Uma etapa de suma importância na análise automática de imagens é a segmentação, que procura dividir uma imagem em regiões cujos pixels exibem um certo grau de similaridade. Uma característica que provê similaridade entre pixels de uma mesma região é a textura, formada geralmente pela combinação aleatória de suas intensidades. Muitos trabalhos vêm sendo realizados com o intuito de estudar técnicas não-supervisionadas de segmentação de imagens por modelos estocásticos, definindo texturas como campos aleatórios de Markov. Um método com esta abordagem que se destaca é o EM/MPM, um algoritmo iterativo que combina a técnica EM para realizar uma estimação de parâmetros por máxima verossimilhança com a MPM, utilizada para segmentação pela minimização do número de pixels erroneamente classificados. Este trabalho desenvolveu um estudo sobre a modelagem e a implementação do algoritmo EM/MPM, juntamente com sua abordagem multiresolução. Foram propostas uma estimação inicial de parâmetros por limiarização e uma combinação com o algoritmo de Annealing. Foi feito também um estudo acerca da validação de classes, ou seja, a busca pelo número de regiões diferentes na imagem, mostrando as principais técnicas encontradas na literatura e propondo uma nova abordagem, baseada na distribuição dos níveis de cinza das classes. Por fim, foi desenvolvida uma extensão do modelo para a segmentação de malhas em duas e três dimensões. / An important stage of the automatic image analysis process is segmentation, that aims to split an image into regions whose pixels exhibit a certain degree of similarity. Texture is known as an efficient feature that provides enough discriminant power to differenciate pixels from distinct regions. It is usually defined as a random combination of pixel intensities. A considerable amount of researches has been done on non-supervised techniques for image segmentation based on stochastic models, in which texture is defined as Markov Random Fields. Such an important method in this category is the EM/MPM, an iterative algorithm that combines the maximum-likelihood parameter estimation model EM with the MPM segmentation algorithm, whose aim is to minimize the number of misclassified pixels in the image. This work has carried out a study on stochastic models for segmentation and shows an implementation for the EM/MPM algorithm, together with a multiresolution approach. A new threshold-based scheme for the estimation of initial parameters for the EM/MPM model has been proposed. This work also shows how to incorporate the concept of annealing to the current EM/MPM algorithm in order to improve segmentation. Additionally, a study on the class validity problem (search for the correct number of classes) has been done, showing the most important techniques available in the literature. As a consequence, a gray level distribution-based approach has been devised. Finally, the work shows an extension of the traditional EM/MPM technique for segmenting 2D and 3D meshes.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-02-24T13:58:39Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Daniela de Oliveira Albanez - 2017.pdf: 10127114 bytes, checksum: 4c037243629d84539257a8febc621fa8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-02-24T13:59:39Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Daniela de Oliveira Albanez - 2017.pdf: 10127114 bytes, checksum: 4c037243629d84539257a8febc621fa8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-24T13:59:39Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Daniela de Oliveira Albanez - 2017.pdf: 10127114 bytes, checksum: 4c037243629d84539257a8febc621fa8 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-02-15 / Image segmentation is one of image processing that problems that deserve special interest of the scientific community, given its real utility and application in various areas as medicine, geography, engineering, mathematics and computing, just to name a few. Much of the recent interest in segmentation has been motivated by the availability of satellite images on the Earth’s surface, which can be transformed into concrete knowledge, aiming at land use monitoring and data mining. This work proposes a new segmentation method, using Arficial Intelligence techniques, more specifically Artificial Neural Networks (ANNs), and compare its results of segmentation of satellite images with the original method. The binarized results are compared with the ground truth for the validation of the proposed segmentation method. Experimental results, quantative analysis of segmentation results, indicating that the proposed segmentation method generates better results and a decaying of 36.60% in the total average computacional time when compared with the original method. / Segmentação de Imagens é um dos problemas de processamento de imagens que mercê especial interesse da comunidade científica, tendo em vista sua real utilidade e aplicação em várias áreas do conhecimento como a medicina, geografia, engenharia, matemática e computação, só para citar algumas. Grande parte do interesse recente sobre segmentação foi motivado pela disponibilidade de imagens de satélite sobre a superfície da Terra, que podem ser transformadas em conhecimento concreto, visando o monitoramento e a mineração do uso da terra. Este trabalho propõe um novo método de segmentação, através de técnicas de Inteligência Artificial, mais especificamente pelas Redes Neurais Artificiais (RNA’s), e compara seus resultados de segmentação de imagens de satélite com o método original descrito na literatura. Os resultados binarizados são comparados com o ground truth para a validação do método de segmentação proposto. Resultados experimentais, realizados através da analise quantitativa dos resultados de segmentação, indicam que o método de segmentação proposto produz melhores resultados e uma redução média total do desempenho computacional de 36.60% em relação ao método original.

A segmentação de imagens e, em visão computacional, uma tarefa de grande importância, para a qual existem várias abordagem. A complexidade de tais abordagens está relacionada à natureza da imagem e também ao grau de precisão da segmentação, que e um conceito bastante subjetivo, normalmente associado a semelhança que apresenta a segmentaçã produzida pela visão humana. Na segmentação de imagens baseada em algoritmos de agrupamento em grafos, geralmente os pixels da imagem compôem os nós do grafo e as arestas representam a similaridade entre estes nós. Assim, a segmentação pode ser obtida por meio do agrupamento dos nós do grafo. É importante salientar, no entanto, que as técnicas de agrupamento em grafos surgiram no contexto de reconhecimento de padrões, cujo objetivo primario era o tratamento de dados diversos que não envolviam imagens. O uso de tais tecnicas para a segmentação de imagens e relativamente recente e revela alguns problemas desaadores. O primeiro deles é a deficiente escalabilidade de alguns métodos, o que impede o seu uso efetivo em imagens de altas dimensões. Outra questão é a falta de estudos que avaliam as medidas de similaridade na montagem do grafo e critérios que aferem a qualidade do agrupamento para a área específica de segmentação de imagens. Em outras palavras, faltam na literatura análises mais específicas que indiquem quais algoritmos de agrupamento em grafos são mais efetivos para a segmentação de imagens e que procurem associar (ou correlacionar) as várias medidas de similaridade e métricas de qualidade de agrupamento que produzam segmentações mais precisas. Neste trabalho é apresentada a avaliação de 6 algoritmos de agrupamento em grafos formulados em base a 3 categorias identificadas (agrupamento espectral, algoritmos de particionamento multinível e algoritmos para detectar comunidades) e aplicadas na segmentação automática de imagens de cenas naturais com grandes dimensões. Esta avaliação objetiva aferir, sobretudo, a qualidade da segmentação, a escalabilidade, o desempenho de 7 funções de similaridade formuladas, e também visa corroborar a existência da correlação entre a qualidade do agrupamento e a qualidade da segmentação. Para reduzir o esforço computacional e contribuir com a escalabilidade dos algoritmos formulados é utilizado um algoritmo de pré-processamento (SLIC) que agrupa váarios pixels da imagem em uma unica região (superpixels), o que contribui para reduzir o tamanho do grafo e, consequentemente, reduzindo o custo computacional do agrupamento. Os resultados demostram que os algoritmos formulados LP (Label Propagation) e FG (Fast Greedy) apresentam boa escalabilidade e boa qualidade de segmentação. Seis das sete funções de similaridade avaliadas apresentam um bom desempenho, independentemente do algoritmo de agrupamento empregado. É mostrado também que exites correlação entre a medida de qualidade de agrupamento conhecido como índice de silhueta e a qualidade de segmentação, ou seja, quanto maior o valor de silhueta, melhor a segmentação. A qualidade de segmentação foi avaliada quantitativamente, utilizando-se um conjunto de imagens segmentadas manualmente / Image segmentation is an important task within computer vision for which many approaches are available. The complexity of such approaches are intrinsically related with the nature of the image and also the desired accuracy aimed at. Image segmentation accuracy, however, is a subjective concept and is normally associated with how much it resembles segmentation produced by the human vision system. In graphbased clustering image segmentation algorithms, pixels are normally represented as nodes and edges convey the similarity between such nodes. Hence, segmentation may be attained by means of grouping node of a graph. It is important, though, to point out that graph-based clustering techniques rst appeared in the context of pattern recognition and its primary data source were not images. The usage of such techniques for image segmentation is a recent trend and poses some challenge issues. The first is the poor scalability that many methods exhibit, impairing its application in images of larger dimensions. Another issues is that lack of studies that assess the goodness of similarity measures employed in graph computation and also clustering quality criteria assessments for the specic area of image processing. In other words, there is no evidences in the literature on how effective graph-based clustering algorithms are for image segmentation and no studies that associate similarity functions and clustering quality metrics with image processing quality. This work presents an evaluation of six graph-based clustering algorithms according to three major categories found in the literature (spectral clustering, multi layer partitioning algorithms and community detectors) applied to automatic segmentation of image of larger dimensions. This evaluation takes into account segmentation quality, scalability, the performance of seven similarity functions and, nally, bring some insights on the correlation between clustering and segmentation quality. To reduce computational costs and enhance scalability of the methods we employ a pre processing algorithm (SLIC) which combines many pixels into one single region (superpixel). This contributes to reduce the graph size and, consequently, the cost of clustering. Results have shown that the LP (Label Propagation) and FG (Fast Greedy) algorithms exhibit good scalability and good segmentation. Six out of the seven similarity functions presented good performance, regardless the clustering algorithm. We also have shown that there is correlation between clustering quality and image segmentation quality, when the Silhouette measure is employed. That is, the higher the Silhouette values, the better the segmentation. Image segmentation quality has been quantitatively assessed by means of ground-truth data or user segmented images

Orientador: Yuzo Iano / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T04:20:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_ClaudioCesarSilvade_M.pdf: 6956740 bytes, checksum: a8ec8ed0154572009885ad4f604698e0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Está cada vez mais claro como a tecnologia biométrica tem se tornado mais presente no cotidiano das pessoas e tema de interesse de grupos de pesquisa ao redor do mundo. Isso é refletido pela grande quantidade de trabalhos existentes na área e muitos investimentos comerciais. Tecnologias biométricas são basicamente sistemas com capacidade de identificar e verificar a identidade de um indivíduo por meio de uma característica física ou comportamental. Esse trabalho propõe um estudo sobre o reconhecimento das linhas palmares que utiliza a análise de componentes principais como método de reconhecimento. A motivação para esse estudo está na importância de melhorar os métodos existentes de biometria, visto que ainda não existe uma técnica livre de erros ou falsificações. Este estudo é importante pois irá apresentar a aplicação do PCA para a detecção das linhas palmares utilizando uma técnica simples de limiarização adaptativa para extrair as informações biométricas da imagem palmar. Os resultados dessa pesquisa mostraram que o PCA apresentou um desempenho superior quando utilizamos a limiarização adaptativa para a extração das linhas principais da palma da mão. Conclui-se que essa modalidade biométrica apresenta um bom potencial para ser utilizada como medida de identificação e verificação de um usuário. Contudo, é necessário que sejam utilizados os algoritmos de processamento adequados, assim como, deve-se levar em consideração a qualidade e resolução da imagem, o tipo de processamento e o custo computacional necessário / Abstract: It is easy to identify how biometric technology has become more present in daily life as it has become the subject of interest from research groups around the world. This reality is a result of a large amount of existing work in the area and many commercial investments. Biometric technologies are basically systems developed in order to identify and verify the identity of an individual through a physical or behavioral characteristic. This work proposes a study on palmprint recognition using PCA and local adaptive thresholding. The motivation for this study is the importance of improving existing methods of biometric systems, since there is no technique completely safe against fails or steals. This is a simple technique used in order to facilitate the development of a palmprint recognition system using simple methods to be applied in different systems, such as embedded systems. The results of this research showed that the PCA reached superior performance when using adaptive thresholding to extract the lines from the palmprint. We conclude that the biometric modality proposed in this study has a good potential to be used in identification and verification of a user. However, it is necessary to use the appropriate algorithm in image processing in order to extract as much information as possible. Additionally, it is necessary to consider the image resolution, and the hardware and computational cost involved in the method proposed / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Over the past decades, Fourier Transform Infrared (FTIR) microspectroscopy has emerged as a potential candidate to complement Histopathology in the study and diagnosis of tissue diseases. Contrary to the histological examination, which relies on the morphological tissue alterations assessed by visual inspection of stained samples, FTIR chemical imaging is a rapid and label-free tool that provide simultaneously information about histological structures as well as the localisation and magnitude of basic molecular units that compose tissue sections (proteins, nucleic acids, lipids, and carbohydrates). Despite the many proof-of-concept studies demonstrating the effectiveness of FTIR spectroscopy in detecting biological disorders with high levels of sensitivity and specificity, translation into clinical practice has been relatively slow due to the substantial cost of infrared transparent substrates required to collect the images. Thus, the main objective of this research is to evaluate the diagnostic potential of infrared chemical images collected from samples placed on conventional histology glass slides as alternative substrates for FTIR spectroscopy. Swiss mice were submitted to a well-established chemical carcinogenesis protocol, in which cancerous and non-cancerous cutaneous lesions were obtained by varying the exposure time of the animals to carcinogenenic factors. FTIR hyperspectral images were acquired in transmission mode over the mid-infrared region from tissue specimens placed on conventional infrared substrates (calcium fluoride - CaF2) and glass slides. In the first phase of our study, spectral datasets were segmented using k-means (KMCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA) as clustering algorithms to reconstruct the hyperspectral images aiming to evaluate the ability of the false-color maps in reproducing the histological structures of tissue specimens. The images were segmented by each clustering technique using several different combinations varying parameters including the substrate used to place the samples (CaF2 or conventional glass) and the methods employed to preprocess the datasets. Fingerprint (1000-1800 cm-1) and high wavenumber (3100-4000 cm-1) regions from images collected on CaF2 were separately used as input for image reconstruction and only the high wavenumber range was employed in the case of samples placed on glass. All pseudocolor maps were compared to standard histopathology in order to evaluate the quality and consistency of images after segmentation. KMCA presented slightly superior ability in correctly assigning the pixels of morphochemical maps to the histological structures of the specimen, nevertheless, our findings indicate that the choice of the substrate, input data, preprocessing methods, and sample preparation have more influence in the final results than the clustering algorithm used to reconstruct the images. In the second phase of our study, Principal Component Analysis (PCA) was employed to compare datasets from healthy group to animals exposed to chemicals for 8, 16, and 48 weeks in order to evaluate the biochemical changes induced by chemical carcinogenesis. The performance of classification in each pairwise comparison was calculated using a binary classification test based on Linear Discriminant Analysis associated to PCA (PC-LDA). The method achieved satisfactory discrimination (over 80%) comparing healthy tissue to samples that were classified as papilloma (16 weeks) and invasive squamous cell carcinoma (48 weeks) regardless of the substrate used to place the samples. Statistical measurements obtained comparing healthy skin to animals exposed to carcinogenic factors for 8 weeks (free of malignancy based on the morphological and clinical evidence) ranged from 35-78%, indicating that the ability of PC-LDA in correctly classifying spectral data from cancerous and pre-cancerous lesions vary with the stage of the disease during the tumorigenesis process. Thus, as a proof-of-concept, we demonstrate the feasibility of FTIR spectroscopy in evaluating the biological events triggered by cancer using a label-free methodology that do not rely on expensive substrates and do not disrupt the pathologist workflow. This is a major step forward towards clinical application, since the method can be used to complement the diagnostic process of cancer as a non-subjective alternative that do not require laborious and time-consuming procedures nor expensive probes as biomarkers. / Nas últimas décadas, a microespectroscopia de absorção no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) tem surgido como potencial ferramenta para complementar a Histopatologia no estudo e diagnóstico de doenças teciduais. Ao contrário do exame histológico, que se baseia na inspeção visual de amostras coradas visando avaliar as alterações morfológicas que as doenças ocasionam no tecido, o imageamento químico obtido pela técnica de FTIR baseia-se nas características bioquímicas da amostra sem o uso de colorações. Apesar da vasta literatura comprovando a eficácia da espectroscopia FTIR em detectar alterações biológicas causadas por doenças com altos níveis de sensibilidade e especificidade, a implementação do método na prática clínica tem sido relativamente lenta devido ao alto custo dos substratos transparentes no infravermelho que são necessários para aquisição de dados. Diante disso, o objetivo principal do presente trabalho é avaliar a capacidade diagnóstica de imagens hiperespectrais coletadas de amostras em lâminas de vidro como substratos alternativos para a espectroscopia FTIR. Camundongos Swiss foram submetidos a um protocolo de carcinogênese química, no qual lesões cutâneas cancerosas e não-cancerosas foram obtidas variando-se o tempo de exposição dos animais aos fatores carcinogênicos. Imagens hiperespectrais FTIR foram adquiridas no modo de transmissão na região do infravermelho médio a partir de amostras de tecido depositadas em substratos transparentes no infravermelho (fluoreto de cálcio - CaF2) e vidro convencional. Na primeira fase de nosso estudo, os dados espectrais foram segmentados usando as técnicas estatísticas k-means (KMCA) e Análise Hierárquica de Clusters (HCA) como algoritmos de agrupamento para reconstruir as imagens hiperespectrais com o objetivo de avaliar a capacidade dos mapas de cores falsas em reproduzir as estruturas histológicas das amostras de tecido. As imagens foram segmentadas por cada técnica de agrupamento variando-se o substrato usado para colocar as amostras (CaF2 ou vidro convencional) assim como os métodos de tratamento utilizados para pré-processamento dos dados. As regiões de impressão digital (1000-1800 cm-1) e de altos números de onda (3100-4000 cm-1) das imagens coletadas em CaF2 foram usadas separadamente como dados de entrada para a reconstrução das imagens, enquanto apenas a faixa de altos números de onda foi utilizada no caso de amostras colocadas em vidro. Ao fim do processo de segmentação os mapas de cores falsas obtidos foram comparados com a Histopatologia padrão a fim de avaliar a qualidade e consistência das imagens. Os resultados obtidos pela técnica de KMCA foram ligeiramente superiores com relação a HCA na identificação de pixels dos mapas morfo-quimicos correspondentes às estruturas histológicas da amostra. No entanto, nossos achados indicam que a escolha do substrato, dados de entrada, métodos de pré-processamento e preparação de amostras têm mais influência nos resultados finais do que o algoritmo de agrupamento usado para reconstruir as imagens. Na segunda fase do nosso estudo, a Análise de Componentes Principais (PCA) foi empregada para comparar os dados do grupo saudável aos animais expostos aos produtos carcinogênicos por 8, 16 e 48 semanas a fim de avaliar as alterações bioquímicas induzidas pela carcinogênese química. O desempenho da classificação em cada comparação pareada foi calculado usando um teste de classificação binária baseado na Análise de Discriminante Linear associada à técnica de PCA (PC-LDA). O método obteve discriminação satisfatória (acima de 80%) comparando tecido saudável com as amostras que foram classificadas como papiloma (16 semanas) e carcinoma espinocelular invasivo (48 semanas) independentemente do substrato usado para colocar as amostras. A comparação de pele saudável com animais expostos aos fatores carcinogênicos por 8 semanas (livres de malignidade de acordo com as evidências clínicas e morfológicas) apresentou figuras de performance cujos valores variaram entre 35-78%, indicando que a habilidade da técnica de PC-LDA em classificar corretamente dados espectrais de lesões cancerosas e pré-cancerosas variam com o estádio da doença durante o processo de tumorigênese. Diante disso, como uma prova de conceito, demonstramos a viabilidade da espectroscopia FTIR na avaliação dos eventos biológicos desencadeados pelo câncer usando uma metodologia que não requer colorações e substratos caros, assim como não interrompe/altera o fluxo de trabalho atual do patologista. Este é um passo importante na implementação da tecnologia no ambiente clínico, uma vez que o método pode ser usado para complementar o processo de diagnóstico do câncer como uma alternativa não-subjetiva e que não requer procedimentos trabalhosos e demorados, nem sondas caras como biomarcadores.

Image segmentation is an essential tool to enhance the ability of computer systems to efficiently perform elementary cognitive tasks such as detection, recognition and tracking. In this thesis we concentrate on the investigation of two fundamental topics in the context of image segmentation: spectral clustering and seeded image segmentation. We introduce two new algorithms for those topics that, in summary, rely on Laplacian-based operators, spectral graph theory, and minimization of energy functionals. The effectiveness of both segmentation algorithms is verified by visually evaluating the resulting partitions against state-of-the-art methods as well as through a variety of quantitative measures typically employed as benchmark by the image segmentation community. Our spectral-based segmentation algorithm combines image decomposition, similarity metrics, and spectral graph theory into a concise and powerful framework. An image decomposition is performed to split the input image into texture and cartoon components. Then, an affinity graph is generated and weights are assigned to the edges of the graph according to a gradient-based inner-product function. From the eigenstructure of the affinity graph, the image is partitioned through the spectral cut of the underlying graph. Moreover, the image partitioning can be improved by changing the graph weights by sketching interactively. Visual and numerical evaluation were conducted against representative spectral-based segmentation techniques using boundary and partition quality measures in the well-known BSDS dataset. Unlike most existing seed-based methods that rely on complex mathematical formulations that typically do not guarantee unique solution for the segmentation problem while still being prone to be trapped in local minima, our segmentation approach is mathematically simple to formulate, easy-to-implement, and it guarantees to produce a unique solution. Moreover, the formulation holds an anisotropic behavior, that is, pixels sharing similar attributes are preserved closer to each other while big discontinuities are naturally imposed on the boundary between image regions, thus ensuring better fitting on object boundaries. We show that the proposed approach significantly outperforms competing techniques both quantitatively as well as qualitatively, using the classical GrabCut dataset from Microsoft as a benchmark. While most of this research concentrates on the particular problem of segmenting an image, we also develop two new techniques to address the problem of image inpainting and photo colorization. Both methods couple the developed segmentation tools with other computer vision approaches in order to operate properly. / Segmentar uma image é visto nos dias de hoje como uma prerrogativa para melhorar a capacidade de sistemas de computador para realizar tarefas complexas de natureza cognitiva tais como detecção de objetos, reconhecimento de padrões e monitoramento de alvos. Esta pesquisa de doutorado visa estudar dois temas de fundamental importância no contexto de segmentação de imagens: clusterização espectral e segmentação interativa de imagens. Foram propostos dois novos algoritmos de segmentação dentro das linhas supracitadas, os quais se baseiam em operadores do Laplaciano, teoria espectral de grafos e na minimização de funcionais de energia. A eficácia de ambos os algoritmos pode ser constatada através de avaliações visuais das segmentações originadas, como também através de medidas quantitativas computadas com base nos resultados obtidos por técnicas do estado-da-arte em segmentação de imagens. Nosso primeiro algoritmo de segmentação, o qual ´e baseado na teoria espectral de grafos, combina técnicas de decomposição de imagens e medidas de similaridade em grafos em uma única e robusta ferramenta computacional. Primeiramente, um método de decomposição de imagens é aplicado para dividir a imagem alvo em duas componentes: textura e cartoon. Em seguida, um grafo de afinidade é gerado e pesos são atribuídos às suas arestas de acordo com uma função escalar proveniente de um operador de produto interno. Com base no grafo de afinidade, a imagem é então subdividida por meio do processo de corte espectral. Além disso, o resultado da segmentação pode ser refinado de forma interativa, mudando-se, desta forma, os pesos do grafo base. Experimentos visuais e numéricos foram conduzidos tomando-se por base métodos representativos do estado-da-arte e a clássica base de dados BSDS a fim de averiguar a eficiência da metodologia proposta. Ao contrário de grande parte dos métodos existentes de segmentação interativa, os quais são modelados por formulações matemáticas complexas que normalmente não garantem solução única para o problema de segmentação, nossa segunda metodologia aqui proposta é matematicamente simples de ser interpretada, fácil de implementar e ainda garante unicidade de solução. Além disso, o método proposto possui um comportamento anisotrópico, ou seja, pixels semelhantes são preservados mais próximos uns dos outros enquanto descontinuidades bruscas são impostas entre regiões da imagem onde as bordas são mais salientes. Como no caso anterior, foram realizadas diversas avaliações qualitativas e quantitativas envolvendo nossa técnica e métodos do estado-da-arte, tomando-se como referência a base de dados GrabCut da Microsoft. Enquanto a maior parte desta pesquisa de doutorado concentra-se no problema específico de segmentar imagens, como conteúdo complementar de pesquisa foram propostas duas novas técnicas para tratar o problema de retoque digital e colorização de imagens.

O emprego de sistemas computacionais na Agricultura de Precisão (AP) fomenta a automação de processos e tarefas aplicadas nesta área, precisamente voltadas à inspeção e análise de culturas agrícolas, e locomoção guiada/autônoma de robôs móveis. Neste contexto, no presente trabalho foi proposta a aplicação de técnicas de visão computacional nas tarefas citadas, desenvolvidas em abordagens distintas, a serem aplicadas em uma plataforma de robô móvel agrícola, em desenvolvimento no NEPAS/EESC/USP. Para o problema de locomoção do robô (primeira abordagem), foi desenvolvida uma arquitetura de aquisição, processamento e análise de imagens com o objetivo de segmentar, classificar e reconhecer padrões de navegação das linhas de plantio, como referências de guiagem do robô móvel, entre plantações de laranja, milho e cana. Na segunda abordagem, tais técnicas de processamento de imagens são aplicadas também na inspeção e localização das culturas laranja (primário) e milho (secundário), para análise de suas características naturais, localização e quantificação. Para as duas abordagens, a estratégia adotada nas etapas de processamento de imagens abrange: filtragem no domínio espacial das imagens adquiridas; pré-processamento nos espaços de cores RGB e HSV; segmentação não supervisionada JSEG customizada à quantização de cores em regiões não homogêneas nestes espaços de cores; normalização e extração de características dos histogramas das imagens pré-processadas para os conjuntos de treinamento e teste através da análise das componentes principais; reconhecimento de padrões e classificação cognitiva e estatística. A metodologia desenvolvida contemplou bases de dados para cada abordagem entre 700 e 900 imagens de cenas naturais sob condições distintas de aquisição, apresentando resultados significativos quanto ao algoritmo de segmentação nas duas abordagens, mas em menor grau em relação à localização de gramíneas, sendo que os milhos requerem outras técnicas de segmentação, que não aplicadas apenas em quantização de regiões não homogêneas. A classificação estatística, Bayes e Bayes Ingênuo, mostrou-se superior à cognitiva RNA e Fuzzy nas duas abordagens, e posterior construção dos mapas de classe no espaço de cores HSV. Neste mesmo espaço de cores, a quantificação e localização de frutos apresentaram melhores resultados que em RGB. Com isso, as cenas naturais nas duas abordagens foram devidamente processadas, de acordo com os materiais e métodos empregados na segmentação, classificação e reconhecimento de padrões, fornecendo características intrínsecas e distintas das técnicas de visão computacional propostas a cada abordagem. / The use of computer systems in Precision Agriculture (PA) promotes the processes automation and its applied tasks, specifically the inspection and analysis of agricultural crops, and guided/autonomous locomotion of mobile robots. In this context, it was proposed in the present work the application of computer vision techniques on such mentioned tasks, developed in different approaches, to be applied in an agricultural mobile robot platform, under development at NEPAS/EESC/USP. For agricultural mobile robot locomotion, an architecture for the acquisition, image processing and analysis was built, in order to segment, classify and recognize patterns of planting rows, as references way points for guiding the mobile robot. In the second approach, such image processing techniques were applied also in the inspection and location of the orange crop (primary) and maize crop (secondary) aiming its natural features, location and quantification. For both mentioned approaches, the adopted image processing steps include: filtering in the spatial domain for acquired images; pre-processing in RGB and HSV color spaces; JSEG unsupervised segmentation algorithm, applied to color quantization in non-homogeneous regions; normalization and histograms feature extraction of preprocessed images for training and test sets, fulfilled by the principal components analysis (PCA); pattern recognition and cognitive and statistical classification. The developed methodology includes sets of 700 and 900 images databases for each approach of natural scenes under different conditions of acquisition, providing great results on the segmentation algorithm, but not as appropriate as in the location of maize grass, considering other segmentation techniques, applied not only in the quantization of non-homogeneous regions. Statistical classification, Bayes and Naive Bayes, outperforms the cognitives Fuzzy and ANN on two approaches and subsequent class maps construction in HSV color space. Quantification and localization of fruits had more accurate results in HSV than RGB. Thus, natural scenes in two approaches were properly processed, according to the materials and methods employed in segmentation, classification and pattern recognition, providing intrinsic and different features of the proposed computer vision techniques to each approach.

Este trabalho apresenta uma proposta de metodologia de estimação de idade óssea baseada em características métricas, utilizando o banco de imagens carpais da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). As imagens foram devidamente segmentadas para obtenção da área, perímetro e comprimento de cada osso, gerando, assim, um banco de dados métricos o CarpEven. As informações da base métrica CarpEven foram submetidas a dois mineradores de dados: ao StARMiner, (Statistical Association Rules) uma metodologia de mineração de dados criada por um grupo de pesquisadores do ICMC-USP, e ao Weka (Waikato Environment for Knowledge Analysis), desenvolvido pela Universidade Waikato da Nova Zelândia. As informações foram submetidas a classificadores neurais, contribuindo, assim, para a criação de uma nova metodologia de estimação de idade óssea. Finalmente, é feita uma comparação entre os resultados obtidos e os resultados já alcançados por outras pesquisas. / This work presents a methodology for bone age estimation based on metric characteristics using the carpal images database from Engineering School of São Carlos (EESC-USP). The images were properly segmented to obtain the area, perimeter and length of each bone, thus generating a metric database named CarpEven. The database information were submitted to two data miners: the StarMiner (Statistical Association Rules Miner) a methodology for data mining created by a group of researchers from ICMC-USP, and the Weka (Waikato Environment for Knowledge Analysis), developed by the University of Waikato in New Zealand. The information was submitted to the neural classifiers contributing to the creation of a new methodology for bone age estimation. The results are compared with those obtained by others research.

Plâncton são organismos microscópicos que constituem a base da cadeia alimentar de ecossistemas aquáticos. Eles têm importante papel no ciclo do carbono pois são os responsáveis pela absorção do carbono na superfície dos oceanos. Detectar, estimar e monitorar a distribuição das diferentes espécies são atividades importantes para se compreender o papel do plâncton e as consequências decorrentes de alterações em seu ambiente. Parte dos estudos deste tipo é baseada no uso de técnicas de imageamento de volumes de água. Devido à grande quantidade de imagens que são geradas, métodos computacionais para auxiliar no processo de análise das imagens estão sob demanda. Neste trabalho abordamos o problema de identificação da espécie. Adotamos o pipeline convencional que consiste dos passos de detecção de alvo, segmentação (delineação de contorno), extração de características, e classificação. Na primeira parte deste trabalho abordamos o problema de escolha de um algoritmo de segmentação adequado. Uma vez que a avaliação de resultados de segmentação é subjetiva e demorada, propomos um método para avaliar algoritmos de segmentação por meio da avaliação da classificação no final do pipeline. Experimentos com esse método mostraram que algoritmos de segmentação distintos podem ser adequados para a identificação de espécies de classes distintas. Portanto, na segunda parte do trabalho propomos um método de classificação que leva em consideração múltiplas segmentações. Especificamente, múltiplas segmentações são calculadas e classificadores são treinados individualmente para cada segmentação, os quais são então combinados para construir o classificador final. Resultados experimentais mostram que a acurácia obtida com a combinação de classificadores é superior em mais de 2% à acurácia obtida com classificadores usando uma segmentação fixa. Os métodos propostos podem ser úteis para a construção de sistemas de identificação de plâncton que sejam capazes de se ajustar rapidamente às mudanças nas características das imagens. / Plankton are microscopic organisms that constitute the basis of the food chain of aquatic ecosystems. They have an important role in the carbon cycle as they are responsible for the absorption of carbon in the ocean surfaces. Detecting, estimating and monitoring the distribution of plankton species are important activities for understanding the role of plankton and the consequences of changes in their environment. Part of these type of studies is based on the analysis of water volumes by means of imaging techniques. Due to the large quantity of generated images, computational methods for helping the process of image analysis are in demand. In this work we address the problem of species identification. We follow the conventional pipeline consisting of target detection, segmentation (contour delineation), feature extraction, and classification steps. In the first part of this work we address the problem of choosing an appropriate segmentation algorithm. Since evaluating segmentation results is a subjective and time consuming task, we propose a method to evaluate segmentation algorithms by evaluating the classification results at the end of the pipeline. Experiments with this method showed that distinct segmentation algorithms might be appropriate for identifying species of distinct classes. Therefore, in the second part of this work we propose a classification method that takes into consideration multiple segmentations. Specifically, multiple segmentations are computed and classifiers are trained individually for each segmentation, which are then combined to build the final classifier. Experimental results show that the accuracy obtained with the combined classifier is superior in more than 2% to the accuracy obtained with classifiers using a fixed segmentation. The proposed methods can be useful to build plankton identification systems that are able to quickly adjust to changes in the characteristics of the images.

A possibilidade de armazenamento de imagens no formato digital favoreceu a evolução de diversos ramos de atividades, especialmente as áreas de pesquisa e clínica médica. Ao mesmo tempo, o volume crescente de imagens armazenadas deu origem a um problema de relevância e complexidade consideráveis: a Recuperação de Imagens Baseada em Conteúdo, que, em outras palavras, diz respeito à capacidade de um sistema de armazenamento processar operações de consulta de imagens a partir de características visuais, extraídas automaticamente por meio de métodos computacionais. Das principais questões que constituem este problema, amplamente conhecido pelo termo CBIR - Content-Based Image Retrieval, fazem parte as seguintes: Como interpretar ou representar matematicamente o conteúdo de uma imagem? Quais medidas que podem caracterizar adequadamente este conteúdo? Como recuperar imagens de um grande repositório utilizando o conteúdo extraído? Como estabelecer um critério matemático de similaridade entre estas imagens? O trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese busca, exatamente, responder perguntas deste tipo, especialmente para os domínios de imagens médicas e da biologia genética, onde a demanda por sistemas computacionais que incorporam técnicas CBIR é consideravelmente alta por diversos motivos. Motivos que vão desde a necessidade de se buscar informação visual que estava até então inacessível pela falta de anotações textuais, até o interesse em poder contar com auxílio computacional confiável para a importante tarefa de diagnóstico clínico. Neste trabalho são propostos métodos e soluções inovadoras para o problema de segmentação e extração de características de imagens médicas e imagens de padrões espaciais de expressão genética. A segmentação é o processo de delimitação automático de regiões de interesse da imagem que possibilita uma caracterização bem mais coerente do conteúdo visual, comparado com as tradicionais técnicas de caracterização global e direta da imagem. Partindo desta idéia, as técnicas de extração de características desenvolvidas neste trabalho empregam métodos adaptativos de segmentação de imagens e alcançam resultados excelentes na tarefa de recuperação baseada em conteúdo / Storing images in digital format has supported the evolution of several branches of activities, specially the research area and medical clinic. At the same time, the increasing volume of stored images has originated a topic of considerable relevance and complexity: the Content- Based Imagem Retrieval, which, in other works, is related to the ability of a computational system in processing image queries based on visual features automatically extracted by computational methods. Among the main questions that constitute this issue, widely known as CBIR, are these: How to mathematically express image content? What measures can suitably characterize this content? How to retrieve images from a large dataset employing the extracted content? How to establish a mathematical criterion of similarity among the imagens? The work developed and presented in this thesis aims at answering questions like those, especially for the medical images domain and genetical biology, where the demand for computational systems that embody CBIR techniques is considerably high for several reasons. Reasons that range from the need for retrieving visual information that was until then inaccessible due to the lack of textual annotations, until the interest in having liable computational support for the important task of clinical diagnosis. In this work are proposed innovative methods and solutions for the problem of image segmentation and feature extraction of medical images and images of gene expression patterns. Segmentation is the process that enables a more coherent representation of image?s visual content than that provided by traditional methods of global and direct representation. Grounded in such idea, the feature extraction techniques developed in this work employ adaptive image segmentation methods, and achieve excellent results on the task of Content-Based Image Retrieval