Advanced GPU-based methods for analysis and processing of biomedical images and general purpose video

Διδακτορική Διατριβή uoadl:1309553 467 Αναγνώσεις

Μονάδα:
Τομέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήματος
Βιβλιοθήκη Σχολής Θετικών Επιστημών
Ημερομηνία κατάθεσης:
2016-05-13
Έτος εκπόνησης:
2016
Συγγραφέας:
Κατσιγιάννης Στάμος
Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Μαρούλης Δημήτρης,Θεοδωρίδης Σέργιος,Σαγκριώτης Εμμανουήλ
Πρωτότυπος Τίτλος:
Advanced GPU-based methods for analysis and processing of biomedical images and general purpose video
Γλώσσες διατριβής:
Αγγλικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
Ανάπτυξη προηγμένων μεθόδων ανάλυσης και επεξεργασίας βιοϊατρικών εικόνων και βίντεο γενικού σκοπού με χρήση επεξεργαστών γραφικών
Περίληψη:
Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται μια πρωτότυπη μέθοδος εξαγωγής
χαρακτηριστικών για την ταξινόμηση θυρεοειδικής υπερηχογραφικής υφής, μια
πρωτότυπη μέθοδος κατάτμησης εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA (cDNA)
για την υποβοήθηση της διαδικασίας ποσοτικοποίησης της γονιδιακής έκφρασης, ένα
λογισμικό για αυτοματοποιημένη ανάλυση εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού
DNA με χρήση επεξεργαστών γραφικών (GPU), και μια πρωτότυπη μέθοδος για υψηλής
ποιότητας συμπίεση βίντεο στον επεξεργαστή γραφικών. Προτάθηκαν υλοποιήσεις για
υπολογισμό σε επεξεργαστές γραφικών για όλους τους αλγόριθμους που αναπτύχθηκαν
στα πλαίσια αυτής της διατριβής, με σκοπό τη μείωση του απαιτούμενου
υπολογιστικού χρόνου και την αξιοποίηση της συνήθως υποχρησιμοποιούμενης
υπολογιστικής ισχύος των σύγχρονων επεξεργαστών γραφικών.
Η πρώτη κύρια συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι μια πρωτότυπη μέθοδος
εξαγωγής χαρακτηριστικών για την ταξινόμηση θυρεοειδικής υπερηχογραφικής υφής.
Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην εξαγωγή στατιστικών χαρακτηριστικών από
υπερηχογραφικές εικόνες του θυρεοειδούς με σκοπό τη μετέπειτα ταξινόμηση σε
υγιή και οζώδη θυρεοειδικό ιστό. Οι εικόνες αρχικά αναλύονται με χρήση του
μετασχηματισμού Contourlet και στη συνέχεια υπολογίζεται ένα σύνολο στατιστικών
χαρακτηριστικών από τις συνιστώσες του μετασχηματισμού Contourlet. Έπειτα
εφαρμόζεται ένας αλγόριθμος επιλογής χαρακτηριστικών για να επιλεχθούν τα πιο
σημαντικά χαρακτηριστικά και να μειωθεί το μέγεθος του διανύσματος
χαρακτηριστικών. Η ακρίβεια της ταξινόμησης που επιτυγχάνεται με τη χρήση των
προτεινόμενων χαρακτηριστικών αξιολογήθηκε με χρήση μηχανών ανυσμάτων στήριξης
(SVM). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι
αποτελεσματικότερη σε σχέση με άλλες σύγχρονες μεθόδους και αποτελεί μια
βιώσιμη λύση για το πρόβλημα της ταξινόμησης θυρεοειδικής υπερηχογραφικής υφής.
Η δεύτερη κύρια συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι μια πρωτότυπη μέθοδος
κατάτμησης εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA (cDNA). Η προτεινόμενη
μέθοδος λαμβάνει ως είσοδο μια εικόνα μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA και
το προϋπολογισμένο πλέγμα και κατατέμνει την εικόνα σε περιοχές υποβάθρου και
περιοχές κηλίδων συμπληρωματικού DNA. Έπειτα από ένα στάδιο προεπεξεργασίας με
σκοπό τη μείωση των επιπέδων θορύβου, επιλέγονται αυτόματα εικονοστοιχεία
αρχικοποίησης για τις περιοχές υποβάθρου και κηλίδων και στη συνέχεια η
κατάτμηση πραγματοποιείται με μια μέθοδο ανάπτυξης περιοχών. Η αξιολόγηση της
προτεινόμενης μεθόδου σε πραγματικές εικόνες μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού
DNA μέσω οπτικού ελέγχου (λόγω αδυναμίας απόκτησης της δεδομένης αλήθειας –
ground truth) έδειξε ότι η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει ποιοτική κατάτμηση
των εικόνων. Η συγκριτική αξιολόγηση πάνω σε συνθετικές εικόνες μικροσυστοιχιών
έδειξε ότι η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει καλύτερα στατιστικά αποτελέσματα
σε σχέση με σύγχρονες μεθόδους κατάτμησης.
Η τρίτη κύρια συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι ένα λογισμικό για την
αυτοματοποιημένη δημιουργία πλέγματος και την κατάτμηση εικόνων μικροσυστοιχιών
συμπληρωματικού DNA το οποίο προσφέρει ένα εύκολο στη χρήση γραφικό περιβάλλον
που επιτρέπει την ανάλυση των εικόνων με το πάτημα ενός κουμπιού. Οι
υπολογισμοί γίνονται όλοι στον επεξεργαστή γραφικών για να επιτευχθούν χαμηλοί
χρόνοι υπολογισμού. Το προτεινόμενο λογισμικό ενσωματώνει μια προτεινόμενη
υλοποίηση σε επεξεργαστές γραφικών μιας πολύ αποτελεσματικής μεθόδου
δημιουργίας πλέγματος, η οποία χρησιμοποιεί γενετικό αλγόριθμο για τον
υπολογισμό του βέλτιστου πλέγματος σε εικόνες μικροσυστοιχιών. Η προτεινόμενη
υλοποίηση επιτυγχάνει σημαντικά χαμηλότερους χρόνους υπολογισμού σε σχέση με
την υλοποίηση για κεντρικούς επεξεργαστές και επιτρέπει τη χρήση της μεθόδου σε
πραγματικές εργαστηριακές συνθήκες. Εκτός από τη μέθοδο δημιουργίας πλέγματος,
το λογισμικό ενσωματώνει και μια υλοποίηση για επεξεργαστές γραφικών της
προτεινόμενης μεθόδου κατάτμησης εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA.
Βασιζόμενο στις προαναφερθείσες μεθόδους, το προτεινόμενο λογισμικό επιτυγχάνει
αυξημένες επιδόσεις σε σχέση με σύγχρονες μεθόδους ανάλυσης εικόνων
μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA.
Η τελευταία κύρια συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι μια πρωτότυπη μέθοδος
για υψηλής ποιότητας συμπίεση βίντεο στον επεξεργαστή γραφικών. Ο προτεινόμενος
αλγόριθμος κάνει χρήση του μετασχηματισμού Contourlet σε συνδυασμό με άλλες
απωλεστικές και μη απωλεστικές τεχνικές συμπίεσης δεδομένων με σκοπό τη
συμπίεση δεδομένων βίντεο σε πραγματικό χρόνο με χρήση του επεξεργαστή
γραφικών. Η προτεινόμενη μέθοδος επιτυγχάνει υψηλότερη οπτική ποιότητα σε σχέση
με άλλες σύγχρονες μεθόδους σε περιπτώσεις πολύ χαμηλού bit rate και δεν
υποφέρει από την εμφάνιση μπλοκ τεχνουργημάτων όπως συμβαίνει με τους
διαδεδομένους αλγόριθμους συμπίεσης βίντεο που βασίζονται στον μετασχηματισμό
DCT. Τα πιο εντατικά υπολογιστικά βήματα του προτεινόμενου αλγορίθμου
υπολογίζονται στον επεξεργαστή γραφικών, μειώνοντας έτσι το φόρτο του κεντρικού
επεξεργαστή και αυξάνοντας την ικανότητα παράλληλης εκτέλεσης του συστήματος.
Λέξεις-κλειδιά:
Ταξινόμηση θυρεοειδικής υφής, Κατάτμηση εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA, Δημιουργία πλέγματος εικόνων μικροσυστοιχιών συμπληρωματικού DNA, Συμπίεση βίντεο σε πραγματικό χρόνο, CUDA
Ευρετήριο:
Ναι
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
31-45
Εικονογραφημένη:
Ναι
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
280
Αριθμός σελίδων:
258
Αρχείο:
Δεν επιτρέπεται η πρόσβαση στο αρχείο. H πρόσβαση επιτρέπεται μόνο εντός του δικτύου του ΕΚΠΑ.

document.pdf
5 MB
Δεν επιτρέπεται η πρόσβαση στο αρχείο. H πρόσβαση επιτρέπεται μόνο εντός του δικτύου του ΕΚΠΑ.