Detection of mesoscale thermal fronts from 4km data using smoothing techniques: Gradient-based fronts classification and basin scale application

In order to optimize frontal detection in sea surface temperature fields at 4 km resolution, a combined statistical and expert-based approach is applied to test different spatial smoothing of the data prior to the detection process. Fronts are usually detected at 1 km resolution using the histogram-based, single image edge detection (SIED) algorithm developed by Cayula and Cornillon in 1992, with a standard preliminary smoothing using a median filter and a 3 × 3 pixel kernel. Here, detections are performed in three study regions (off Morocco, the Mozambique Channel, and north-western Australia) and across the Indian Ocean basin using the combination of multiple windows (CMW) method developed by Nieto, Demarcq and McClatchie in 2012 which improves on the original Cayula and Cornillon algorithm. Detections at 4 km and 1 km of resolution are compared. Fronts are divided in two intensity classes (“weak” and “strong”) according to their thermal gradient. A preliminary smoothing is applied prior to the detection using different convolutions: three type of filters (median, average and Gaussian) combined with four kernel sizes (3 × 3, 5 × 5, 7 × 7, and 9 × 9 pixels) and three detection window sizes (16 × 16, 24 × 24 and 32 × 32 pixels) to test the effect of these smoothing combinations on reducing the background noise of the data and therefore on improving the frontal detection. The performance of the combinations on 4 km data are evaluated using two criteria: detection efficiency and front length. We find that the optimal combination of preliminary smoothing parameters in enhancing detection efficiency and preserving front length includes a median filter, a 16 × 16 pixel window size, and a 5 × 5 pixel kernel for strong fronts and a 7 × 7 pixel kernel for weak fronts. Results show an improvement in detection performance (from largest to smallest window size) of 71% for strong fronts and 120% for weak fronts. Despite the small window used (16 × 16 pixels), the length of the fronts has been preserved relative to that found with 1 km data. This optimal preliminary smoothing and the CMW detection algorithm on 4 km sea surface temperature data are then used to describe the spatial distribution of the monthly frequencies of occurrence for both strong and weak fronts across the Indian Ocean basin. In general strong fronts are observed in coastal areas whereas weak fronts, with some seasonal exceptions, are mainly located in the open ocean. This study shows that adequate noise reduction done by a preliminary smoothing of the data considerably improves the frontal detection efficiency as well as the global quality of the results. Consequently, the use of 4 km data enables frontal detections similar to 1 km data (using a standard median 3 × 3 convolution) in terms of detectability, length and location. This method, using 4 km data is easily applicable to large regions or at the global scale with far less constraints of data manipulation and processing time relative to 1 km data.

Radio-Frequency Interference Identification Over Oceans for C- and X-Band AMSR2 Channels

A new method for radio-frequency interference (RFI) contamination identification over open oceans for the two C-subbands and X-band of Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) channel measurements is suggested. The method is based both on the AMSR2 brightness temperature (T-B) modeling and on the analysis of AMSR2 measurements over oceans. The joint analysis of T-B spectral differences allowed to identify the relations between them and the limits of their variability, which are ensured by the changes in the environmental conditions. It was found that the constraints, based on the ratio of spectral differences, are more regionally and seasonally independent than the spectral differences themselves. Although not all possible RFI combinations are considered, the developed simple criteria can be used to detect most RFI-contaminated pixels over the World Ocean for AMSR2 measurements in two C-subbands and the X-band.

An 8x8 thermopile based uncooled infrared sensor

International audience

Un micro-bolomètre supraconducteur: de la conception à l'utilisation au laboratoire

Pour augmenter sa compréhension du monde qui l’entoure, le physicien moderne ne cesse de travailler au développement d’outils théoriques ou expérimentaux pour l’aider à répondre à ses questions fondamentales. Une partie de ces chercheurs tente de répondre à une question bien définie, mais simultanément très vague : qu’est-ce que le bruit électro- nique? Guidés par cette idée, certains étudient des dispositifs comme la jonction tunnel ou la jonction Josephson, alors que d’autres travaillent à l’amélioration des méthodes de détection du bruit. Le présent mémoire de maîtrise traite donc de la conception d’un outil de détection bien particulier, le micro-bolomètre supraconducteur de niobium-titane-niobium. La théorie derrière le fonctionnement d’un tel dispositif est expliquée à l’aide d’une comparaison entre un bolomètre conventionnel et un bolomètre supraconducteur. Des concepts comme la sensibilité d’un détecteur, la conductance thermique et la méthode d’utilisation sont présentés. Les étapes du procédé de fabrication sont ensuite explicitées dans les moindres détails. Finalement, les propriétés électroniques d’un tel micro-bolomètre sont analysées à l’aide de la courbe caractéristique courant-tension, de la courbe de transition supraconductrice en température et de dfférentes mesures en réflectométrie. La puissance équivalente de bruit (NEP) mesurée est de l’ordre de 10[indice supérieur −17] W/√Hz et le temps caractéristique de détection est de 1.43 μs. Le dispositif présenté dans ce mémoire a un avantage important par rapport aux bolomètres supraconducteurs généralement utilisés : il ne nécessite pas de courant de polarisation continu pour le mettre en fonctionnement. Ceci peut résulter en divers avantages technologiques.

Réseau calculant asynchrone dédié à la segmentation d'images

National audience

Spatial and temporal measurements using polyoxometalate, enzymatic and biofilm layers on a CMOS 0.35 μm 64 X 64-pixel I.S.F.E.T. array sensor

This thesis presents the achievements and scientific work conducted using a previously designed and fabricated 64 x 64-pixel ion camera with the use of a 0.35 μm CMOS technology. We used an array of Ion Sensitive Field Effect Transistors (ISFETs) to monitor and measure chemical and biochemical reactions in real time. The area of our observation was a 4.2 x 4.3 mm silicon chip while the actual ISFET array covered an area of 715.8 x 715.8 μm consisting of 4096 ISFET pixels in total with a 1 μm separation space among them. The ion sensitive layer, the locus where all reactions took place was a silicon nitride layer, the final top layer of the austriamicrosystems 0.35 μm CMOS technology used. Our final measurements presented an average sensitivity of 30 mV/pH. With the addition of extra layers we were able to monitor a 65 mV voltage difference during our experiments with glucose and hexokinase, whereas a difference of 85 mV was detected for a similar glucose reaction mentioned in literature, and a 55 mV voltage difference while performing photosynthesis experiments with a biofilm made from cyanobacteria, whereas a voltage difference of 33.7 mV was detected as presented in literature for a similar cyanobacterial species using voltamemtric methods for detection. To monitor our experiments PXIe-6358 measurement cards were used and measurements were controlled by LabVIEW software. The chip was packaged and encapsulated using a PGA-100 chip carrier and a two-component commercial epoxy. Printed circuit board (PCB) has also been previously designed to provide interface between the chip and the measurement cards.

Detecção de região saliente em imagens usando dissimilaridade de cor e amostragem por pixeis aleatórios

The purpose of this work is to demonstrate and to assess a simple algorithm for automatic estimation of the most salient region in an image, that have possible application in computer vision. The algorithm uses the connection between color dissimilarities in the image and the image’s most salient region. The algorithm also avoids using image priors. Pixel dissimilarity is an informal function of the distance of a specific pixel’s color to other pixels’ colors in an image. We examine the relation between pixel color dissimilarity and salient region detection on the MSRA1K image dataset. We propose a simple algorithm for salient region detection through random pixel color dissimilarity. We define dissimilarity by accumulating the distance between each pixel and a sample of n other random pixels, in the CIELAB color space. An important result is that random dissimilarity between each pixel and just another pixel (n = 1) is enough to create adequate saliency maps when combined with median filter, with competitive average performance if compared with other related methods in the saliency detection research field. The assessment was performed by means of precision-recall curves. This idea is inspired on the human attention mechanism that is able to choose few specific regions to focus on, a biological system that the computer vision community aims to emulate. We also review some of the history on this topic of selective attention.

Effet préventif de la milrinone inhalée chez les patients avec hypertension pulmonaire subissant une chirurgie cardiaque sous circulation extracorporelle : une approche pharmacométrique

La circulation extracorporelle (CEC) est une technique utilisée en chirurgie cardiaque effectuée des milliers de fois chaque jour à travers le monde. L’instabilité hémodynamique associée au sevrage de la CEC difficile constitue la principale cause de mortalité en chirurgie cardiaque et l’hypertension pulmonaire (HP) a été identifiée comme un des facteurs de risque les plus importants. Récemment, une hypothèse a été émise suggérant que l'administration prophylactique (avant la CEC) de la milrinone par inhalation puisse avoir un effet préventif et faciliter le sevrage de la CEC chez les patients atteints d’HP. Toutefois, cette indication et voie d'administration pour la milrinone n'ont pas encore été approuvées par les organismes réglementaires. Jusqu'à présent, la recherche clinique sur la milrinone inhalée s’est principalement concentrée sur l’efficacité hémodynamique et l'innocuité chez les patients cardiaques, bien qu’aucun biomarqueur n’ait encore été établi. La dose la plus appropriée pour l’administration par nébulisation n'a pas été déterminée, de même que la caractérisation des profils pharmacocinétiques (PK) et pharmacodynamiques (PD) suite à l'inhalation. L'objectif de notre recherche consistait à caractériser la relation exposition-réponse de la milrinone inhalée administrée chez les patients subissant une chirurgie cardiaque sous CEC. Une méthode analytique par chromatographie liquide à haute performance couplée à un détecteur ultraviolet (HPLC-UV) a été optimisée et validée pour le dosage de la milrinone plasmatique suite à l’inhalation et s’est avérée sensible et précise. La limite de quantification (LLOQ) était de 1.25 ng/ml avec des valeurs de précision intra- et inter-dosage moyennes (CV%) <8%. Des patients souffrant d’HP pour lesquels une chirurgie cardiaque sous CEC était prévue ont d’abord été recrutés pour une étude pilote (n=12) et, par la suite, pour une étude à plus grande échelle (n=28) où la milrinone (5 mg) était administrée par inhalation pré-CEC. Dans l'étude pilote, nous avons comparé l'exposition systémique de la milrinone peu après son administration avec un nébuliseur pneumatique ou un nébuliseur à tamis vibrant. L’efficacité des nébuliseurs en termes de dose émise et dose inhalée a également été déterminée in vitro. Dans l'étude à plus grande échelle conduite en utilisant exclusivement le nébuliseur à tamis vibrant, la dose inhalée in vivo a été estimée et le profil pharmacocinétique de la milrinone inhalée a été pleinement caractérisé aux niveaux plasmatique et urinaire. Le ratio de la pression artérielle moyenne sur la pression artérielle pulmonaire moyenne (PAm/PAPm) a été choisi comme biomarqueur PD. La relation exposition-réponse de la milrinone a été caractérisée pendant la période d'inhalation en étudiant la relation entre l'aire sous la courbe de l’effet (ASCE) et l’aire sous la courbe des concentrations plasmatiques (ASC) de chacun des patients. Enfin, le ratio PAm/PAPm a été exploré comme un prédicteur potentiel de sortie de CEC difficile dans un modèle de régression logistique. Les expériences in vitro ont démontré que les doses émises étaient similaires pour les nébuliseurs pneumatique (64%) et à tamis vibrant (68%). Cependant, la dose inhalée était 2-3 fois supérieure (46% vs 17%) avec le nébuliseur à tamis vibrant, et ce, en accord avec les concentrations plasmatiques. Chez les patients, en raison des variations au niveau des facteurs liés au circuit et au ventilateur causant une plus grande dose expirée, la dose inhalée a été estimée inférieure (30%) et cela a été confirmé après récupération de la dose de milrinone dans l'urine 24 h (26%). Les concentrations plasmatiques maximales (Cmax: 41-189 ng/ml) et l'ampleur de la réponse maximale ΔRmax-R0 (0-65%) ont été observées à la fin de l'inhalation (10-30 min). Les données obtenues suite aux analyses PK sont en accord avec les données publiées pour la milrinone intraveineuse. Après la période d'inhalation, les ASCE individuelles étaient directement reliées aux ASC (P=0.045). Enfin, notre biomarqueur PD ainsi que la durée de CEC ont été identifiés comme des prédicteurs significatifs de la sortie de CEC difficile. La comparaison des ASC et ASCE correspondantes a fourni des données préliminaires supportant une preuve de concept pour l'utilisation du ratio PAm/PAPm comme biomarqueur PD prometteur et justifie de futures études PK/PD. Nous avons pu démontrer que la variation du ratio PAm/PAPm en réponse à la milrinone inhalée contribue à la prévention de la sortie de CEC difficile.

HETEROSIS AND HERITABILITY ESTIMATES OF PURINE ALKALOIDS AND POLYPHENOLS IN COCOA

Cocoa ( Theobroma cacao L. ) is an important allogamous tropical tree crop, whose centre of diversity is considered to be in Central America. Dry cocoa beans from five cocoa clones, and their intercrossed hybrids were analysed based on the variation of alkaloids and polyphenolic compounds contents, in order to gain insights on the heterosis and broad-sense heritability. Polyphenols and alkaloids were analysed at 280 nm by HPLC, using a Photodiode Array Detector (PDA); while anthocyanins were separated with the SEP-PAK Vac 6cc 1000 mg (waters) column and measured at 520 nm with a PDA. Dry cocoa beans displayed high content of purine alkaloids (2.1 and 8.8 mg g-1 for caffein and theobromine, respectively), and polyphenols (25 and 2978 µg g-1 for catechin and epicatechin, respectively). Among the five cocoa clones, SNK16 was the highest in purine alkaloid (caffein and theobromin) and flavanol (catechin and epicatechin); while T79/467 possessed the greatest quantity of cyanidin-3-galactoside and cyanidin-3-arabinoside. From all the parameters studied, anthocyanins (Cyanidin-3-galactoside and cyanidin-3-arabinoside) exhibited the highest level of heterosis. Parental genotypes SNK16 and T79/467 showed good aptitudes for the combination of characters because their reciprocal hybrids F5 and F9, distinguished themselves by better levels of mid-parent heterosis values. Besides, the heritability value in strict sense of this Cyanidin-3-galactoside was very high. Absence of significant difference between genotypes, coming from reciprocal crossbreeding for Cyanidin-3-galactoside, suggests that this character in cocoa would be nuclear contrary to purine alkaloids and flavan-3-ols, where their transmission to offsprings can be stated as cytoplasmic.

Development of Imaging Mass Spectrometry Analysis of Lipids in Biological and Clinically Relevant Applications

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur.

Porosity imaged by a vector projection algorithm correlates with fractal dimension measured on 3D models obtained by microCT

International audience

Vector analysis of porosity evidences bone loss at the epiphysis in the BTX rat model of disuse osteoporosis

International audience

A GEOBIA methodology for fragmented agricultural landscapes

Very high resolution remotely sensed images are an important tool for monitoring fragmented agricultural landscapes, which allows farmers and policy makers to make better decisions regarding management practices. An object-based methodology is proposed for automatic generation of thematic maps of the available classes in the scene, which combines edge-based and superpixel processing for small agricultural parcels. The methodology employs superpixels instead of pixels as minimal processing units, and provides a link between them and meaningful objects (obtained by the edge-based method) in order to facilitate the analysis of parcels. Performance analysis on a scene dominated by agricultural small parcels indicates that the combination of both superpixel and edge-based methods achieves a classification accuracy slightly better than when those methods are performed separately and comparable to the accuracy of traditional object-based analysis, with automatic approach.

Texture-Detail Preservation Measurement in Camera Phones: An Updated Approach

Recent advances in mobile phone cameras have poised them to take over compact hand-held cameras as the consumer’s preferred camera option. Along with advances in the number of pixels, motion blur removal, face-tracking, and noise reduction algorithms have significant roles in the internal processing of the devices. An undesired effect of severe noise reduction is the loss of texture (i.e. low-contrast fine details) of the original scene. Current established methods for resolution measurement fail to accurately portray the texture loss incurred in a camera system. The development of an accurate objective method to identify the texture preservation or texture reproduction capability of a camera device is important in this regard. The ‘Dead Leaves’ target has been used extensively as a method to measure the modulation transfer function (MTF) of cameras that employ highly non-linear noise-reduction methods. This stochastic model consists of a series of overlapping circles with radii r distributed as r−3, and having uniformly distributed gray level, which gives an accurate model of occlusion in a natural setting and hence mimics a natural scene. This target can be used to model the texture transfer through a camera system when a natural scene is captured. In the first part of our study we identify various factors that affect the MTF measured using the ‘Dead Leaves’ chart. These include variations in illumination, distance, exposure time and ISO sensitivity among others. We discuss the main differences of this method with the existing resolution measurement techniques and identify the advantages. In the second part of this study, we propose an improvement to the current texture MTF measurement algorithm. High frequency residual noise in the processed image contains the same frequency content as fine texture detail, and is sometimes reported as such, thereby leading to inaccurate results. A wavelet thresholding based denoising technique is utilized for modeling the noise present in the final captured image. This updated noise model is then used for calculating an accurate texture MTF. We present comparative results for both algorithms under various image capture conditions.

Algoritmos de reconstrucción de superficies 3D para modelaje antropométrico

Los protocolos de medición antropométrica se caracterizan por la profusión de medidas discretas o localizadas, en un intento para caracterizar completamente la forma corporal del sujeto -- Dichos protocolos se utilizan intensivamente en campos como medicina deportiva, forense y/o reconstructiva, diseño de prótesis, ergonomía, en la confección de prendas, accesorios, etc -- Con el avance de algoritmos de recuperación de formas a partir de muestreos (digitalizaciones) la caracterización antropométrica se ha alterado significativamente -- El articulo presente muestra el proceso de caracterización digital de forma corpórea, incluyendo los protocolos de medición sobre el sujeto, el ambiente computacional - DigitLAB- (desarrollado en el CII-CAD-CAM-CG de la Universidad EAFIT) para recuperación de superficies, hasta los modelos geométricos finales -- Se presentan comparaciones de los resultados obtenidos con DigitLAB y con paquetes comerciales de recuperación de forma 3D -- Los resultados de DigitLAB resultan superiores, debido principalmente al hecho de que este toma ventaja de los patrones de las digitalizaciones (planares de contacto, por rejilla de pixels - range images -, etc.) y provee módulos de tratamiento geométrico - estadístico de los datos para poder aplicar efectivamente los algoritmos de recuperación de forma -- Se presenta un caso de estudio dirigido a la industria de la confección, y otros efectuados sobre conjuntos de prueba comunes en el ámbito científico para la homologación de algoritmos