Στη συγκεκριμένη εργασία περιγράφουμε τρόπους κατάτμησης εικόνας ενώ ταυτόχρονα δίνουμε μια συνοπτική περιγραφή των χρωματικών χώρων και κάποιων βασικών αρχών της χρωματομετρίας. Στη συνέχεια συγκρίνουμε την αποδοτικότητα και σθεναρότητα των μεθόδων αυτών πάνω σε εικόνες υφασμάτων διαφορετικού χρώματος. Η σύγκριση αυτή γίνεται με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των εικόνων (εικόνες π.χ. με περίπλοκα σχέδια παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά από άλλες με ένα μόνο σχέδιο) καθώς επίσης δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη δυνατότητα εξαγωγής αξιόπιστων αποτελεσμάτων στην περίπτωση όπου έχουμε εφαρμόσει υποδειγματοληψία. Τα αποτελέσματα αυτά σχολιάζονται στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας όπου παρατίθενται τα αποτελέσματα που λάβαμε με τη χρήση του ΜATLAB. / -

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη, η ανάπτυξη καθώς και η μερική εφαρμογή κάποιων μεθόδων για την ανίχνευση θέσης κάποιου οχήματος. Ιδιαίτερη βάση δόθηκε στη μελέτη και την ανάλυση της οπτικής ροής που θεωρείται βασική συγκριτικά με τις υπόλοιπες μεθόδους.Τέλος αναλύεται και μια μέθοδος κατάτμησης εικόνων. / The goal of this thesis is to study, develop and implement some methods of car detection. Particular emphasis is given to the analysis of optical flow, which is considered to be critical compared to other methods. Finally an analysis of a method for image segmentation is being developed.

Τα δεδομένα εικόνων που προκύπτουν από την χρήση βιο-ιατρικών μηχανημάτων είναι από την φύση τους ασαφή, χάρη σε μια σειρά από παράγοντες ανάμεσα στους οποίους οι περιορισμοί στον χώρο, τον χρόνο, οι παραμετρικές αναλύσεις καθώς και οι φυσικοί περιορισμοί που επιβάλλει το εκάστοτε μηχάνημα. Όταν το αντικείμενο ενδιαφέροντος σε μια τέτοια εικόνα έχει κάποιο μοτίβο φωτεινότητας ευκρινώς διαφορετικό από τα μοτίβα των υπόλοιπων αντικειμένων που εμφανίζονται, είναι εφικτή η κατάτμηση της εικόνας με έναν απόλυτο, δυαδικό τρόπο που να εκφράζει επαρκώς τα όρια των αντικειμένων. Συχνά ωστόσο σε τέτοιες εικόνες υπεισέρχονται παράγοντες όπως η ανομοιογένεια των υλικών που απεικονίζονται, θόλωμα, θόρυβος ή και μεταβολές στο υπόβαθρο που εισάγονται από την συσκευή απεικόνισης με αποτέλεσμα οι εντάσεις φωτεινότητας σε μια τέτοια εικόνα να εμφανίζονται με έναν ασαφή, βαθμωτό, «μη-δυαδικό» τρόπο. Μια πρωτοπόρα τάση στην σχετική βιβλιογραφία είναι η αξιοποίηση της ασαφούς σύνθεσης των αντικειμένων μιας τέτοιας εικόνας, με τρόπο ώστε η ασάφεια να αποτελεί γνώρισμα του εκάστοτε αντικειμένου αντί για ανεπιθύμητο χαρακτηριστικό: αντλώντας από την θεωρία ασαφών συνόλων, τέτοιες προσεγγίσεις κατατμούν μια εικόνα με βαθμωτό, μη-δυαδικό τρόπο αποφεύγοντας τον μονοσήμαντο καθορισμό ορίων μεταξύ των αντικειμένων. Μια τέτοια προσέγγιση καταφέρνει να αποτυπώσει με μαθηματικούς όρους την ασάφεια της θολής εικόνας, μετατρέποντάς την σε χρήσιμο εργαλείο ανάλυσης στα χέρια ενός ειδικού. Από την άλλη, το μέγεθος της ασάφειας που παρατηρείται σε τέτοιες εικόνες είναι τέτοιο ώστε πολλές φορές να ωθεί τους ειδικούς σε διαφορετικές ή και αντικρουόμενες κατατμήσεις, ακόμη και από το ίδιο ανθρώπινο χέρι. Επιπλέον, το παραπάνω έχει ως αποτέλεσμα την οικοδόμηση βάσεων δεδομένων στις οποίες για μια εικόνα αποθηκεύονται πολλαπλές κατατμήσεις, δυαδικές και μη. Μπορούμε με βάση μια κατάτμηση εικόνας να ανακτήσουμε άλλες, παρόμοιες τέτοιες εικόνες των οποίων τα δεδομένα έχουν προέλθει από αναλύσεις ειδικών, χωρίς σε κάποιο βήμα να υποβαθμίζουμε την ασαφή φύση των αντικειμένων που απεικονίζονται; Πως επιχειρείται η ανάκτηση σε μια βάση δεδομένων στην οποία έχουν αποθηκευτεί οι παραπάνω πολλαπλές κατατμήσεις για κάθε εικόνα; Αποτελεί κριτήριο ομοιότητας μεταξύ εικόνων το πόσο συχνά θα επέλεγε ένας ειδικός να οριοθετήσει ένα εικονοστοιχείο μιας τέτοιας εικόνας εντός ή εκτός ενός τέτοιου θολού αντικειμένου; Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας προσπαθούμε να απαντήσουμε στα παραπάνω ερωτήματα, μελετώντας διεξοδικά την διαδικασία ανάκτησης τέτοιων εικόνων. Προσεγγίζουμε το πρόβλημα θεωρώντας ότι για κάθε εικόνα αποθηκεύονται στην βάση μας περισσότερες της μίας κατατμήσεις, τόσο δυαδικής φύσης από ειδικούς όσο και από ασαφείς από αυτόματους αλγορίθμους. Επιδιώκουμε εκμεταλλευόμενοι το χαρακτηριστικό της ασάφειας να ενοποιήσουμε την διαδικασία της ανάκτησης και για τις δυο παραπάνω περιπτώσεις, προσεγγίζοντας την συχνότητα με την οποία ένας ειδικός θα οριοθετούσε το εκάστοτε ασαφές αντικείμενο με συγκεκριμένο τρόπο καθώς και τα ενδογενή χαρακτηριστικά ενός ασαφούς αντικειμένου που έχει εξαχθεί από αυτόματο αλγόριθμο. Προτείνουμε κατάλληλο μηχανισμό ανάκτησης ο οποίος αναλαμβάνει την μετάβαση από τον χώρο της αναποφασιστικότητας και του ασαφούς στον χώρο της πιθανοτικής αναπαράστασης, διατηρώντας παράλληλα όλους τους περιορισμούς που έχουν επιβληθεί στα δεδομένα από την πρωταρχική ανάλυσή τους. Στην συνέχεια αξιολογούμε την διαδικασία της ανάκτησης, εφαρμόζοντας την νέα μέθοδο σε ήδη υπάρχον σύνολο δεδομένων από το οποίο και εξάγουμε συμπεράσματα για τα αποτελέσματά της. / Image data acquired through the use of bio-medical scanners are by nature fuzzy, thanks to a series of factors including limitations in spatial, temporal and parametric resolutions other than the physical limitations of the device. When the object of interest in such an image displays intensity patterns that are distinct from the patterns of other objects appearing together, a segmentation of the image in a hard, binary manner that clearly defines the borders between objects is feasible. It is frequent though that in such images factors like the lack of homogeneity between materials depicted, blurring, noise or deviations in the background pose difficulties in the above process. Intensity values in such an image appear in a fuzzy, gradient, “non-binary” manner. An innovative trend in the field of study is to make use of the fuzzy composition of objects in such an image, in a way in which fuzziness becomes a characteristic feature of the object instead of an undesirable trait: deriving from the theory of fuzzy sets, such approaches segment an image in a gradient, non-binary manner, therefore avoiding to set up a clear boundary between depicted objects. Such approaches are successful in capturing the fuzziness of the blurry image in mathematical terms, transforming the quality into a powerful tool of analysis in the hands of an expert. On the other hand, the scale of fuzziness observed in such images often leads experts towards different or contradictory segmentations, even drawn by the same human hand. What is more, the aforementioned case results in the compilation of image data bases consisting of multiple segmentations for each image, both binary and fuzzy. Are we able, by segmenting an image, to retrieve other similar such images whose segmented data have been acquired by experts, without downgrading the importance of the fuzziness of the objects depicted in any step involved? How exactly are images in such a database storing multiple segmentations of each retrieved? Is the frequency with which an expert would choose to either include or exclude from a fuzzy object a pixel of an image, a criterion of semblance between objects depicted in images? Finally, how able are we to tackle the feature of fuzziness in a probabilistic manner, thus providing a valuable tool in bridging the gap between automatic segmentation algorithms and segmentations coming from field experts? In the context of this thesis, we tackle the aforementioned problems studying thoroughly the process of image retrieval in a fuzzy context. We consider the case in which a database consists of images for which exist more than one segmentations, both crisp, derived by experts’ analysis, and fuzzy, generated by segmentation algorithms. We attempt to unify the retrieval process for both cases by taking advantage of the feature of fuzziness, and by approximating the frequency with which an expert would confine the boundaries of the fuzzy object in a uniform manner, along with the intrinsic features of a fuzzy, algorithm-generated object. We propose a suitable retrieval mechanism that undertakes the transition from the field of indecisiveness to that of a probabilistic representation, at the same time preserving all the limitations imposed on the data by their initial analysis. Next, we evaluate the retrieval process, by implementing the new method on an already existing data-set and draw conclusions on the effectiveness of the proposed scheme.

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια πλήρως αυτοματοποιημένη μεθοδολογία κατάτμησης για την ανίχνευση των ορίων του αρτηριακού τοιχώματος σε διαμήκεις εικόνες καρωτίδας β-σάρωσης. Συγκεκριμένα υλοποιείται ένας συνδυασμός της μεθοδολογίας του μετασχηματισμού Hough για την ανίχνευση ευθειών με μια μεθοδολογία ενεργών καμπυλών. Η μεθοδολογία του μετασχηματισμού Hough χρησιμοποιείται για τον ορισμό της αρχικής καμπύλης, η οποία στη συνέχεια παραμορφώνεται σύμφωνα με ένα μοντέλο ενεργών καμπυλών βασισμένων σε πεδίο ροής του διανύσματος κλίσης (Gradient Vector Flow - GVF). Το GVF μοντέλο ενεργών καμπυλών βασίζεται στον υπολογισμό του χάρτη ακμών της εικόνας και τον μετέπειτα υπολογισμό του διανυσματικού πεδίου ροής κλίσης, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί την παραμόρφωση της αρχικής καμπύλης με σκοπό την εκτίμηση των πραγματικών ορίων του αρτηριακού τοιχώματος. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε είκοσι (20) εικόνες υγιών περιπτώσεων και δεκαοχτώ (18) εικόνες περιπτώσεων με αθηρωμάτωση για τον υπολογισμό της διαμέτρου του αυλού και την αξιολόγηση της μεθόδου από ποσοτικούς δείκτες ανάλυσης κατά ROC (Receiver Operating Characteristic – ROC). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, δεν παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις μετρήσεις της διαμέτρου που πραγματοποιήθηκαν από τη διαδικασία της αυτόματης ανίχνευσης και τις αντίστοιχες μετρήσεις που προέκυψαν από την χειροκίνητη ανίχνευση. Οι τιμές της ευαισθησίας, της ειδικότητας και της ακρίβειας στις υγιείς περιπτώσεις ήταν αντίστοιχα 0.97, 0.99 και 0.98 για τις διαστολικές και τις συστολικές εικόνες. Στις παθολογικές περιπτώσεις οι αντίστοιχες τιμές ήταν μεγαλύτερες από 0.89, 0.96 και 0.93. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία αποτελεί μια ακριβή και αξιόπιστη μέθοδο κατάτμησης εικόνων καρωτίδας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κλινική πράξη. / In this thesis, a fully automatic segmentation method based on a combination of a combination of the Hough Transform for the detection of straight lines with active contours is presented, for detecting the carotid artery wall in longitudinal B-mode ultrasound images. A Hough-transform-based methodology is used for the definition of the initial snake, followed by a gradient vector flow (GVF) snake deformation. The GVF snake is based on the calculation of the image edge map and the calculation of the gradient vector flow field which guides its deformation for the estimation of the real arterial wall boundaries. The proposed methodology was applied in twenty and eighteen cases of healthy and atherosclerotic carotid respectively, in order to calculate the lumen diameter and evaluate the method by means of ROC analysis (Receiver Operating Characteristic – ROC). According to the results, there was no significant difference between the automated segmentation and the manual diameter measurements. In healthy cases the sensitivity, specificity and accuracy were 0.97, 0.99 and 0.98, respectively, for both diastolic and systolic phase. In atherosclerotic cases the calculated values of the indices were larger than 0.89, 0.96 and 0.93, respectively. In conclusion, the proposed methodology provides an accurate and reliable way to segment ultrasound images of the carotid wall and can be used in clinical practice.

Η τεχνολογία των DNA μικροσυστοιχιών είναι μια υψηλής απόδοσης τεχνική που καθορίζει το κατά πόσο ένα κύτταρο μπορεί να ελέγξει, ταυτόχρονα, την έκφραση ενός πολύ μεγάλου αριθμού γονιδίων. Οι DNA μικροσυστοιχίες χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των αλλαγών που υφίστανται τα επίπεδα της γονιδιακής έκφρασης λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών ή των αλλαγών που λαμβάνουν χώρα σε ασθενή κύτταρα σε σχέση με τα υγιή, χρησιμοποιώντας εξελιγμένες μεθόδους επεξεργασίας πληροφοριών. Εξαιτίας του τρόπου με τον οποίον παράγονται οι μικροσυστοιχίες, κατά την πειραματική επεξεργασία τους, εμφανίζεται ένας μεγάλος αριθμός διαδικασιών που εισάγουν σφάλματα, γεγονός που αναπόφευκτα οδηγεί στην δημιουργία υψηλού επιπέδου θορύβου και σε κατασκευαστικά προβλήματα στα προκύπτοντα δεδομένα. Κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαπέντε ετών, έχουν προταθεί από αρκετούς ερευνητές, πολλές και ικανές μέθοδοι που δίνουν λύσεις στο πρόβλημα της ενίσχυσης και της βελτίωσης των εικόνων μικροσυστοιχίας. Παρά το γεγονός της ευρείας ενασχόλησης των ερευνητών με τις μεθόδους επεξεργασίας των εικόνων μικροσυστοιχίας, η διαδικασία βελτίωσης τους αποτελεί ακόμη, ένα θέμα που προκαλεί ενδιαφέρον καθώς η ανάγκη για καλύτερα αποτελέσματα δεν έχει μειωθεί. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι να συνεισφέρει σημαντικά στην προσπάθεια βελτίωσης των αποτελεσμάτων προτείνοντας μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας που επιφέρουν βελτίωση της ποιότητας των εικόνων μέσω της μείωσης των συνιστωσών του θορύβου και της τεμαχιοποίησης της εικόνας. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια εκπόνησης της διατριβής παρουσιάζεται μια νέα αυτόματη μέθοδος εντοπισμού της θέσης των υπομικροσυστοιχιών σκοπός της οποίας είναι να καλυφθεί εν μέρει το κενό που υπάρχει στην βιβλιογραφία των μικροσυστοιχιών για το βήμα της προεπεξεργασίας που αφορά στην αυτόματη εύρεση της θέσης των υπομικροσυστοιχιών σε μια μικροσυστοιχία. Το βήμα αυτό της προεπεξεργασίας, σπανίως, λαμβάνεται υπόψιν καθώς στις περισσότερες εργασίες σχετικές με τις μικροσυστοιχίες, γίνεται μια αυθαίρετη υπόθεση ότι οι υπομικροσυστοιχίες έχουν με κάποιον τρόπο ήδη εντοπιστεί. Στα πραγματικά συστήματα αυτόματης ανάλυσης της εικόνας μικροσυστοιχίας, την αρχική εκτίμηση της θέσης των υπομικροσυστοιχιών, συνήθως, ακολουθεί η διόρθωση που πραγματοποιείται σε κάθε μια από τις θέσεις αυτές από τους χειριστές των συστημάτων. Η αυτοματοποίηση της εύρεσης θέσης των υπομικροσυστοιχιών οδηγεί σε πιο γρήγορους και ακριβείς υπολογισμούς που αφορούν στην πληροφορία που προσδιορίζεται από την εικόνα μικροσυστοιχίας. Στην συνέχεια της διατριβής, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη για την αποθορυβοποίηση των εικόνων μικροσυστοιχίας χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό κυματιδίου και τα χωρικά φίλτρα ενώ επιπλέον με την βοήθεια τεχνικών της μαθηματικής μορφολογίας πραγματοποιείται δραστική μείωση του θορύβου που έχει την μορφή «αλάτι και πιπέρι». Τέλος, στα πλαίσια της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, παρουσιάζεται μια μέθοδος κατάτμησης των περιοχών των spot των μικροσυστοιχιών, βασιζόμενη στον αλγόριθμο Random Walker. Κατά την πειραματική διαδικασία επιτυγχάνεται επιτυχής κατηγοριοποίηση των spot, ακόμα και στην περίπτωση εικόνων μικροσυστοιχίας με σοβαρά προβλήματα (θόρυβος, κατασκευαστικά λάθη, λάθη χειρισμού κατά την διαδικασία κατασκευής της μικροσυστοιχίας κ.α.), απαιτώντας σαν αρχική γνώση μόνο ένα μικρό αριθμό από εικονοστοιχεία προκειμένου να επιτευχθεί υψηλής ποιότητας κατάτμηση εικόνας. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται ποιοτικά με αυτά που προκύπτουν με την εφαρμογή του μοντέλου κατάτμησης Chan-Vese το οποίο χρησιμοποιεί μια αρχική υπόθεση των συνόρων που υπάρχουν μεταξύ των ομάδων προς ταξινόμηση, αποδεικνύοντας ότι η ακρίβεια με την οποία η προτεινόμενη μέθοδος ταξινομεί τις περιοχές των spot στην σωστή κατηγορία σε μια μικροσυστοιχία, είναι σαφώς καλύτερη και πιο ακριβής. / DNA microarray technology is a high-throughput technique that determines how a cell can control the expression of large numbers of genes simultaneously. Microarrays are used to monitor changes in the expression levels of genes in response to changes in environmental conditions or in healthy versus diseased cells by using advanced information processing methods. Due to the nature of the acquisition process, microarray experiments involve a large number of error-prone procedures that lead to a high level of noise and structural problems in the resulting data. During the last fifteen years, robust methods have been proposed by many researchers resulting in several solutions for the enhancement of the microarray images. Though microarray image analysis has been elaborated quite enough, the enhancement process is still an intriguing issue as the need for even better results has not decreased. The goal of this PhD thesis is to significantly contribute to the above effort by proposing enhancing methods (denoising, segmentation) for the microarray image analysis. More specifically, a novel automated subgrid detection method is presented introducing a pre-processing step of the subgrid detection. This step is rarely taken into consideration as in most microarray enhancing methods it is arbitrarily assumed that the subgrids have been already identified. The automation of the subgrid detection leads to faster and more accurate information extraction from microarray images. Consequently, the PhD thesis presents a comparative denoising framework for microarray image denoising that includes wavelets and spatial filters while on the other hand uses mathematical morphology methods to reduce the “salt&pepper”-like noise in microarray images. Finally, a method for microarray spot segmentation is proposed, based on the Random Walker algorithm. During the experimental process, accurate spot segmentation is obtained even in case of relatively-high distorted images, using only an initial annotation for a small number of pixels for high-quality image segmentation. The experimental results are qualitatively compared to the Chan-Vese segmentation model, showing that the accuracy of the proposed microarray spot detection method is more accurate than the spot borders defined by the compared method.