[pt] Redes neurais profundas são responsáveis pelo grande progresso em diversas tarefas perceptuais, especialmente nos campos da visão computacional,reconhecimento de fala e processamento de linguagem natural. Estes resultados produziram uma mudança de paradigma nas técnicas de reconhecimentode padrões, deslocando a demanda do design de extratores de característicaspara o design de arquiteturas de redes neurais. No entanto, o design de novas arquiteturas de redes neurais profundas é bastante demandanteem termos de tempo e depende fortemente da intuição e conhecimento de especialistas,além de se basear em um processo de tentativa e erro. Neste contexto, a idea de automatizar o design de arquiteturas de redes neurais profundas tem ganhado popularidade, estabelecendo o campo da busca por arquiteturas neurais(NAS - Neural Architecture Search). Para resolver o problema de NAS, autores propuseram diversas abordagens envolvendo o espaço de buscas, a estratégia de buscas e técnicas para mitigar o consumo de recursos destes algoritmos. O Q-NAS (Quantum-inspired Neural Architecture Search) é uma abordagem proposta para endereçar o problema de NAS utilizando um algoritmo evolucionário com inspiração quântica como estratégia de buscas. Este método foi aplicado de forma bem sucedida em classificação de imagens, superando resultados de arquiteturas de design manual nos conjuntos de dados CIFAR-10 e CIFAR-100 além de uma aplicação de mundo real na área da sísmica. Motivados por este sucesso, propõe-se nesta Dissertação o SegQNAS (Quantum-inspired Neural Architecture Search applied to Semantic Segmentation), uma adaptação do Q-NAS para a tarefa de segmentação semântica. Diversos experimentos foram realizados com objetivo de verificar a aplicabilidade do SegQNAS em dois conjuntos de dados do desafio Medical Segmentation Decathlon. O SegQNAS foi capaz de alcançar um coeficiente de similaridade dice de 0.9583 no conjunto de dados de baço, superando os resultados de arquiteturas tradicionais como U-Net e ResU-Net e atingindo resultados comparáveis a outros trabalhos que aplicaram NAS a este conjunto de dados, mas encontrando arquiteturas com muito menos parãmetros. No conjunto de dados de próstata, o SegQNAS alcançou um coeficiente de similaridade dice de 0.6887 superando a U-Net, ResU-Net e o trabalho na área de NAS que utilizamos como comparação. / [en] Deep neural networks are responsible for great progress in performance for several perceptual tasks, especially in the fields of computer vision, speech recognition, and natural language processing. These results produced a paradigm shift in pattern recognition techniques, shifting the demand from feature extractor design to neural architecture design. However, designing novel deep neural network architectures is very time-consuming and heavily relies on experts intuition, knowledge, and a trial and error process. In that context, the idea of automating the architecture design of deep neural networks has gained popularity, establishing the field of neural architecture search (NAS). To tackle the problem of NAS, authors have proposed several approaches regarding the search space definition, algorithms for the search strategy, and techniques to mitigate the resource consumption of those algorithms. Q-NAS (Quantum-inspired Neural Architecture Search) is one proposed approach to address the NAS problem using a quantum-inspired evolutionary algorithm as the search strategy. That method has been successfully applied to image classification, outperforming handcrafted models on the CIFAR-10 and CIFAR-100 datasets and also on a real-world seismic application. Motivated by this success, we propose SegQNAS (Quantum-inspired Neural Architecture Search applied to Semantic Segmentation), which is an adaptation of Q-NAS applied to semantic segmentation. We carried out several experiments to verify the applicability of SegQNAS on two datasets from the Medical Segmentation Decathlon challenge. SegQNAS was able to achieve a 0.9583 dice similarity coefficient on the spleen dataset, outperforming traditional architectures like U-Net and ResU-Net and comparable results with a similar NAS work from the literature but with fewer parameters network. On the prostate dataset, SegQNAS achieved a 0.6887 dice similarity coefficient, also outperforming U-Net, ResU-Net, and outperforming a similar NAS work from the literature.

[pt] A crescente disponibilidade de dados de sensoriamento remoto vem criando novas oportunidades e desafios em aplicações de monitoramento de processos naturais e antropogénicos em escala global. Nos últimos anos, as técnicas de aprendizado profundo tornaram-se o estado da arte na análise de dados de sensoriamento remoto devido sobretudo à sua capacidade de aprender automaticamente atributos discriminativos a partir de grandes volumes de dados. Um dos problemas chave em análise de imagens é a segmentação semântica, também conhecida como rotulação de pixels. Trata-se de atribuir uma classe a cada sítio de imagem. As chamadas redes totalmente convolucionais de prestam a esta função. Os anos recentes têm testemunhado inúmeras propostas de arquiteturas de redes totalmente convolucionais que têm sido adaptadas para a segmentação de dados de observação da Terra. O presente trabalho avalias cinco arquiteturas de redes totalmente convolucionais que representam o estado da arte em segmentação semântica de imagens de sensoriamento remoto. A avaliação considera dados provenientes de diferentes plataformas: veículos aéreos não tripulados, aeronaves e satélites. Cada um destes dados refere-se a aplicações diferentes: segmentação de espécie arbórea, segmentação de telhados e desmatamento. O desempenho das redes é avaliado experimentalmente em termos de acurácia e da carga computacional associada. O estudo também avalia os benefícios da utilização do Campos Aleatórios Condicionais (CRF) como etapa de pósprocessamento para melhorar a acurácia dos mapas de segmentação. / [en] The increasing availability of remote sensing data has created new opportunities and challenges for monitoring natural and anthropogenic processes on a global scale. In recent years, deep learning techniques have become state of the art in remote sensing data analysis, mainly due to their ability to learn discriminative attributes from large volumes of data automatically. One of the critical problems in image analysis is the semantic segmentation, also known as pixel labeling. It involves assigning a class to each image site. The so-called fully convolutional networks are specifically designed for this task. Recent years have witnessed numerous proposals for fully convolutional network architectures that have been adapted for the segmentation of Earth observation data. The present work evaluates five fully convolutional network architectures that represent the state of the art in semantic segmentation of remote sensing images. The assessment considers data from different platforms: unmanned aerial vehicles, airplanes, and satellites. Three applications are addressed: segmentation of tree species, segmentation of roofs, and deforestation. The performance of the networks is evaluated experimentally in terms of accuracy and the associated computational load. The study also assesses the benefits of using Conditional Random Fields (CRF) as a post-processing step to improve the accuracy of segmentation maps.

[pt] A eficiência de culturas pode ser aprimorada monitorando-se suas condições de forma contínua e tomando-se decisões baseadas em suas análises. Os dados para análise podem ser obtidos através de sensores de imagens e o processo de monitoramento pode ser automatizado utilizando-se algoritmos de reconhecimento de imagem com diferentes níveis de complexidade. Alguns dos algoritmos de maior êxito estão relacionados a abordagens supervisionadas de aprendizagem profunda (Deep Learning) as quais utilizam formas de Redes Neurais de Convolucionais (CNNs). Nesta dissertação de mestrado, empregaram-se modelos de aprendizagem profunda supervisionados para classificação, regressão, detecção de objetos e segmentação semântica em tarefas de monitoramento de culturas, utilizando-se amostras de imagens obtidas através de três níveis distintos: Satélites, Veículos Aéreos Não Tripulados (UAVs) e Robôs Terrestres Móveis (MLRs). Ambos satélites e UAVs envolvem o uso de imagens multiespectrais. Para o primeiro nível, implementou-se um modelo CNN baseado em Transfer Learning para a classificação de espécies vegetativas. Aprimorou-se o desempenho de aprendizagem do transfer learning através de um método de análise estatística recentemente proposto. Na sequência, para o segundo nível, implementou-se um algoritmo segmentação semântica multitarefa para a detecção de lavouras de cana-de-açúcar e identificação de seus estados (por exemplo, saúde e idade da cultura). O algoritmo também detecta a vegetação ao redor das lavouras, sendo relevante na busca por ervas daninhas. No terceiro nível, implementou-se um algoritmo Single Shot Multibox Detector para detecção de cachos de tomate. De forma a avaliar o estado dos cachos, utilizaram-se duas abordagens diferentes: uma implementação baseada em segmentação de imagens e uma CNN supervisionada adaptada para cálculos de regressão capaz de estimar a maturação dos cachos de tomate. De forma a quantificar cachos de tomate em vídeos para diferentes estágios de maturação, empregou-se uma implementação de Região de Interesse e propôs-se um sistema de rastreamento o qual utiliza informações temporais. Para todos os três níveis, apresentaram-se soluções e resultados os quais superam as linhas de base do estado da arte. / [en] Crop efficiency can be improved by continually monitoring their state and making decisions based on their analysis. The data for analysis can be obtained through images sensors and the monitoring process can be automated by using image recognition algorithms with different levels of complexity. Some of the most successful algorithms are related to supervised Deep Learning approaches which use a form of Convolutional Neural Networks (CNNs). In this master s dissertation, we employ supervised deep learning models for classification, regression, object detection, and semantic segmentation in crop monitoring tasks, using image samples obtained through three different levels: Satellites, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and Unmanned Ground Vehicles (UGVs). Both satellites and UAVs levels involve the use of multispectral images. For the first level, we implement a CNN model based on transfer learning to classify vegetative species. We also improve the transfer learning performance by a newly proposed statistical analysis method. Next, for the second level, we implement a multi-task semantic segmentation algorithm to detect sugarcane crops and infer their state (e.g. crop health and age). The algorithm also detects the surrounding vegetation, being relevant in the search for weeds. In the third level, we implement a Single Shot Multibox detector algorithm to detect tomato clusters. To evaluate the cluster s state, we use two different approaches: an implementation based on image segmentation and a supervised CNN regressor capable of estimating their maturity. In order to quantify the tomato clusters in videos at different maturation stages, we employ a Region of Interest implementation and also a proposed tracking system which uses temporal information. For all the three levels, we present solutions and results that outperform state-of-the art baselines.

[pt] A partir de melhorias incrementais em uma conhecida rede neural convolucional (U-Net), diferentes técnicas são avaliadas quanto às suas performances na tarefa de segmentação semântica em imagens sísmicas. Mais especificamente, procura-se a identificação e delineamento de estruturas salinas no subsolo, o que é de grande relevância na indústria de óleo e gás para a exploração de petróleo em camadas pré-sal, por exemplo. Além disso, os desafios apresentados no tratamento destas imagens sísmicas se assemelham em muito aos encontrados em tarefas de áreas médicas como identificação de tumores e segmentação de tecidos, o que torna o estudo da tarefa em questão ainda mais valioso. Este trabalho pretende sugerir uma metodologia adequada de abordagem à tarefa e produzir redes neurais capazes de segmentar imagens sísmicas com bons resultados dentro das métricas utilizadas. Para alcançar estes objetivos, diferentes estruturas de redes, transferência de aprendizado e técnicas de aumentação de dados são testadas em dois datasets com diferentes níveis de complexidade. / [en] Through incremental improvements in a well-known convolutional neural network (U-Net), different techniques are evaluated regarding their performance on the task of semantic segmentation of seismic images. More specifically, the objective is the better identification and outline of subsurface salt structures, which is a task of great relevance for the oil and gas industry in the exploration of pre-salt layers, for example. Besides that application, the challenges imposed by the treatment of seismic images also resemble those found in medical fields like tumor detection and tissue segmentation, which makes the study of this task even more valuable. This work seeks to suggest a suitable methodology for the task and to yield neural networks that are capable of performing semantic segmentation of seismic images with good results regarding specific metrics. For that purpose, different network structures, transfer learning and data augmentation techniques are applied in two datasets with different levels of complexity.