Color ad spectral image assessment using novel quality and fidelity techniques

The ongoing development of the digital media has brought a new set of challenges with it. As images containing more than three wavelength bands, often called spectral images, are becoming a more integral part of everyday life, problems in the quality of the RGB reproduction from the spectral images have turned into an important area of research. The notion of image quality is often thought to comprise two distinctive areas – image quality itself and image fidelity, both dealing with similar questions, image quality being the degree of excellence of the image, and image fidelity the measure of the match of the image under study to the original. In this thesis, both image fidelity and image quality are considered, with an emphasis on the influence of color and spectral image features on both. There are very few works dedicated to the quality and fidelity of spectral images. Several novel image fidelity measures were developed in this study, which include kernel similarity measures and 3D-SSIM (structural similarity index). The kernel measures incorporate the polynomial, Gaussian radial basis function (RBF) and sigmoid kernels. The 3D-SSIM is an extension of a traditional gray-scale SSIM measure developed to incorporate spectral data. The novel image quality model presented in this study is based on the assumption that the statistical parameters of the spectra of an image influence the overall appearance. The spectral image quality model comprises three parameters of quality: colorfulness, vividness and naturalness. The quality prediction is done by modeling the preference function expressed in JNDs (just noticeable difference). Both image fidelity measures and the image quality model have proven to be effective in the respective experiments.

Improving sampling, optimization and feature extraction in Boltzmann machines

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires.

A robust algorithm for segmenting fluorescence images and its application to single-molecule counting

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère.

Fabrication and Characterization of Dye Sensitized Polymer Films for Holographic Applications

Holographic technology is at the dawn of quick evolution in various new areas including holographic data storage, holographic optical elements, artificial intelligence, optical interconnects, optical correlators, commerce, medical practice, holographic weapon sight, night vision goggles and games etc. One of the major obstacles for the success of holographic technology to a large extent is the lack of suitable recording medium. Compared with other holographic materials such as dichromated gelatin and silver halide emulsions, photopolymers have the great advantage of recording and reading holograms in real time and the spectral sensitivity could be easily shifted to the type of recording laser used by simply changing the sensitizing dye. Also these materials possess characteristics such as good light sensitivity, real time image development, large dynamic range, good optical properties, format flexibility, and low cost. This thesis describes the attempts made to fabricate highly economic photopolymer films for various holographic applications. In the present work, Poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (vinyl chloride) (PVC) are selected as the host polymer matrices and methylene blue (MB) is used as the photosensitizing dye. The films were fabricated using gravity settling method. No chemical treatment or pre/post exposures were applied to the films. As the outcome of the work, photopolymer films with more than 70% efficiency, a permanent recording material which required no fixing process, a reusable recording material etc. were fabricated.

Median filtering: structure analysis and application

Median filtering is a simple digital non—linear signal smoothing operation in which median of the samples in a sliding window replaces the sample at the middle of the window. The resulting filtered sequence tends to follow polynomial trends in the original sample sequence. Median filter preserves signal edges while filtering out impulses. Due to this property, median filtering is finding applications in many areas of image and speech processing. Though median filtering is simple to realise digitally, its properties are not easily analysed with standard analysis techniques,

Development of a Fully Automated Image Analysis Method for High Density cDNA and array CGH Microarray Based Genomic Studies

In this thesis, different techniques for image analysis of high density microarrays have been investigated. Most of the existing image analysis techniques require prior knowledge of image specific parameters and direct user intervention for microarray image quantification. The objective of this research work was to develop of a fully automated image analysis method capable of accurately quantifying the intensity information from high density microarrays images. The method should be robust against noise and contaminations that commonly occur in different stages of microarray development.

Design and Development of a Frame Based MT System for English-to-ISL

This paper presents the design and development of a frame based approach for speech to sign language machine translation system in the domain of railways and banking. This work aims to utilize the capability of Artificial intelligence for the improvement of physically challenged, deaf-mute people. Our work concentrates on the sign language used by the deaf community of Indian subcontinent which is called Indian Sign Language (ISL). Input to the system is the clerk’s speech and the output of this system is a 3D virtual human character playing the signs for the uttered phrases. The system builds up 3D animation from pre-recorded motion capture data. Our work proposes to build a Malayalam to ISL

Adaptive Real-time Anomaly-based Intrusion Detection using Data Mining and Machine Learning Techniques

Die zunehmende Vernetzung der Informations- und Kommunikationssysteme führt zu einer weiteren Erhöhung der Komplexität und damit auch zu einer weiteren Zunahme von Sicherheitslücken. Klassische Schutzmechanismen wie Firewall-Systeme und Anti-Malware-Lösungen bieten schon lange keinen Schutz mehr vor Eindringversuchen in IT-Infrastrukturen. Als ein sehr wirkungsvolles Instrument zum Schutz gegenüber Cyber-Attacken haben sich hierbei die Intrusion Detection Systeme (IDS) etabliert. Solche Systeme sammeln und analysieren Informationen von Netzwerkkomponenten und Rechnern, um ungewöhnliches Verhalten und Sicherheitsverletzungen automatisiert festzustellen. Während signatur-basierte Ansätze nur bereits bekannte Angriffsmuster detektieren können, sind anomalie-basierte IDS auch in der Lage, neue bisher unbekannte Angriffe (Zero-Day-Attacks) frühzeitig zu erkennen. Das Kernproblem von Intrusion Detection Systeme besteht jedoch in der optimalen Verarbeitung der gewaltigen Netzdaten und der Entwicklung eines in Echtzeit arbeitenden adaptiven Erkennungsmodells. Um diese Herausforderungen lösen zu können, stellt diese Dissertation ein Framework bereit, das aus zwei Hauptteilen besteht. Der erste Teil, OptiFilter genannt, verwendet ein dynamisches "Queuing Concept", um die zahlreich anfallenden Netzdaten weiter zu verarbeiten, baut fortlaufend Netzverbindungen auf, und exportiert strukturierte Input-Daten für das IDS. Den zweiten Teil stellt ein adaptiver Klassifikator dar, der ein Klassifikator-Modell basierend auf "Enhanced Growing Hierarchical Self Organizing Map" (EGHSOM), ein Modell für Netzwerk Normalzustand (NNB) und ein "Update Model" umfasst. In dem OptiFilter werden Tcpdump und SNMP traps benutzt, um die Netzwerkpakete und Hostereignisse fortlaufend zu aggregieren. Diese aggregierten Netzwerkpackete und Hostereignisse werden weiter analysiert und in Verbindungsvektoren umgewandelt. Zur Verbesserung der Erkennungsrate des adaptiven Klassifikators wird das künstliche neuronale Netz GHSOM intensiv untersucht und wesentlich weiterentwickelt. In dieser Dissertation werden unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen und diskutiert. So wird eine classification-confidence margin threshold definiert, um die unbekannten bösartigen Verbindungen aufzudecken, die Stabilität der Wachstumstopologie durch neuartige Ansätze für die Initialisierung der Gewichtvektoren und durch die Stärkung der Winner Neuronen erhöht, und ein selbst-adaptives Verfahren eingeführt, um das Modell ständig aktualisieren zu können. Darüber hinaus besteht die Hauptaufgabe des NNB-Modells in der weiteren Untersuchung der erkannten unbekannten Verbindungen von der EGHSOM und der Überprüfung, ob sie normal sind. Jedoch, ändern sich die Netzverkehrsdaten wegen des Concept drif Phänomens ständig, was in Echtzeit zur Erzeugung nicht stationärer Netzdaten führt. Dieses Phänomen wird von dem Update-Modell besser kontrolliert. Das EGHSOM-Modell kann die neuen Anomalien effektiv erkennen und das NNB-Model passt die Änderungen in Netzdaten optimal an. Bei den experimentellen Untersuchungen hat das Framework erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt. Im ersten Experiment wurde das Framework in Offline-Betriebsmodus evaluiert. Der OptiFilter wurde mit offline-, synthetischen- und realistischen Daten ausgewertet. Der adaptive Klassifikator wurde mit dem 10-Fold Cross Validation Verfahren evaluiert, um dessen Genauigkeit abzuschätzen. Im zweiten Experiment wurde das Framework auf einer 1 bis 10 GB Netzwerkstrecke installiert und im Online-Betriebsmodus in Echtzeit ausgewertet. Der OptiFilter hat erfolgreich die gewaltige Menge von Netzdaten in die strukturierten Verbindungsvektoren umgewandelt und der adaptive Klassifikator hat sie präzise klassifiziert. Die Vergleichsstudie zwischen dem entwickelten Framework und anderen bekannten IDS-Ansätzen zeigt, dass der vorgeschlagene IDSFramework alle anderen Ansätze übertrifft. Dies lässt sich auf folgende Kernpunkte zurückführen: Bearbeitung der gesammelten Netzdaten, Erreichung der besten Performanz (wie die Gesamtgenauigkeit), Detektieren unbekannter Verbindungen und Entwicklung des in Echtzeit arbeitenden Erkennungsmodells von Eindringversuchen.

A Vector Signal Processing Approach to Color

Surface (Lambertain) color is a useful visual cue for analyzing material composition of scenes. This thesis adopts a signal processing approach to color vision. It represents color images as fields of 3D vectors, from which we extract region and boundary information. The first problem we face is one of secondary imaging effects that makes image color different from surface color. We demonstrate a simple but effective polarization based technique that corrects for these effects. We then propose a systematic approach of scalarizing color, that allows us to augment classical image processing tools and concepts for multi-dimensional color signals.

Learning-Based Approach to Real Time Tracking and Analysis of Faces

This paper describes a trainable system capable of tracking faces and facialsfeatures like eyes and nostrils and estimating basic mouth features such as sdegrees of openness and smile in real time. In developing this system, we have addressed the twin issues of image representation and algorithms for learning. We have used the invariance properties of image representations based on Haar wavelets to robustly capture various facial features. Similarly, unlike previous approaches this system is entirely trained using examples and does not rely on a priori (hand-crafted) models of facial features based on optical flow or facial musculature. The system works in several stages that begin with face detection, followed by localization of facial features and estimation of mouth parameters. Each of these stages is formulated as a problem in supervised learning from examples. We apply the new and robust technique of support vector machines (SVM) for classification in the stage of skin segmentation, face detection and eye detection. Estimation of mouth parameters is modeled as a regression from a sparse subset of coefficients (basis functions) of an overcomplete dictionary of Haar wavelets.

An artificial economy based on reinforcement learning and agent based modeling

In this paper, we employ techniques from artificial intelligence such as reinforcement learning and agent based modeling as building blocks of a computational model for an economy based on conventions. First we model the interaction among firms in the private sector. These firms behave in an information environment based on conventions, meaning that a firm is likely to behave as its neighbors if it observes that their actions lead to a good pay off. On the other hand, we propose the use of reinforcement learning as a computational model for the role of the government in the economy, as the agent that determines the fiscal policy, and whose objective is to maximize the growth of the economy. We present the implementation of a simulator of the proposed model based on SWARM, that employs the SARSA(λ) algorithm combined with a multilayer perceptron as the function approximation for the action value function.

Image segmentation integrating colour, texture and boundary information

La tesis se centra en la Visión por Computador y, más concretamente, en la segmentación de imágenes, la cual es una de las etapas básicas en el análisis de imágenes y consiste en la división de la imagen en un conjunto de regiones visualmente distintas y uniformes considerando su intensidad, color o textura. Se propone una estrategia basada en el uso complementario de la información de región y de frontera durante el proceso de segmentación, integración que permite paliar algunos de los problemas básicos de la segmentación tradicional. La información de frontera permite inicialmente identificar el número de regiones presentes en la imagen y colocar en el interior de cada una de ellas una semilla, con el objetivo de modelar estadísticamente las características de las regiones y definir de esta forma la información de región. Esta información, conjuntamente con la información de frontera, es utilizada en la definición de una función de energía que expresa las propiedades requeridas a la segmentación deseada: uniformidad en el interior de las regiones y contraste con las regiones vecinas en los límites. Un conjunto de regiones activas inician entonces su crecimiento, compitiendo por los píxeles de la imagen, con el objetivo de optimizar la función de energía o, en otras palabras, encontrar la segmentación que mejor se adecua a los requerimientos exprsados en dicha función. Finalmente, todo esta proceso ha sido considerado en una estructura piramidal, lo que nos permite refinar progresivamente el resultado de la segmentación y mejorar su coste computacional. La estrategia ha sido extendida al problema de segmentación de texturas, lo que implica algunas consideraciones básicas como el modelaje de las regiones a partir de un conjunto de características de textura y la extracción de la información de frontera cuando la textura es presente en la imagen. Finalmente, se ha llevado a cabo la extensión a la segmentación de imágenes teniendo en cuenta las propiedades de color y textura. En este sentido, el uso conjunto de técnicas no-paramétricas de estimación de la función de densidad para la descripción del color, y de características textuales basadas en la matriz de co-ocurrencia, ha sido propuesto para modelar adecuadamente y de forma completa las regiones de la imagen. La propuesta ha sido evaluada de forma objetiva y comparada con distintas técnicas de integración utilizando imágenes sintéticas. Además, se han incluido experimentos con imágenes reales con resultados muy positivos.

Effects of divided attention and speeded responding on implicit and explicit retrieval of artificial grammar knowledge

The artificial grammar (AG) learning literature (see, e.g., Mathews et al., 1989; Reber, 1967) has relied heavily on a single measure of implicitly acquired knowledge. Recent work comparing this measure (string classification) with a more indirect measure in which participants make liking ratings of novel stimuli (e.g., Manza & Bornstein, 1995; Newell & Bright, 2001) has shown that string classification (which we argue can be thought of as an explicit, rather than an implicit, measure of memory) gives rise to more explicit knowledge of the grammatical structure in learning strings and is more resilient to changes in surface features and processing between encoding and retrieval. We report data from two experiments that extend these findings. In Experiment 1, we showed that a divided attention manipulation (at retrieval) interfered with explicit retrieval of AG knowledge but did not interfere with implicit retrieval. In Experiment 2, we showed that forcing participants to respond within a very tight deadline resulted in the same asymmetric interference pattern between the tasks. In both experiments, we also showed that the type of information being retrieved influenced whether interference was observed. The results are discussed in terms of the relatively automatic nature of implicit retrieval and also with respect to the differences between analytic and nonanalytic processing (Whittlesea Price, 2001).

Historical and current machine intelligence

In this article, we provide an initial insight into the study of MI and what it means for a machine to be intelligent. We discuss how MI has progressed to date and consider future scenarios in a realistic and logical way as much as possible. To do this, we unravel one of the major stumbling blocks to the study of MI, which is the field that has become widely known as "artificial intelligence"

Deception-detection and machine intelligence in practical Turing tests

Deception-detection is the crux of Turing’s experiment to examine machine thinking conveyed through a capacity to respond with sustained and satisfactory answers to unrestricted questions put by a human interrogator. However, in 60 years to the month since the publication of Computing Machinery and Intelligence little agreement exists for a canonical format for Turing’s textual game of imitation, deception and machine intelligence. This research raises from the trapped mine of philosophical claims, counter-claims and rebuttals Turing’s own distinct five minutes question-answer imitation game, which he envisioned practicalised in two different ways: a) A two-participant, interrogator-witness viva voce, b) A three-participant, comparison of a machine with a human both questioned simultaneously by a human interrogator. Using Loebner’s 18th Prize for Artificial Intelligence contest, and Colby et al.’s 1972 transcript analysis paradigm, this research practicalised Turing’s imitation game with over 400 human participants and 13 machines across three original experiments. Results show that, at the current state of technology, a deception rate of 8.33% was achieved by machines in 60 human-machine simultaneous comparison tests. Results also show more than 1 in 3 Reviewers succumbed to hidden interlocutor misidentification after reading transcripts from experiment 2. Deception-detection is essential to uncover the increasing number of malfeasant programmes, such as CyberLover, developed to steal identity and financially defraud users in chatrooms across the Internet. Practicalising Turing’s two tests can assist in understanding natural dialogue and mitigate the risk from cybercrime.