análise e classificação de imagens de lesões da pele por atributos de cor, forma e textura ...

180 Pages·2008·7.1 MB·English

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO
U F R N
Tese de Doutorado
ANÁLISE E CLASSIFICAÇÃO DE IMAGENS DE LESÕES DA PELE
POR ATRIBUTOS DE COR, FORMA E TEXTURA UTILIZANDO
MÁQUINA DE VETOR DE SUPORTE
Heliana Bezerra Soares
Natal, RN – Brasil
Fevereiro - 2008
Heliana Bezerra Soares
ANÁLISE E CLASSIFICAÇÃO DE IMAGENS DE LESÕES DA PELE
POR ATRIBUTOS DE COR, FORMA E TEXTURA UTILIZANDO
MÁQUINA DE VETOR DE SUPORTE
Orientador:
Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto
UFRN
Co-Orientador:
Prof. Dr. Marco Antônio Garcia de Carvalho
UNICAMP
Tese submetida ao Programa de Pós-graduação em
Engenharia Elétrica e Computação da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte como parte dos
requisitos necessários para obtenção do título de
Doutor(a) em Engenharia Elétrica e de Computação.
Natal, RN – Brasil
Fevereiro - 2008
Divisão de Serviços Técnicos
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Soares, Heliana Bezerra.
Análise e classificação de imagens de lesões da pele por atributos de cor, forma
e textura utilizando máquina de vetor de suporte / Heliana Bezerra Soares. – Natal,
RN, 2008.
160 f. : il.
Orientador: Adrião Duarte Dória Neto.
Co-orientador: Marco Antônio Garcia de Carvalho.
Tese (doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de
Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.
1. Processamento digital de imagens – Tese. 2. Transformada de Wavelet Packet
– Tese. 3. Máquina de vetor de suporte – Tese. 4. Câncer de Pele – Tese. 5.
Engenharia Elétrica – Tese. I. Dória Neto, Adrião Duarte. II. Carvalho, Marco
Antônio Garcia de. III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.397 (043.2)
ANÁLISE E CLASSIFICAÇÃO DE IMAGENS DE LESÕES DA PELE
POR ATRIBUTOS DE COR, FORMA E TEXTURA UTILIZANDO
MÁQUINA DE VETOR DE SUPORTE
Heliana Bezerra Soares
Tese de Doutorado defendida e aprovada em 22 de fevereiro de 2008, pela Banca
Examinadora constituída pelos professores:
Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto (Orientador) - UFRN
Prof. Dr. Marco Antônio Garcia de Carvalho (Co-Orientador) - UNICAMP
Prof. Dr. Vicente Idalberto Becerra Sablón - UNISAL
Prof. Dra. Ana Maria Guimarães Guerreiro - UFRN
Prof. Dr. Jorge Dantas de Melo - UFRN
Prof. Dr. Agostinho de Medeiros Brito Júnior - UFRN
Prof. Dr. Allan de Medeiros Martins - UNP
Oferecimento
“Oferecerei vossos sacrifícios com sinceridade e esperai no Senhor.
Dizem muitos: “Quem nos fará ver a felicidade?” Fazei brilhar sobre nós, Senhor, a luz de vossa face.” (Salmos, 4:
6-7)
“Regozijem-se, pelo contrário, os que em vós confiam, permaneçam para sempre na alegria. Protegei-os e triunfarão
em vós os que amam vosso nome. Pois, vós, Senhor, abençoai o justo; vossa benevolência como um escudo, o
cobrirá.” (Salmos, 5: 12-13)
“O Senhor é meu pastor, nada me faltará. Em verdes prados ele me fez repousar: Conduz-me junto às águas
refrescantes, restaura as forças de minha alma. Pelos caminhos retos ele me leva, por amor do seu nome. Ainda que
eu atravesse o vale escuro, nada temerei, pois estais comigo.” (Salmos, 22: 2-4)
“O Senhor é minha luz e minha salvação, a quem temerei?” (Salmos, 26:1)
“Sei que verei os benefícios do Senhor na terra dos vivos! Espera no Senhor e sê forte! Fortifique-se o teu coração e
espera no Senhor!” (Salmos, 26: 13-14)
“Tu que habitas sob a proteção do Altíssimo, que moras à sombra do Onipotente, dize ao Senhor: “Sois meu refúgio
e minha cidadela meu Deus, em que eu confio”. É ele quem te livrará do laço do caçador, e da peste perniciosa. Ele
te cobrirá com suas plumas sob suas asas encontrarás refúgio. Sua fidelidade te será um escudo de proteção.”
(Salmos, 90: 1-4)
“Porque o Senhor é teu refúgio. Escolhestes, por asilo, o Altíssimo. Nenhum mal te atingirá, nenhum flagelo
chegará à tua tenda, porque aos seus anjos ele mandou que te guardem em todos os teus caminhos. Eles te
sustentarão em suas mãos, para que não tropeces em alguma pedra. Sobre serpente e víboras andarás, calcarás aos
pés o leão e o dragão. Pois que se uniu a mim, eu o livrarei e o protegerei, pois conhece o meu nome. Quando me
invocar, eu o atenderei, na tribulação estarei com ele. Hei de livrá-lo e o cobrirei de glória.” (Salmos, 90: 9-15)
A Deus eu ofereço este trabalho realizado com dedicação, esforço e muito amor. Todas essas orações fizeram parte
do meu dia-a-dia, na qual busquei apoio nos momentos difíceis. A Ti, Senhor, ofereço mais esta conquista, como
agradecimento por Ter estado ao meu lado nas alegrias e dificuldades. Obrigada por cada pessoa que colocastes em
meu caminho e que, de alguma forma contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.

“Deus não escolhe os capacitados Ele os capacita.”

Ofereço este trabalho aos meus pais José Hélio e Joana D’arc pelo exemplo de coragem, ânimo e perseverança
diante das dificuldades na busca de um objetivo. Obrigada pela educação que me foi dada. Obrigada pelos meus
irmãos (Henrique e Hugo). Obrigada por ter me guiado pelo caminho do bem e da caridade. Obrigada por ter me
ensinado que tudo que se faz, deve ser feito com amor e dedicação. Obrigada por me ensinar que a felicidade
encontra-se dentro de nós. A vocês todo meu amor e minha eterna gratidão. Agradeço a Deus todos os dias a honra
e o privilégio de ser filha de vocês.
Agradecimentos
Nada na vida conquistamos sozinhos. Sempre precisamos de outras pessoas para alcançar
os nossos objetivos. Às vezes um simples gesto pode mudar a nossa vida e contribuir para o nosso
sucesso.
Concluir uma Tese de Doutorado é sempre um momento de felicidade que gostaria de
partilhar com todos meus familiares e amigos que tanto contribuíram direta ou indiretamente para a
realização deste trabalho.
Meus agradecimentos ao amigo e Orientador Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto, que
sempre demonstrou acreditar no meu potencial. Pela oportunidade oferecida desde a época do
mestrado. Pela orientação, questionamento, estímulo na busca de novos conceitos e soluções. Com
Ele tive a oportunidade de enriquecer meus conhecimentos, com suas argumentações científicas e
sugestões nos meus relatórios e artigos. Obrigada por ser um amigo e exemplo de força e
serenidade. Da sua aluna muito obrigada.
Ao amigo Prof. Dr. Marco Antônio Garcia de Carvalho por me acompanhar desde a
graduação. Pela paciência, incentivo e força, que com sua reconhecida capacidade como
pesquisador muito contribuiu com sugestões na elaboração deste trabalho. Pela dedicação e atenção
me oferecida mesmo que de longe na Co-orientação deste trabalho. Pela oportunidade de realizar
uma pesquisa de campo em Campinas (UNICAMP) permitindo conhecer outro ambiente de
trabalho. Durante essa pesquisa me fez amadurecer na vida profissional e pessoal.
À Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) pela oportunidade e pelo apóio
recebido durante a realização desta pesquisa.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico Tecnológico (CNPq - processo
número 140194/2004 – 5) pelo suporte financeiro concedido.
Ao Prof. Dr. Vicente Idalberto Becerra Sablón, por aceitar participar da Banca de Defesa
desta Tese, e pela disponibilidade, discussões e sugestões que servirão para o crescimento,
aprendizado e incentivo a esta pesquisa durante o período que passei na UNICAMP.
A Prof. Ana Maria Guimarães Guerreiro pela amizade, sugestões, apoio e incentivos ao
longo desses anos.
Ao Prof. Dr. Arnóbio Pacheco, Professor da Faculdade de Medicina da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) pelas discussões sobre dermatologia, tema das imagens
analisadas neste trabalho. Pelo tempo e dedicação disponibilizados.
Aos Professores Dr. Jorge Dantas de Melo, Prof. Agostinho de Medeiros Brito Júnior e
Prof. Allan de Medeiros Martins pelas sugestões e colaborações no exame de qualificação, que
foram fundamentais para o aprimoramento da Tese.
Aos Professores da UNICAMP que me acolheram com carinho e me disponibilizou um
ambiente de trabalho onde pude desenvolver a pesquisa.
As minhas amigas Cristina, Cláudia e Natasha de Campinas/SP, pela hospitalidade, apoio e
amizade. Pelo carinho de sua família comigo.
Aos inúmeros amigos do Laboratório de Sistemas Inteligentes, pela amizade e pela alegria
de poder conviver com eles durante todos esses anos. Agradecimentos especiais a Rafael, Daniel,
Lima, Vinicius, Karine, Juliana, Roque, Kelson, André, Raimundo, Diogo, Erico, Padua, Badiali,
Marcelo Mariano (em memória), Viegas, Denis, Raquel, Ricardo Valentim, Ricardo, Patrícia,
Adriano Bresolin e Beti, pela alegre convivência e sugestões e alguns destes foram essenciais no
desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus amigos Yasnaia, Andrezza, Adelle, Solange, Franklin, Álvaro, Renata,
Alessandro, Adriane, Indira, Cristiane, Elizabeth, Yane, Valdilene, Carol e todos que participam da
minha vida, mas que não lembrei neste momento.
Aos meus amigos do curso de Francês, Karla Vanessa, Taise Rocha, Stéphanie Duarte, Ana
Carol, Giovanna, Mariana, Maíra, Luiz Felipe, Sueli Ratto pela amizade e alegria durante as aulas
aos sábados
Aos funcionários do DCA (Departamento de Engenharia de Computação e Automação),
pela eficiência e cordialidade prestada em diversas ocasiões. Em especial a Amalusia, Zuleide,
Giovani, Sr. Espedito e Henrique.
Aos meus pais José Hélio e Joana D’arc por serem pessoas com muita sabedoria,
discernimento, bom senso e dedicação que estiveram ao meu lado me encorajando nas horas
difíceis e me aplaudindo nos momento de glória. Obrigada por serem profissionais corretos e
competentes, fonte de inspiração, apoio e ensino diário.
Aos meus irmãos Henrique, Hugo e as minhas cunhadas e sobrinhos pelo carinho, força e
coragem que sempre me deram.
Aos meus familiares (tios, tias, primos e primas), o meu reconhecimento pelo apóio sempre
transmitido, que me permitiu manter o ânimo sempre elevado.
De maneira especial aos meus avós, de quem todos sentimos saudades e de quem
guardamos lembranças de muita alegria. Sei que estão orgulhosos por terem uma neta Doutora.
À Deus por sempre me iluminar e me guiar. Por estar sempre presente na minha vida, e
tornar tudo possível. Por me mostrar que, mesmo nos momentos difíceis, sempre existem portas a
serem abertas. Pelo dom da minha vida.
Epígrafe
Eu guardei muitas coisas em minhas mãos, e perdi
todas; mas todas que coloquei nas mãos de Deus, essas
eu ainda possuo.
Martin Luther King, Jr.
Tese de Doutorado Resumo
Resumo
O câncer de pele é o mais comum de todos os cânceres e o aumento da sua incidência deve-se, em
parte, ao comportamento das pessoas em relação à exposição ao sol. No Brasil, o câncer de pele não
melanoma é o mais incidente na maioria das regiões. A dermatoscopia e videodermatoscopia são os
principais tipos de exames para o diagnóstico de doenças da pele dermatológicas.
O campo que envolve o uso de ferramentas computacionais para o auxílio ou acompanhamento do
diagnóstico médico em lesões dermatológicas ainda é visto como muito recente. Vários métodos foram
propostos para classificação automática de patologias da pele utilizando imagens.
O presente trabalho tem como objetivo apresentar uma nova metodologia inteligente para análise e
classificação de imagens de câncer de pele, baseada nas técnicas de processamento digital de imagens para
extração de características de cor, forma e textura, utilizando a Transformada Wavelet Packet (TWP) e a
técnicas de aprendizado de máquina denominada Máquina de Vetor de Suporte (SVM – Support Vector
Machine).
A Transformada Wavelet Packet é aplicada para extração de características de textura nas imagens.
Esta consiste de um conjunto de funções base que representa a imagem em diferentes bandas de freqüência,
cada uma com resoluções distintas correspondente a cada escala. Além disso, são calculadas também as
características de cor da lesão que são dependentes de um contexto visual, influenciada pelas cores existentes
em sua volta, e os atributos de forma através dos descritores de Fourier.
Para a tarefa de classificação é utilizado a Máquina de Vetor de Suporte, que baseia-se nos
princípios da minimização do risco estrutural, proveniente da teoria do aprendizado estatístico. A SVM tem
como objetivo construir hiperplanos ótimos que apresentem a maior margem de separação entre classes. O
hiperplano gerado é determinado por um subconjunto dos pontos das classes, chamado vetores de suporte.
Para o banco de dados utilizado neste trabalho, os resultados apresentaram um bom desempenho
obtendo um acerto global de 92,73% para melanoma, e 86% para lesões não-melanoma e benigna. O
potencial dos descritores extraídos aliados ao classificador SVM tornou o método capaz de reconhecer e
classificar as lesões analisadas.
Palavras-Chave: Câncer de pele, Imagens médicas, Processamento digital de imagens, Transformada Wavelet
Packet, Máquina de vetor de suporte – SVM, Dermatologia, Extração de características,
Segmentação.
Tese de Doutorado Abstract
Abstract
The skin cancer is the most common of all cancers and the increase of its incidence must, in part,
caused by the behavior of the people in relation to the exposition to the sun. In Brazil, the non-melanoma
skin cancer is the most incident in the majority of the regions. The dermatoscopy and videodermatoscopy are
the main types of examinations for the diagnosis of dermatological illnesses of the skin.
The field that involves the use of computational tools to help or follow medical diagnosis in
dermatological injuries is seen as very recent. Some methods had been proposed for automatic classification
of pathology of the skin using images.
The present work has the objective to present a new intelligent methodology for analysis and
classification of skin cancer images, based on the techniques of digital processing of images for extraction of
color characteristics, forms and texture, using Wavelet Packet Transform (WPT) and learning techniques
called Support Vector Machine (SVM).
The Wavelet Packet Transform is applied for extraction of texture characteristics in the images. The
WPT consists of a set of base functions that represents the image in different bands of frequency, each one
with distinct resolutions corresponding to each scale. Moreover, the characteristics of color of the injury are
also computed that are dependants of a visual context, influenced for the existing colors in its surround, and
the attributes of form through the Fourier describers.
The Support Vector Machine is used for the classification task, which is based on the minimization
principles of the structural risk, coming from the statistical learning theory. The SVM has the objective to
construct optimum hyperplanes that represent the separation between classes. The generated hyperplane is
determined by a subset of the classes, called support vectors.
For the used database in this work, the results had revealed a good performance getting a global
rightness of 92,73% for melanoma, and 86% for non-melanoma and benign injuries. The extracted describers
and the SVM classifier became a method capable to recognize and toclassify the analyzed skin injuries.
Keywords: Skin cancer, Medical image, Digital image processing, Wavelet Packet Transform, Support
vector machine – SVM, Dermatology, Feature extraction, Segmentation.