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

Abstract

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.