The process of embryogenesis is governed by the expressions of groups of genes which are acting in a coordinate way. Uncovering how the expressions of these genes control the development of a multicellular organism is fundamental for developmental biology. Gene expression atlases could capture quantitative spatio-temporal information of all genes expressed in a developing embryo. In other words, they could reveal the underlying genetic activity during the embryogenetic processes by providing information about, apart from how much and which, where and when the genes are expressed at cellular level and the interactions between them. The extraction of relative gene expression data and their simultaneous study in animal models, such as zebrafish, would be greatly facilitated by the existence of such atlases. This Master Thesis focuses on the early zebrafish embryogenesis and its goal is to design and implement an image processing framework that will provide the means to gather the expression patterns of different genes from different embryos at a given developmental stage into a common template. The framework should work with image-based data from different embryos, each fluorescently stained to label nuclear DNA and the expression patterns of a reference gene and another gene of interest. The volumetric data from each fluorescent label are contained in different channels. Therefore the crux of the framework lies in its ability to combine appropriately the information from the different channels and deal with a three-dimensional image registration problem. The implemented framework works with datasets of two embryos, one that serves as a template and depicts a whole embryo and another that has to be aligned with the first and depicts part of the other embryo. It is composed of different steps, responsible for preprocessing the channels, coarsely positioning the partial embryo view in the three dimensional template’s space and determining the geometrical transformation that finally aligns it with the template using as reference the gene expression pattern common to all labelled embryos. The resulting transformation is used to map the second expression patterns, thus producing their spatial expression atlas. The algorithm developed is based on the Insight Segmentation and Registration Toolkit. The framework was evaluated with data from six embryos at the same developmental stage and four different registration methods were compared in terms of performance. Visual inspection of the results identified the combination of the correlation coefficient, as a similarity measure function between two images, with the gradient descent optimization algorithm as the most appropriate method for this specific application. The final results obtained showed that the framework achieves its goal of integrating several gene expression patterns into a common template. This framework is ready to be used in order to construct a gene expression atlas integrating a large number of gene expression data of the zebrafish embryogenesis. In the near future, this atlas should be validated with known genetic interactions and used to unravel new ones, so that gene regulatory network models can become a reality. / Η διαδικαςία ανάπτυξης των εμβρύων καθορίζεται από τις συγχρονισμένες εκφράσεις ορισμένων γονιδίων. Το πώς αυτές ελέγχουν την δημιουργία ενός πολυκύτταρου οργανισμού από ένα κύτταρο αποτελεί αντικείμενο μελέτης της Αναπτυξιακής Βιολογίας. Ένας χάρτης γονιδιακής έκφρασης θα μπορούσε να συνδυάζει χρονικές, χωρικές και ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με την έκφραση των γονιδίων που ενορχηστρώνουν την διαδικασία ανάπτυξης ενός εμβρύου. Σε έναν τέτοιον χάρτη η γενετική δραστηριότητα θα αναλυόταν σε συνιστώσες που αφορούν το ποια, πότε, πού και πόσο εκφράζονται τα γονίδια σε κυτταρικό επίπεδο. Η ύπαρξη τέτοιων χαρτών για οργανισμούς, όπως το ζεβρόψαρο, που πρωταγωνιστεί σε μελέτες που αφορούν σπονδυλωτά, θα διευκολύνει την ταυτόχρονη μελέτη των εκφράσεων και των μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων. Η παρούσα διπλωματική εστιάζεται στον σχεδιασμό και στην υλοποίηση μιας διαδικασίας επεξεργασίας εικόνας που θα είναι ικανή να συγκεντρώσει τις γονιδιακές εκφράσεις ενός συγκεκριμένου σταδίου ανάπτυξης του ζεβρόψαρου σε έναν τρισδιάστατο άτλαντα. Τα δεδομένα που πρέπει να επεξεργαστεί είναι τρισδιάστατες απεικονίσεις διαφορετικών εμβρύων, κάθε ένα από τα οποία έχει σημανθεί με φθορίζουσες ουσίες με στόχους το DNA των πυρήνων και τις εκφράσεις δύο γονιδίων, εκ των οποίων η μία είναι κοινή για όλα τα έμβρυα. Η πληροφορία που αποκαλύπτει κάθε ουσία βρίσκεται σε διαφορετικό κανάλι της κάθε εικόνας. Συνεπώς η διαδικασία θα πρέπει να συνδυάζει κατάλληλα τις πληροφορίες των διαφορετικών καναλιών και να ευθυγραμμίζει τρισδιάστατες εικόνες. Η υλοποιημένη διαδικασία δέχεται σειρές δεδομένων από δύο έμβρυα. Η μία απεικονίζει πλήρως ένα έμβρυο, το οποίο αποτελεί το έμβρυο αναφοράς και η άλλη μέρος του άλλου εμβρύου, το οποίο κα πρέπει να ευθυγραμμιστεί με το πρώτο. Η διαδικασία αποτελείται από διάφορα βήματα, τα οποία προεπεξεργάζονται τα δεδομένα, μετασχηματίζουν την εικόνα του μερικώς απεικονιζόμενου εμβρύου ώστε να αποκτήσει μια κατάλληλη αρχική θέση στον χώρο που ορίζεται από την εικόνα του ολόκληρου εμβρύου και τέλος ευθυγραμμίζουν την πρώτη εικόνα στην δεύτερη χρησιμοποιώντας ως αναφορά τη γονιδιακή έκφραση που είναι κοινή για όλα τα σημασμένα έμβρυα. Οι παράμετροι που προκύπτουν από την ευθυγράμμιση χρησιμοποιούνται για την αντιστοίχιση των άλλων σημασμένων γονιδιακών εκφράσεων, δημιουργώντας έτσι ένα τρισδιάστατο χάρτη εκφράσεων. Η υλοποίηση βασίστηκε στο Insight Segmentation and Registration Toolkit. Η διαδικασία δοκιμάστηκε με δεδομένα από έξι έμβρυα του ίδιου σταδίου ανάπτυξης και συγκρίθηκαν οι επιδόσεις τεσσάρων μεθόδων αντιστοίχισης. Οπτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ανέδειξε τον συνδυασμό της συνάρτησης του συντελεστή συσχέτισης με τον αλγόριθμο βελτιστοποίησης gradient descent ως την πιο κατάλληλη μέθοδο για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Τα τελικά αποτελέσματα απέδειξαν ότι η διαδικασία επιτυγχάνει τον στόχο της. Η διαδικασία που υλοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική είναι έτοιμη προς χρήση για την δημιουργία ενός χάρτη γονιδιακής έκφρασης του ζεβρόψαρου. Αντικείμενο μελλοντικής μελέτης αποτελεί η επικύρωση του χάρτη με ήδη γνωστές γονιδιακές αλληλεπιδράσεις και κατόπιν η χρήση του για την εύρεση νέων.

Η ευθυγράμμιση οντολογιών είναι η διαδικασία καθορισμού των αντιστοιχίσεων μεταξύ εννοιών. Ένα σύνολο αντιστοιχίσεων καλείται ευθυγράμμιση. Στα πρόσφατα έτη έχουν προταθεί διάφορα εργαλεία ως έγκυρη λύση στο πρόβλημα της σημασιολογικής ετερογένειας. Αυτά τα εργαλεία ταυτοποιούν κόμβους σε δύο σχήματα, τα οποία συσχετίζονται συντακτικά ή σημασιολογικά. Τα εργαλεία ευθυγράμμισης οντολογιών έχουν γενικά αναπτυχθεί για να λειτουργούν σε σχήματα βάσεων δεδομένων, XML σχήματα, ταξινομίες, τυπικές γλώσσες, μοντέλα σχέσεων οντοτήτων, λεξικά, θησαυρούς, οντολογίες και άλλα πλαίσια ετικετών. Τα παραπάνω συνήθως μετατρέπονται σε μια αναπαράσταση γράφων πριν την αντιστοίχιση. Εν όψει του Σημασιολογικού Ιστού, οι γράφοι μπορούν να αντιπροσωπευθούν από μορφές RDF (Resource Description Framework). Σε αυτό το πλαίσιο, η ευθυγράμμιση οντολογιών αναφέρεται μερικές φορές ως “ταίριασμα οντολογιών”. Το ταίριασμα οντολογιών είναι μια βασική προϋπόθεση για την ενεργοποίηση της διαλειτουργικότητας στο Σημασιολογικό Ιστό, καθώς επίσης και μια χρήσιμη τακτική για κάποιες κλασσικές εργασίες ολοκλήρωσης δεδομένων. Οι αντιστοιχίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εργασίες, όπως στη συγχώνευση οντολογιών και στη μετάφραση δεδομένων. Κατά συνέπεια, το ταίριασμα των οντολογιών επιτρέπει στη γνώση και τα στοιχεία που εκφράζονται στις αντιστοιχημένες οντολογίες να επικοινωνήσουν. Τα παραπάνω δίνουν μεγάλη αξία στη σωστή λειτουργία και αποδοτικότητα των εργαλείων ευθυγράμμισης οντολογιών. Για το λόγο αυτό είναι σωστό να γίνονται συχνές αξιολογήσεις των εργαλείων και των αποτελεσμάτων τους, κάτω από διαφορετικές συνθήκες και περιπτώσεις χρήσης. Η αξιολόγηση των ευθυγραμμίσεων οντολογιών γίνεται στην πράξη με δύο τρόπους: (i) αξιολογώντας μεμονωμένες αντιστοιχίες και (ii) συγκρίνοντας την ευθυγράμμιση με μια ευθυγράμμιση αναφοράς. Η παρούσα εργασία έχει ως σκοπό να δώσει μια ικανοποιητική εικόνα για τις επιδόσεις και την αποδοτικότητα πέντε εργαλείων ευθυγράμμισης οντολογιών. Στα πλαίσια της εργασίας περιγράφονται, συγκρίνονται και αξιολογούνται τα χαρακτηριστικά των εργαλείων, οι μέθοδοι και τα αποτελέσματα ευθυγραμμίσεων, ενώ γίνονται συγκριτικές παρατηρήσεις με τα αποτελέσματα των αντίστοιχων εργαλείων στο OAEI (Ontology Alignment Evaluation Initiative). Γίνεται χρήση και των δύο τρόπων αξιολόγησης ευθυγραμμίσεων, δηλαδή καταμετρούνται και παρατηρούνται οι αντιστοιχίες που παρήχθησαν από κάθε μέθοδο, για κάθε εργαλείο και συγκρίνονται με μια ευθυγράμμιση αναφοράς, η οποία παρήχθηκε χειρωνακτικά. Η σύγκριση των συστημάτων και των αλγορίθμων στην ίδια βάση αποτελεί το μέσο που επιτρέπει στον καθένα να σχηματίσει συμπεράσματα για τις καλύτερες στρατηγικές ταιριάσματος. / Ontology alignment is the process of determining correspondences between concepts. A set of mappings is called alignment. In recent years several tools have been proposed as a valid solution to the problem of semantic heterogeneity. These tools identify nodes in two schemas, which are related syntactically or semantically. Ontology alignment tools have been generally developed to operate in database schemas, XML schemas, taxonomies, formal languages, entities relations models, dictionaries, thesauri, ontologies and other contexts labels. These are usually converted into a graph representation before the matching process. In the Semantic Web, graphs can be represented by RDF formats (Resource Description Framework). In this context, ontology alignment is sometimes been referred as "ontology matching". Ontology matching is a prerequisite for the activation of interoperability on the Semantic Web, as well as a useful tactic for some classical data integration tasks. The matches can be used in various tasks such as ontology merging and data translation. Thus, ontology matching enables the knowledge and data expressed in the matched ontologies to communicate. These give great value to the proper functioning and efficiency of ontology alignment tools. For this reason it is right to be frequent reviews of tools and their effects, under different circumstances and use cases. The evaluation of ontology alignment is practically achieved in two ways: (i) evaluating individual matchings and (ii) comparing the alignment with a reference alignment. This paper has the purpose to give a satisfactory picture of the performance and efficiency of five ontology alignment tools. As part of the work are being described, compared and evaluated the characteristics of the tools, the methods and the alignment results, while comparative observations are made with the results of the same tools in OAEI (Ontology Alignment Evaluation Initiative). Both ways of evaluating alignments are being used, while being counted and aware of the matches produced by every method from each tool and compared with a reference alignment, which was manually produced. The comparison of tools and algorithms on the same basis constitutes the way that allows everyone to produce own conclusions about the best matching techniques.

Η αυτόματη ταυτοποίηση εικόνων δακτυλικών αποτυπωμάτων αποτελεί ένα δύσκολο και πολυδιάστατο πρόβλημα, το οποίο έχει απασχολήσει πλήθος ερευνητών και για το οποίο έχει αναπτυχθεί μεγάλος αριθμός τεχνικών. Η δυσκολία του προβλήματος έγκειται στο γεγονός ότι οι εικόνες των αποτυπωμάτων είναι σε μεγάλο ποσοστό αλλοιωμένες ή ακόμα σε κάποιες περιπτώσεις δεν είναι διαθέσιμη η πλήρης εικόνα του αποτυπώματος, αλλά μόνο ένα μέρος αυτής. Στη συγκεκριμένη διατριβή, προτείνονται δύο μέθοδοι αυτόματης ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων: α) η μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων με χρήση τεχνικών ευθυγράμμισης και β) μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων από το συνδυασμό του Δικτύου Αυτό-Οργανούμενων Δικτύων του Kohonen και του ορισμού των σημείων μικρολεπτομερειών των αποτυπωμάτων ως νευρώνων του δικτύου. Επιπλέον, ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην προεπεξεργασία των εικόνων των δακτυλικών αποτυπωμάτων βάσει της ανάπτυξης και εφαρμογής κατάλληλων τεχνικών επεξεργασίας εικόνων προκειμένου να προκύψει βελτίωση της ποιότητας της εικόνας του δακτυλικού αποτυπώματος και να εξαχθούν οι μικρολεπτομέρειες που χρησιμοποιούνται για την ταύτιση των δακτυλικών αποτυπωμάτων. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα δακτυλικών αποτυπωμάτων από τις βάσεις VeriFingerSample_DB της Neurotechnology και η DB3 του διαγωνισμού δακτυλικών αποτυπωμάτων FVC2004. Για την ποσοτική αποτίμηση της απόδοσης των προτεινόμενων μεθόδων χρησιμοποιήθηκε το κριτήριο της Αναλογίας Ίσου Σφάλματος (EqualErrorRate – EER). Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό, η μέθοδος ταυτοποίησης δακτυλικών αποτυπωμάτων βάσει του Δικτύου Αυτό-Οργανούμενων Δικτύων παρείχε καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με οποιαδήποτε μέθοδο ευθυγράμμισης που εφαρμόστηκε. / Automatic Fingerprint Identification is a difficult and multidimensional problem. For this reason, the number of papers and techniques regarding this issue is numerous. The hardness of the problem lies with the fact that there is a large percentage of corrupted and partial fingerprint images. Throughout this Thesis, two methods were proposed for the Automatic Fingerprint Identification: a) the Automatic Fingerprint Identification based on registration techniques and b) the Automatic Fingerprint Identification based on the theory of Self Organizing Maps of Kohonen, setting the minutiae of the fingerprint images as input neurons of the Map. Furthermore, an important step prior to the application of the proposed automatic fingerprint identification methods is the pre-processing of these images by the development and implementation of a series of image processing techniques in order to enhance the image quality and to extract the minutiae which are then used for the fingerprint identification. In this Thesis, a substantial number of fingerprint images were used from the database VeriFingerSample_DB kai from the database DB3 of the competition FVC2004. The quantitative evaluation of both proposed automatic fingerprint identification methods were based on the Equal Error Rate (EER) criterion. According to this, the Automatic Fingerprint Identification based on the Self Organizing Maps outperformed against any other method based on registration techniques.