Many real-world datasets have spatial components that provide valuable information about characteristics of the data. In this dissertation, a novel framework for adaptive models that exploit spatial information in data is proposed. The proposed framework is mainly based on development and applications of Gaussian processes. First, a supervised learning method is proposed for the classification of hyperspectral data with spatially adaptive model parameters. The proposed algorithm models spatially varying means of each spectral band of a given class using a Gaussian process regression model. For a given location, the predictive distribution of a given class is modeled by a multivariate Gaussian distribution with spatially adjusted parameters obtained from the proposed algorithm. The Gaussian process model is generally regarded as a good tool for interpolation, but not for extrapolation. Moreover, the uncertainty of the predictive distribution increases as the distance from the training instances increases. To overcome this problem, a semi-supervised learning algorithm is presented for the classification of hyperspectral data with spatially adaptive model parameters. This algorithm fits the test data with a spatially adaptive mixture-of-Gaussians model, where the spatially varying parameters of each component are obtained by Gaussian process regressions with soft memberships using the mixture-of-Gaussian-processes model. The proposed semi-supervised algorithm assumes a transductive setting, where the unlabeled data is considered to be similar to the training data. This is not true in general, however, since one may not know how many classes may existin the unexplored regions. A spatially adaptive nonparametric Bayesian framework is therefore proposed by applying spatially adaptive mechanisms to the mixture model with infinitely many components. In this method, each component in the mixture has spatially adapted parameters estimated by Gaussian process regressions, and spatial correlations between indicator variables are also considered. In addition to land cover and land use classification applications based on hyperspectral imagery, the Gaussian process-based spatio-temporal model is also applied to predict ground-based aerosol optical depth measurements from satellite multispectral images, and to select the most informative ground-based sites by active learning. In this application, heterogeneous features with spatial and temporal information are incorporated together by employing a set of covariance functions, and it is shown that the spatio-temporal information exploited in this manner substantially improves the regression model. The conventional meaning of spatial information usually refers to actual spatio-temporal locations in the physical world. In the final chapter of this dissertation, the meaning of spatial information is generalized to the parametrized low-dimensional representation of data in feature space, and a corresponding spatial modeling technique is exploited to develop a nearest-manifold classification algorithm. / text

Ιατρικές έρευνες έχουν δείξει ότι η ανδρική υπογονιμότητα σχετίζεται άμεσα με την ύπαρξη κατατμημένου DNA στον πυρήνα των σπερματοζωαρίων. Οι διαταραχές στις τιμές της συγκέντρωσης σπερματοζωαρίων, της κινητικότητάς τους, του όγκου της εκσπερμάτισης και στη μορφολογία τους που παρατηρούνται σε ένα σπερμοδιάγραμμα έχουν σα βαθύτερο αίτιο την ύπαρξη κατατμημένου DNA. Το εργαστήριο πειραματικής εμβρυολογίας και ιστολογίας της Ιατρικής Αθηνών χρησιμοποιεί τη μέθοδο TUNEL (deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling) για να σηματοδοτήσει τα άκρα κάθε τμήματος του DNA με χρώμα διαφορετικό από αυτό που χρησιμοποιεί για το υπόλοιπο τμήμα του DNA. Αποτέλεσμα της επεξεργασίας που υφίστανται τα σπερματοζωάρια σε μια αντικειμενοφόρο πλάκα είναι ένα σύνολο από μπλε φθορίζοντα σπερματοζωάρια με πιθανό κόκκινο στο πυρήνα τους, στην περίπτωση που υπάρχει κατατμημένο DNA. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός κατάτμησης, τόσο περισσότερο είναι το κόκκινο και τόσο περισσότερο παθολογικό το σπερματοζωάριο και άρα λιγότερο ικανό να γονιμοποιήσει. Τη διαδικασία της TUNEL ακολουθεί η φωτογράφηση της αντικειμενοφόρου πλάκας με κάμερα υψηλής ανάλυσης και μεγάλης ευαισθησίας, ειδική για εφαρμογές φθορισμού. Στη συνέχεια, οι εικόνες επεξεργάζονται με ειδικό λογισμικό, όπως έχει προταθεί στο «Automatic Analysis of TUNEL assay Microscope Images» από τους Kontaxakis et al. στο 2007 IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας των εικόνων είναι η ταξινόμηση των αντικειμένων που απεικονίζονται σε ομάδες από α) σπερματοζωάρια μονήρη β) επικαλυπτόμενα και γ) «σκουπίδια» όπως λευκοκύτταρα ή θραύσματα σπερματοζωαρίων. Στη συνέχεια για κάθε μονήρες σπερματοζωάριο γίνεται ο υπολογισμός των κόκκινων και μπλε pixels. Κατ’ αυτό τον τρόπο έχουμε ποσοτικοποιημένη την έκταση του κερματισμού κάθε σπερματοζωαρίου. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι αρχικά η μελέτη και στη συνέχεια η σχεδίαση και υλοποίηση ενός συστήματος, το οποίο λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα από την επεξεργασία εικόνας καθώς και δεδομένα που είναι γνωστά από το σπερμοδιάγραμμα, όπως η κινητικότητα και η συγκέντρωση των σπερματοζωαριών, χρησιμοποιώντας τεχνικές της υπολογιστικής νοημοσύνης θα εκπαιδεύεται και θα ταξινομεί αυτόματα ασθενείς ανάλογα με το συνολικό βαθμό κερματισμού του DNA τους. Τέλος, θα υπολογίζει και ένα κατώφλι ή μία περιοχή τιμών άνω της οποίας ένας ασθενής θα χαρακτηρίζεται ως στείρος. Απώτερος στόχος είναι να γίνει όλη η παραπάνω διαδικασία ένας έλεγχος ρουτίνας για τα εργαστήρια που ασχολούνται με την ανδρική υπογονιμότητα και την τεχνητή γονιμοποίηση, προφυλάσσοντας ζευγάρια από άσκοπες και επιβλαβείς για την υγεία της γυναίκας προσπάθειες τεχνητής γονιμοποίησης. / Studies have proven that male infertility is directly connected with the existence of fragmented DNA in sperm nucleus Structural disorders and functional abnormalities are often present in spermatozoa from infertile men, as they are the impact of DNA fragmentation. The histology and embryology laboratory in Medical School in Athens uses the TUNEL assay to mark the edges of DNA helix with color different from the rest of the helix. The result of this procedure is that the human spermatozoa are blue and in the interior of every cell, an area proportional to the degree of the cell DNA fragmentation has been stained in reddish color. The more reddish the area is, the more fragmented the DNA is and the more infertile the patient is. The TUNEL assay is followed by image collection using a camera of high sensitivity appropriate for fluorescence applications. Afterwards, the obtained images are processed as described in “Automatic Analysis of TUNEL assay Microscope Images” at IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology in 2007. The results of the processing above is image segmentation, shapes classification in 3 groups, solitary spermatozoa, overlapped spermatozoa and debris and at last the area measurement of red pixel for each solitary spermatozoon. This way, we have in numbers how much fragmented the DNA is. This master thesis aims at the study and the design of a system, that taking into consideration the data from the image analysis accompanied by the data from the basic sperm analysis, like sperm concentration and motility, and using computational intelligence techniques, it will be trained and will automatically classify the patients according their DNA fragmentation degree. In the end, it will estimate a threshold or an area of values above which a patient will be considered as infertile. Our ultimate goal is the above procedure to be a routine for the labs that are dealing with male infertility and artificial insemination, so that couples are protected against pointless and prejudicial artificial insemination attempts.