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Image Processing for Bioinformatics AA 2008-2009 Facoltà di Scienze MM, FF e NN Dipartimento di Informatica Università di Verona

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Image Processing for Bioinformatics

AA 2008-2009

Facoltà di Scienze MM, FF e NN

Dipartimento di Informatica

Università di Verona

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General information

• Teacher: Gloria Menegaz

• Assistant: Giulia Paggetti

• Scheduling– Theory

• Wednesday 13.00 to 14.3• Thursday 11.30 to 13.00

– Laboratory• Thursday 13.30 to 14.30

– Tutoring (ricevimento)• by appointment (email)

– Start and end dates• Jan. 27, 2009 – March 26, 2009

• Exam– TBD

• Support– Slides of the course– Books

• “A Wavelet tour of signal processing”, S. Mallat

• “Color theory and applications”, D. Malacara

• Matlab documentation (Image processing toolbox, Wavelet toolbox)

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Contents

Classical IP

• 2D Discrete Fourier Transform (2D-DFT)

• Sampling and quanization

• Edge detection– Model-based, region-based

• Filtering – denoising, deblurring, image

enhancement

• Morphological operations

• Segmentation techniques

• Basics of pattern recognition– Clustering, classification

Advanced Topics

• Discrete Wavelet Transform (DWT)

• Color imaging

• Introduction to stochastic processes

• Microarray image analysis

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Why do we process images?

• To facilitate their storage and transmission

• To prepare them for display or printing

• To enhance or restore them

• To extract information from them

• To hide information in them

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Image types

img ottica (CCD)img radar (SAR)

img acustica subacquea imginfrarosso

img MRI

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Microarray images

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Image Processing Example

• Image Restoration

Original image Blurred Restored by Wiener filter

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Image Processing Example

• Noise Removal

Noisy image Denoised by Median filter

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Image Processing Example

• Image Enhancement

Histogram equalization

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Image Processing Example• Artifact Reduction in Digital Cameras

Original scene Captured by a digital camera Processed to reduce artifacts

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Image Processing Example

• Image Compression

Original image 64 KB

JPEG compressed 15 KB

JPEG compressed 9 KB

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Image Processing Example

• Object Segmentation

“Rice” image Edges detected using Canny filter

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Image Processing Example

• Resolution Enhancement

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Image Processing Example

• Watermarking

Original image

Hidden message

Generate watermark

Watermarked image

Secret key

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Image Processing Example

• Face Recognition

Surveillance video

Search in the database

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Image Processing Example• Fingerprint Matching

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Image Processing Example• Segmentation

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Image Processing Example• Texture Analysis and Synthesis

Pattern repeated Computer generated

Photo

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Image Processing Example

• Face detection and tracking

http://www-2.cs.cmu.edu/~har/faces.html

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Image Processing Example• Face Tracking

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Image Processing Example• Object Tracking

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Image Processing Example• Virtual Controls

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Image Processing Example• Visually Guided Surgery

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Taxonomy of the IP domain

Computer vision

Computer graphicsPattern recognition

Image processing

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Computer graphics

• Algorithms allowing to generate artificial images and scenes

• Model-based• Scenes are created based on models

• Visualization often rests on 2D projections

• Hot topic: generate perceptually credible scenes– Image-based modeling & rendering

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DNA VIRUS - Herpes

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HEARTH (interior) BRAIN (visual cortex)

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Computer vision

• Methods for estimating the geometrical and dynamical properties of the imaged scene based on the acquired images– Scene description based on image features

• Complementary to computer graphics– Get information about the 3D real world based on its 2D projections in

order to automatically perform predefined tasks

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Pattern Recognition

• Image interpretation

• Identification of basic and/or complex structures– implies pre-processing to reduce the intrinsic redundancy in the input

data– knowledge-based

• use of a-priori knowledge on the real world• stochastic inference to compensate for partial data

• Key to clustering and classification

• Applications– medical image analysis– microarray analysis– multimedia applications

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Pattern Recognition

• Cluster analysis– analisi dei dati per trovare inter-relazioni e discriminarli in gruppi (senza

conoscenza a priori)

• Feature extraction and selection– reduction of data dimensionality

• Classification– Structural (based on a predefined “syntax”):

• each pattern is considered as a set of primitives• clustering in the form of parsing

– Stochastic• Based on statistics (region-based descriptors)

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Applications

• Efficiently manage different types of images– Satellite, radar, optical..– Medical (MRI, CT, US), microarrays

• Image representation and modeling

• Quality enhancement– Image restoration, denoising

• Image analysis– Feature extraction and exploitation

• Image reconstruction from projections– scene reconstruction, CT, MRI

• Compression and coding

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Typical issues

Multimedia

• Image resampling and interpolation

• Visualization and rendering

• Multispectral imaging– Satellite, color

• Multiscale analysis

• Motion detection, tracking

• Automatic quality assessment

• Data mining– query by example

Medical imaging

• Image analysis– optical devices, MRI, CT, PET, US

(2D to 4D)

• Image modeling– Analysis of hearth motion, models

of tumor growth, computer assisted surgery

• Telemedicine– remote diagnosis, distributed

systems, medical databases

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other applications

• Quality control

• Reverse engineering

• Surveillance (monitoring and detection of potentially dangerous situations)

• Social computing (face and gesture recognition for biometrics and behavioural analysis)

• Robotics (machine vision)

• Virtual reality

• Telepresence

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Examples

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Query by example

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Segmentation

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Medical Image Analysis

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Sequence analysis

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Face recognition

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Coppia di immagini stereo (immagini ottiche)

Immagine di disparità: i punti più chiari rappresentano oggetti più vicini all’osservatore

Stereo pairs

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Medical stereo movies

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Texture analysis

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Medical textures

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Scalability by quality

H encoded data

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Object-based processing

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Mosaicing

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Low level

High level

Rawimage data

Preprocessing

TransformsSegmentationEdge detection

Feature extraction FeatureObjects

SpectrumSegmentsEdge/lines

NeighbourhoodSubimage

Pixel

Operations Low-level image representationHierarchical Image Pyramid