Détection automatisée de variations critiques dans des séries temporelles d'images par algorithmes non-supervisées de Kohonen

Self-organizing map quantization error approach for detecting temporal variations in image sets

• Auteur / Autrice : John Mwangi Wandeto
• Direction : Birgitta Dresp, Henry Okola Nyongesa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/09/2018
• Etablissement(s) : Strasbourg en cotutelle avec Dedan Kimathi University of Technology
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul L. Rosin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Ragot, Daniel George
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul L. Rosin, Rachele Allena

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale

Techniques d'aide à la décision

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Cartes auto-organisatrices

Mots clés libres

Détection des changements

Self-organizing map

Quantization error

Images de séries chronologiques

Prédiction des changements

Difficulté à détecter les changements

Change detection

Self-organizing map

Quantization error

Time series images

Change prediction

Difficulty to detect changes

Résumé

Une nouvelle approche du traitement de l'image, appelée SOM-QE, qui exploite quantization error (QE) des self-organizing maps (SOM) est proposée dans cette thèse. Les SOM produisent des représentations discrètes de faible dimension des données d'entrée de haute dimension. QE est déterminée à partir des résultats du processus d'apprentissage non supervisé du SOM et des données d'entrée. SOM-QE d'une série chronologique d'images peut être utilisé comme indicateur de changements dans la série chronologique. Pour configurer SOM, on détermine la taille de la carte, la distance du voisinage, le rythme d'apprentissage et le nombre d'itérations dans le processus d'apprentissage. La combinaison de ces paramètres, qui donne la valeur la plus faible de QE, est considérée comme le jeu de paramètres optimal et est utilisée pour transformer l'ensemble de données. C'est l'utilisation de l'assouplissement quantitatif. La nouveauté de la technique SOM-QE est quadruple : d'abord dans l'usage. SOM-QE utilise un SOM pour déterminer la QE de différentes images - typiquement, dans un ensemble de données de séries temporelles - contrairement à l'utilisation traditionnelle où différents SOMs sont appliqués sur un ensemble de données. Deuxièmement, la valeur SOM-QE est introduite pour mesurer l'uniformité de l'image. Troisièmement, la valeur SOM-QE devient une étiquette spéciale et unique pour l'image dans l'ensemble de données et quatrièmement, cette étiquette est utilisée pour suivre les changements qui se produisent dans les images suivantes de la même scène. Ainsi, SOM-QE fournit une mesure des variations à l'intérieur de l'image à une instance dans le temps, et lorsqu'il est comparé aux valeurs des images subséquentes de la même scène, il révèle une visualisation transitoire des changements dans la scène à l'étude. Dans cette recherche, l'approche a été appliquée à l'imagerie artificielle, médicale et géographique pour démontrer sa performance. Les scientifiques et les ingénieurs s'intéressent aux changements qui se produisent dans les scènes géographiques d'intérêt, comme la construction de nouveaux bâtiments dans une ville ou le recul des lésions dans les images médicales. La technique SOM-QE offre un nouveau moyen de détection automatique de la croissance dans les espaces urbains ou de la progression des maladies, fournissant des informations opportunes pour une planification ou un traitement approprié. Dans ce travail, il est démontré que SOM-QE peut capturer de très petits changements dans les images. Les résultats confirment également qu'il est rapide et moins coûteux de faire la distinction entre le contenu modifié et le contenu inchangé dans les grands ensembles de données d'images. La corrélation de Pearson a confirmé qu'il y avait des corrélations statistiquement significatives entre les valeurs SOM-QE et les données réelles de vérité de terrain. Sur le plan de l'évaluation, cette technique a donné de meilleurs résultats que les autres approches existantes. Ce travail est important car il introduit une nouvelle façon d'envisager la détection rapide et automatique des changements, même lorsqu'il s'agit de petits changements locaux dans les images. Il introduit également une nouvelle méthode de détermination de QE, et les données qu'il génère peuvent être utilisées pour prédire les changements dans un ensemble de données de séries chronologiques.

A new approach for image processing, dubbed SOM-QE, that exploits the quantization error (QE) from self-organizing maps (SOM) is proposed in this thesis. SOM produce low-dimensional discrete representations of high-dimensional input data. QE is determined from the results of the unsupervised learning process of SOM and the input data. SOM-QE from a time-series of images can be used as an indicator of changes in the time series. To set-up SOM, a map size, the neighbourhood distance, the learning rate and the number of iterations in the learning process are determined. The combination of these parameters that gives the lowest value of QE, is taken to be the optimal parameter set and it is used to transform the dataset. This has been the use of QE. The novelty in SOM-QE technique is fourfold: first, in the usage. SOM-QE employs a SOM to determine QE for different images - typically, in a time series dataset - unlike the traditional usage where different SOMs are applied on one dataset. Secondly, the SOM-QE value is introduced as a measure of uniformity within the image. Thirdly, the SOM-QE value becomes a special, unique label for the image within the dataset and fourthly, this label is used to track changes that occur in subsequent images of the same scene. Thus, SOM-QE provides a measure of variations within the image at an instance in time, and when compared with the values from subsequent images of the same scene, it reveals a transient visualization of changes in the scene of study. In this research the approach was applied to artificial, medical and geographic imagery to demonstrate its performance. Changes that occur in geographic scenes of interest, such as new buildings being put up in a city or lesions receding in medical images are of interest to scientists and engineers. The SOM-QE technique provides a new way for automatic detection of growth in urban spaces or the progressions of diseases, giving timely information for appropriate planning or treatment. In this work, it is demonstrated that SOM-QE can capture very small changes in images. Results also confirm it to be fast and less computationally expensive in discriminating between changed and unchanged contents in large image datasets. Pearson's correlation confirmed that there was statistically significant correlations between SOM-QE values and the actual ground truth data. On evaluation, this technique performed better compared to other existing approaches. This work is important as it introduces a new way of looking at fast, automatic change detection even when dealing with small local changes within images. It also introduces a new method of determining QE, and the data it generates can be used to predict changes in a time series dataset.