stage of the pulping process based on high-resolution in-line imaging. The gas volume was estimated accurately and the solution enabled just-in-time process termination whereas the accurate estimation of bubble size categories still remained challenging. As the third contribution of the study, optical flow computation was studied and the methods were successfully applied to pulp flow velocity estimation based on double-exposed images. Finally, a framework for classifying dirt particles in dried pulp sheets, including the semisynthetic ground truth generation, feature selection, and performance comparison of the state-of-the-art classification techniques, was proposed as the fourth contribution. The framework was successfully tested on the semisynthetic and real-world pulp sheet images. These four contributions assist in developing an integrated factory-level vision-based process control.

Weed mapping using a machine vision system

Weed mapping is a useful tool for site-specific herbicide applications. The objectives of this study were (1) to determine the percentage of land area covered by weeds in no-till and conventionally tilled fields of common bean using digital image processing and geostatistics, and (2) to compare two types of cameras. Two digital cameras (color and infrared) and a differential GPS were affixed to a center pivot structure for image acquisition. Sample field images were acquired in a regular grid pattern, and the images were processed to estimate the percentage of weed cover. After calculating the georeferenced weed percentage values, maps were constructed using geostatistical techniques. Based on the results, color images are recommended for mapping the percentage of weed cover in no-till systems, while infrared images are recommended for weed mapping in conventional tillage systems.

Segmentation of overlapping convex objects

This thesis presents a framework for segmentation of clustered overlapping convex objects. The proposed approach is based on a three-step framework in which the tasks of seed point extraction, contour evidence extraction, and contour estimation are addressed. The state-of-art techniques for each step were studied and evaluated using synthetic and real microscopic image data. According to obtained evaluation results, a method combining the best performers in each step was presented. In the proposed method, Fast Radial Symmetry transform, edge-to-marker association algorithm and ellipse fitting are employed for seed point extraction, contour evidence extraction and contour estimation respectively. Using synthetic and real image data, the proposed method was evaluated and compared with two competing methods and the results showed a promising improvement over the competing methods, with high segmentation and size distribution estimation accuracy.

Automatic image-based identification of Saimaa ringed seals

The Saimaa ringed seal is one of the most endangered seals in the world. It is a symbol of Lake Saimaa and a lot of effort have been applied to save it. Traditional methods of seal monitoring include capturing the animals and installing sensors on their bodies. These invasive methods for identifying can be painful and affect the behavior of the animals. Automatic identification of seals using computer vision provides a more humane method for the monitoring. This Master's thesis focuses on automatic image-based identification of the Saimaa ringed seals. This consists of detection and segmentation of a seal in an image, analysis of its ring patterns, and identification of the detected seal based on the features of the ring patterns. The proposed algorithm is evaluated with a dataset of 131 individual seals. Based on the experiments with 363 images, 81\% of the images were successfully segmented automatically. Furthermore, a new approach for interactive identification of Saimaa ringed seals is proposed. The results of this research are a starting point for future research in the topic of seal photo-identification.

Effect of processing on antioxidant potential and total phenolics content in beet (Beta vulgaris L.)

The antioxidant capacity of beet is associated with non-nutritive constituents, such as phenolic compounds. The purpose of this research was to evaluate the effect of two different heat-processing techniques (drying and canned) on the antioxidant potential (ABTS) and phenolics content of beets. A forced air circulation dehydrator was used for the drying. Drying at high temperatures (100 + 90 °C/5.6 hours; 90 °C/6 hours) increased the antioxidant potential of the processed products while mild drying conditions decreased it (80 °C/6 hours; 100 + 70 °C/6 hours) or had no effect on it (70 °C/7 hours; 100 + 80 °C/6 hours). For the canned products, the antioxidant potential did not differ according to the pH (4.2 to 3.8) for any of the four acids tested. Some processing methods influenced the antioxidant potential of the processed products, and this was also dependent on changes in the total phenolics content.

Genetic Programming for Non-Photorealistic Rendering

This thesis focuses on developing an evolutionary art system using genetic programming. The main goal is to produce new forms of evolutionary art that filter existing images into new non-photorealistic (NPR) styles, by obtaining images that look like traditional media such as watercolor or pencil, as well as brand new effects. The approach permits GP to generate creative forms of NPR results. The GP language is extended with different techniques and methods inspired from NPR research such as colour mixing expressions, image processing filters and painting algorithm. Colour mixing is a major new contribution, as it enables many familiar and innovative NPR effects to arise. Another major innovation is that many GP functions process the canvas (rendered image), while is dynamically changing. Automatic fitness scoring uses aesthetic evaluation models and statistical analysis, and multi-objective fitness evaluation is used. Results showed a variety of NPR effects, as well as new, creative possibilities.

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.