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MATH:7450 (22M:305) Topics in Topology: Scien:fic and Engineering Applica:ons of Algebraic Topology Sept 23, 2013: Image data Applica:on. Fall 2013 course offered through the University of Iowa Division of Con:nuing Educa:on Isabel K. Darcy, Department of Mathema:cs Applied Mathema:cal and Computa:onal Sciences, University of Iowa hRp://www.math.uiowa.edu/~idarcy/AppliedTopology.html

Sept23,*2013:**Image*dataApplicaon.*** - University of Iowahomepage.math.uiowa.edu/~idarcy/ApTop/Sept23ImageData.pdf · hRp:// ... Applicaon*to*Natural*Image*Stas:cs* With*V.*de*Silva,*T.*Ishkanov,A.*

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MATH:7450  (22M:305)  Topics  in  Topology:  Scien:fic  and  Engineering  Applica:ons  of  Algebraic  Topology  

 

Sept  23,  2013:    Image  data  Applica:on.        

Fall  2013  course  offered  through  the    University  of  Iowa  Division  of  Con:nuing  Educa:on  

 Isabel  K.  Darcy,  Department  of  Mathema:cs  

Applied  Mathema:cal  and  Computa:onal  Sciences,  University  of  Iowa  

 hRp://www.math.uiowa.edu/~idarcy/AppliedTopology.html  

Construc:ng  func:onal  brain  networks  with  97  regions  of  interest  (ROIs)  extracted  from  FDG-­‐PET  data  for    24  aRen:on-­‐deficit  hyperac:vity  disorder  (ADHD),  26  au:sm  spectrum  disorder  (ASD)  and  11  pediatric  control  (PedCon).      Data  =  measurement  fj                            taken  at  region  j    Graph:    97  ver:ces  represen:ng  97  regions  of  interest                              edge  exists  between  two  ver:ces  i,j  if  correla:on                              between    fj  and  fj  ≥  threshold    

How  to  choose  the  threshold?    Don’t,  instead  use  persistent  homology  

Discrimina:ve  persistent  homology  of  brain  networks,  2011  Hyekyoung  Lee  Chung,  M.K.;  Hyejin  Kang;  Bung-­‐Nyun  Kim;Dong  Soo  Lee      

Ver:ces  =  Regions  of  Interest      Create  Rips  complex  by  growing  epsilon  balls  (i.e.  decreasing  threshold)  where  distance  between  two  ver:ces  is  given  by      where  fi  =    

measurement  at  loca:on  i  

hRp://www.ima.umn.edu/videos/?id=856    hRp://ima.umn.edu/2008-­‐2009/ND6.15-­‐26.09/ac:vi:es/Carlsson-­‐Gunnar/imafive-­‐handout4up.pdf    

hRp://www.ima.umn.edu/videos/?id=1846  hRp://www.ima.umn.edu/2011-­‐2012/W3.26-­‐30.12/ac:vi:es/Carlsson-­‐Gunnar/imamachinefinal.pdf  

 

Applica:on  to  Natural  Image  Sta:s:cs  With  V.  de  Silva,  T.  Ishkanov,  A.  Zomorodian  

An  image  taken  by  black  and  white  digital  camera  can  be  viewed  as  a  vector,  with  one  coordinate  for  each  pixel  

 Each  pixel  has  a  “gray  scale”  value,  can  be  thought  of  as  a  real  number  (in  reality,  takes  one  of  255  values)    Typical  camera  uses  tens  of  thousands  of  pixels,  so  images  lie  in  a  very  high  dimensional  space,  call  it  pixel  space,  P  

Lee-­‐Mumford-­‐Pedersen  [LMP]  study  only  high  contrast  patches.    

Collec:on:    4.5  x  106  high  contrast  patches  from  a  collec:on  of  images  obtained  by  van  Hateren  and  van  der  Schaaf  

Eurographics  Symposium  on  Point-­‐Based  Graphics  (2004)  Topological  es:ma:on  using  witness  complexes  Vin  de  Silva  and  Gunnar  Carlsson  

Eurographics  Symposium  on  Point-­‐Based  Graphics  (2004)  Topological  es:ma:on  using  witness  complexes  Vin  de  Silva  and  Gunnar  Carlsson  

Crea:ng  a  simplicial  complex  

Step  0.)    Start  by  adding  data  points    =    0-­‐dimensional  ver:ces  (0-­‐simplices)    

Crea:ng  a  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)  Let  T    =    Threshold      =    

Connect  ver:ces  v  and  w  with  an  edge    iff    the  distance  between  v  and  w  is  less  than  T  

Crea:ng  a  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)  Let  T    =    Threshold      =    

Connect  ver:ces  v  and  w  with  an  edge    iff    the  distance  between  v  and  w  is  less  than  T  

Crea:ng  a  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)  Let  T    =    Threshold      =    

Connect  ver:ces  v  and  w  with  an  edge    iff    the  distance  between  v  and  w  is  less  than  T  

Crea:ng  a  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)    

Add  an  edge  between  data  points  that  are  “close”  

Crea:ng  a  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)    

Add  an  edge  between  data  points  that  are  “close”  

Vietoris  Rips  complex  =  flag  complex  =  clique  complex  

2.)    Add  all  possible  simplices  of  dimensional  >  1.  

Crea:ng  the  Čech  simplicial  complex  

1.)    Adding  1-­‐dimensional  edges  (1-­‐simplices)    

Add  an  edge  between  data  points  that  are  “close”  

 Crea:ng  the  Čech  simplicial  complex  

 

1.)  B1        …        Bk+1  ≠    ⁄  ,    create  k-­‐simplex  {v1,  ...  ,  vk+1}.  

U   U  

0  

Crea:ng  the  Čech  simplicial  complex  

1.)  B1        …        Bk+1  ≠    ⁄  ,    create  k-­‐simplex  {v1,  ...  ,  vk+1}.  

U   U  

0  

Crea:ng  Delaunay  triangula:on  via  Voronoi  diagrams  

Voronoi  diagram:    Suppose  your  data  points  live  in  Rn.    Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell    associated  with  v  is  

 

H(v,w)            

U

w  ≠  v  

H(v,w)  =  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  }    

Voronoi  diagram:    Suppose  your  data  points  live  in  Rn.    Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

H(v,w)  =  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  }    

 Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

 Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

 Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

 Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

Voronoi  diagram:    Suppose  your  data  points  live  in  Rn.    Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

H(v,w)  =  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  }    

Voronoi  diagram  Suppose  your  data  points  live  in  Rn.    

The  Voronoi  cell  associated  with  v  is    Cv=  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  for  all  w  ≠  v  }    

 Choose  data  point  v.      The  Voronoi  cell  associated  with  v  is  

 

H(v,w)      

U

w  ≠  v  

The  Voronoi  cell  associated  with  v  is    Cv=  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  for  all  w  ≠  v  }    

The  delaunay  triangula0on  is  the  dual  to  the  voronoi  diagram      If                  Cv    ≠    0,  then       σ  is  a  simplex  in  the        delaunay  triangula:on.    

U  

w  in  σ    ⁄  

The  delaunay  triangula0on  is  the  dual  to  the  voronoi  diagram      If                  Cv    ≠    0,  then       σ  is  a  simplex  in  the        delaunay  triangula:on.    

U  

w  in  σ    ⁄  

The  Voronoi  cell  associated  with  v  is    Cv=  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  for  all  w  ≠  v  }    

The  delaunay  triangula0on  is  the  dual  to  the  voronoi  diagram      If                  Cv    ≠    0,  then       σ  is  a  simplex  in  the        delaunay  triangula:on.    

U  

w  in  σ    ⁄  

The  Voronoi  cell  associated  with  v  is    Cv=  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  for  all  w  ≠  v  }    

The  delaunay  triangula0on  is  the  dual  to  the  voronoi  diagram      If                  Cv    ≠    0,  then       σ  is  a  simplex  in  the        delaunay  triangula:on.    

U  

w  in  σ    ⁄  

The  Voronoi  cell  associated  with  v  is    Cv=  {  x  in  Rn  :  d(x,  v)  ≤  d(x,  w)  for  all  w  ≠  v  }