Reconhecimento de Padrões no sinal mioelétrico (Plano Vertical com e sem Carga)

Documentos relacionados
Comparação entre um Classificador Estatístico e Redes Neurais para a identificação da posição angular do braço

Reconhecimento de Sinais EMG (Plano Horizontal Sem Carga)

ESTUDO DA ANÁLISE DE DISCRIMINANTES LINEARES COMO UM CLASSIFICADOR ESTATÍSTICO DE SINAIS MIOELÉTRICOS

COMPARAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DO SINAL MIOELÉTRICO VISANDO O RECONHECIMENTO DA POSIÇÃO ANGULAR DO BRAÇO

O reconhecimento facial é dividido em três etapas: i) detecção da face, ii) extração de características e iii) reconhecimento da face.

ANÁLISE MULTILINEAR DISCRIMINANTE DE FORMAS FRONTAIS DE IMAGENS 2D DE FACE

Análise Univariada de Sinais Mioelétricos

Utilização das transformadas wavelets na detecção de características em um sinal de ECG

RECONHECIMENTO DA POSIÇÃO INDIVIDUAL DOS DEDOS ATRAVÉS DA ANÁLISE DE DISCRIMINANTES LINEARES

Sistema de extração de características de tempo e frequência do sinal EMG em LabVIEW TM

Identificação de Órgãos Foliares utilizando as Wavelets de Daubechies

RECONHECIMENTO FACIAL UTILIZANDO EIGENFACES

Reconhecimento de Faces com PCA e Redes Neurais

SEMINÁRIO DOS ARTIGOS:

CC-226 Introdução à Análise de Padrões

TRANSFORMADA WAVELET, AGRUPAMENTO FUZZY, LDA E ICA APLICADOS NO RECONHECIMENTO DE FACES HUMANAS

COMPRESSÃO DE SINAIS DE ELETROMIOGRAFIA

Face Detection. Image Processing scc moacir ICMC/USP São Carlos, SP, Brazil

Reconhecimento facial. uma aplicação prática do reconhecimento de padrões

Processamento Digital de Sinais em Bioengenharia (PDSB) Engenharia Biomédica Apresentação

RECONHECIMENTO DE ÍRIS EM AMBIENTES NÃO COOPERATIVOS UTILIZANDO WAVELETS E GABOR 2D

Universidade de São Paulo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação

Comunicação Científica I

TÍTULO: IDENTIFICAÇÃO DE CARACTERES APRESENTADOS A UMA CÂMERA POR MEIO DO MOVIMENTO DOS DEDOS DA MÃO DE UM SER HUMANO

"Análise de Extratores de Característica para Reconhecimento de Face"

Estudo Comparativo entre Redes Neurais Artificiais Aplicadas a Reconhecimento Facial

Reconhecimento de palma de mão. Peterson Wagner Kava de Carvalho

Sketch to Photo Matching: A Feature-based Approach (Klare and Jain [2010])

Estatística Aplicada à Administração II

Métodos de Extração de Características

GRUPO DE INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL, MODELAGEM E NEUROCOMPUTAÇÃO ICONE

Análise de Componentes Principais (PCA)

14/05/2014. Tratamento de Incertezas TIC Aula 12. Conteúdo Propagação de Incertezas. Incerteza Propagação de incertezas de primeira ordem

Máquinas de Vetores de Suporte Aplicadas à Classificação de Defeitos em Couro Bovino

AVALIAÇÃO QUALITATIVA DE DETECÇÃO DE BORDAS EM IMAGENS DE RADIOGRAFIA PERIAPICAIS

Avaliação Monte Carlo do teste para comparação de duas matrizes de covariâncias normais na presença de correlação

Reconhecimento facial utilizando Fisherfaces. Disciplina: Reconhecimento de padrões Professor: André Tavares da Silva Mestrando: Márcio Koch

Disciplina: Processamento Estatístico de Sinais (ENGA83) - Aula 05 / Detecção Binária Baseada em

Caracterização de Imagens via Redes Neurais Artificiais

Utilização de redes neurais para a classificação de sinais EMG aplicados no controle de próteses virtuais de mão

Universidade Federal do Paraná (UFPR) Bacharelado em Informática Biomédica. Classificação. David Menotti.

Reconhecimento Ótico de Caracteres em Placas Veiculares

Aprendizado de Máquina. Combinando Classificadores

Extração e Comparação de Características Locais e Globais para o Reconhecimento Automático de Imagens de Faces

Reconhecimento de faces com uma imagem de treino por pessoa em cenas com diferenças de iluminação

MouseCam: aplicação de controle do mouse via câmera

Descritores de Imagens

Biometria Multimodalidade Íris + Face. Luiz Antonio Zanlorensi Junior

Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

REDES NEURAIS ARTIFICIAIS APLICADAS NA DETECÇÃO DE PISCADAS DE OLHOS

A procura da melhor partição em Classificação Hierárquica: A abordagem SEP/COP

Análise Discriminante de Fisher Aplicada à Detecção de Defeitos em Couro Bovino

Aplicação de Histograma de Gradientes Orientados para detecção de hidrômetros em imagens de fundo complexo

CRI Minas Indústria 4.0. Case Vallourec: Golden Batch na produção de tubos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA UFU

Reconhecimento de Faces Utilizando Redes Neurais MLP

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA UFU

Programa do Curso. Transformação de Dados. Sistemas Inteligentes Aplicados. Carlos Hall. Discretização de Variáveis Contínuas

E-Faces - Um classificador capaz de analisar imagens e classificá-las como faces ou não faces utilizando o método Eigenfaces

Cursos da Escola de Engenharias e Ciências Exatas - UnP

Sistema de Reconhecimento de Logotipos

Máquinas de Vetores de Suporte - Support Vector Machines (SVM) Germano Vasconcelos

Rastreamento de Objetos Baseado em Grafos. Casamento Inexato entre Grafos Relacionais com Atributos

Universidade Federal do Rio de Janeiro. Flávio Henrique Schuindt da Silva. Estimativa de Fluxo Ótico com o método de Lukas-Kanade

Person Re-Identification. Autor: Guilherme Zasyeki Machado

Algoritmo CLIQUE (Clustering In QUEst)

Universidade Federal do Paraná Departamento de Informática. Reconhecimento de Padrões. Extração de Características

UFAM - Engenharia Elétrica

Biomecânica aplicada ao esporte. Biomecânica aplicada ao esporte SÍNDROME PATELOFEMORAL

Considerações de Desempenho

AVALIAÇÃO DA ESTIMATIVA DE PARÂMETROS PARA MODELOS AR2D APLICADOS NA EXTRAÇÃO DE ATRIBUTOS DE TEXTURA EM IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO

Visualização de Informação Parte III. Multi-dimensional Visualization: Visual Mining of Text, Images and other Multi-dimensioanl entities.

CC-226 Introdução à Análise de Padrões

DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICA DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL BASEADA EM REDE NEURAL FUZZY-CMAC PARA APLICAÇÃO EM CONTROLE DE MÁQUINAS DE PRODUÇÃO

Descritores de Imagens

Reconhecimento de texturas utilizando padrão binário local e classificador knn.

CONTROLADOR FUZZY PARA MOTOR A RELUTÂNCIA. Dr. Tauler Teixeira Borges Departamento de Engenharia Universidade Católica de Goiás

Modelagem para previsão/estimação: uma aplicação Neuro-Fuzzy

Back Propagation. Dicas para o BP

DEPARTAMENTO DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DA FEI 18/5/2006 SEMINÁRIOS DA FEI

Avaliação de características para o reconhecimento de faces por meio de Wavelets

Autovalores e Autovetores

Algoritmo Adaptativo com Reduzida Complexidade Computacional para Extração dos Principais Componentes de Análise

Métodos hierárquicos para redução de dimensões e classificação de imagens AVIRIS. Denis Altieri de Oliveira Moraes 1 Victor Haertel 1

CLASSIFICAÇÃO DE PADRÕES EM IMAGENS UTILIZANDO DESCRITORES DE TEXTURA Pattern Classification in Images Using Descriptors of Texture

7 Resultados e Discussão

SEGMENTAÇÃO E RECONHECIMENTO DA ÍRIS

IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMA DE ATITUDE EM DSP

Extração de atributos usando o método LBP - Local Binary Pattern

SISTEMA AUTOMÁTICO PARA AVALIAÇÃO POSTURAL BASEADO EM DESCRITORES DE IMAGENS

Implementação dos Algoritmos e Resultados

Extração de características de imagens. Descritores de cor

VISÃO COMPUTACIONAL PARA RECONHECIMENTO DE FACES APLICADO NA IDENTIFICAÇÃO E AUTENTICAÇÃO DE USUÁRIOS NA WEB. Márcio Koch

Classificação Hierárquica Multirrótulo Utilizando Redes Neurais Artificiais

Universidade de São Paulo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação

Sensoriamento Remoto II

Conceitos de Aprendizagem de Máquina e Experimentos. Visão Computacional

IDENTIFICAÇÃO DE TECIDO COM ATEROSCLEROSE PELO MÉTODO DE ANALISE DO COMPONENTE PRINCIPAL. Thiago Siqueira Pinto, Landulfo Silveira Junior

ALGORITMOS PARA ALINHAMENTO DE IMAGENS MÉDICAS: PRÍNCIPIOS E APLICAÇÃO EM IMAGENS DE ESCLEROSE MÚLTIPLA

Aprendizado de Máquina (Machine Learning)

Transcrição:

Reconhecimento de Padrões no sinal mioelétrico (Plano Vertical com e sem Carga) Orientador: Maria Claudia Ferrari de Castro Departamento: Engenharia Elétrica Candidato: Milka Savili Crem Costa N FEI: 12109404-9 Início: Outubro/10 Provável conclusão: Setembro/11

RESUMO DO PROJETO A proposta do presente trabalho é o estudo do sinal mioelétrico dos músculos Bíceps braquial e Tríceps braquial, durante movimentos de flexão e extensão do braço no plano vertical, com e sem carga. O sinal mioelétrico dos referidos músculos foi adquirido durante a execução de três movimentos de flexão e extensão do braço, e tabulados possibilitando os estudos de detecção de padrões e caracterização de movimento. Dentre as técnicas que podem ser utilizadas, escolheu-se para esse trabalho a aplicação de técnicas de processamento estatístico, visando reduzir a redundância de informação presente nos dados através da Análise de Componentes Principais (PCA) e caracterizar a posição angular do braço a partir dos sinais adquiridos com a aplicação da Análise de Discriminantes Lineares (LDA). Este trabalho complementa os estudos feitos sobre os sinais obtidos durante os movimentos no plano horizontal que mostraram que a PCA realmente reduziu a dimensionalidade dos dados de 200 ou 400 para 3 a 5 componentes principais mas foi incapaz de apresentar uma boa separabilidade em função da posição angular, principalmente com o aumento do número de posições consideradas na análise. Já a LDA, apesar de ser uma análise supervisionada, onde os grupos são formados a priori, apresentou uma boa separabilidade entre os dados em função da posição angular do braço. A validação desta técnica para o movimento no plano horizontal está sendo realizada em outro projeto de Iniciação Científica. Após a análise dos dados obtidos no plano vertical, os resultados serão comparados com aqueles obtidos nos trabalhos anteriores para o plano horizontal. Caso os resultados sejam compatíveis, pretende-se fazer uma nova configuração de dados, independente do plano obtido, e verificar se é possível separá-los apenas em função da posição angular, ou se o plano de movimento é também um fator discriminante. Palavras-chave: 1. Flexão e extensão do braço 2. Eletromiografia 3. Posição angular do braço 4. PCA, LDA

I. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O interesse no uso do sinal mioelétrico (SME), como fonte de ativação de sistemas de interface homem-máquina, tem crescido nos últimos anos, tendo em vista que este sinal retém informações de controle do sistema nervoso, podendo então ser utilizado para a extração de informações relacionadas à intenção de movimento do sujeito. Essa extração de informação é conhecida como reconhecimento de padrões, segundo o qual, através de técnicas estatísticas e/ou de inteligência artificial, pretende-se detectar um comportamento comum em um movimento ou contração muscular, de um músculo ou de um conjunto de músculos, de maneira a descrever o padrão [1]-[5]. O processo de reconhecimento de padrões pode ser divido em duas etapas: extração de características e classificação. É sabido que o SME é redundante e ruidoso, o que quer dizer que, no conjunto total de dados, existe uma parte que não contribui com informação útil. A fase de extração de características tem por objetivo selecionar um conjunto de características que seja mais representativo e que contenha a maior parte da informação útil contida nos dados originais, e dessa forma obter um conjunto de dimensão menor, e mais fácil de se lidar na fase de classificação. Essa por sua vez, corresponde à identificação das características como pertencentes a uma determinada classe dentre um certo conjunto que pode ou não ser especificado à priori [3]-[6]. Na abordagem estatística, o SME pode ser representado por um vetor com d características, ou seja, x=[x 1,x 2,x 3,...,x d ]. Um conjunto de SMEs pode ser representado por N vetores como este, definindo um espaço d-dimensional representado pela matriz X N x d. O processo de extração de características consiste em selecionar as m características mais representativas, tal que m<<<d, visando garantir que os padrões associados a diferentes classes ocupem regiões distintas no espaço m-dimensional, conhecido como espaço das características (feature space). A eficácia dessa etapa pode ser determinada pela separabilidade das classes no espaço m-dimensional [6]. Um dos métodos mais utilizados na fase de extração de características, principalmente visando a redução de dimensionalidade é a Análise de Componentes Principais (PCA), que baseia-se em combinar linearmente os dados, criando uma nova base de dados e projetá-los nas direções de maior variabilidade. Isto é importante para que, apesar da redução da dimensionalidade, não haja perda significativa de informação [6]. A Análise Discriminante Linear (LDA) também pode ser usada para fins de redução de dimensionalidade, mas com poder discriminatório, enfatizando a separação inter-classes. O objetivo é

maximizar a dispersão entre classes representada pela matriz Sb (definida por (2)), e minimizar a dispersão dentro das classes, representada pela matriz S (dada por (3)), onde g é o número de classes, Ni o número de amostras na classe Xi, x i a média da classe Xi e x o vetor média total, considerando todas as amostras de todas as g classes [7] - [9]. Devido ao critério de Fisher uma maneira de fazer isso é maximizar a razão definida por (4). Se S é não singular, a solução é um problema típico de autovetores, como definido por (5), onde λ e φ são, respectivamente, os autovetores e os autovalores de zero. S 1 S b, com no máximo (g-1) autovalores diferentes de = g T S b Ni( xi x)( xi x) i= 1 (2) S g = i= 1 xk X i T ( x xi )( x xi ) k k (3) W lda T W SbW arg max W T W S W = (4) S φ = λs φ (5) b No entanto, em aplicações práticas, a dispersão intra-classes S é sempre singular ou quase singular. Isto vem do fato de que, em geral, o número de padrões Ni no conjunto de treinamento é muito menor que a dimensionalidade d do conjunto de dados [7] - [9]. Para superar a dificuldade da singularidade de S, existem vários métodos na literatura. Um deles chamado LDA regularizado (RLDA), adiciona uma constante α para os elementos da diagonal da matriz de dispersão total St, da matriz Sp e até mesmo de S, sendo que 0<α<1 é conhecido como o parâmetro de regularização. Esse processo estabiliza a estimativa da matriz de covariância e melhora o desempenho da classificação da LDA. Por outro lado, escolher um valor adequado de regularização é uma questão crítica na RLDA, uma vez que um grande valor pode perturbar significativamente as informações, enquanto um valor pequeno pode não ser eficaz para resolver o problema de instabilidade [8] - [10]. S S + S t = (6) b S p = S ( N g) (7)

II. PROJETO DE PESQUISA II.1. Objetivos e justificativas Um protocolo experimental foi aplicado visando à aquisição dos sinais mioelétricos dos músculos Bíceps braquial (bíceps) e Tríceps braquial (tríceps), em função do posicionamento articular do cotovelo, durante movimentos de extensão e flexão do braço, com e sem carga. Os dados já foram tabulados, formando uma base de dados extensa possibilitando os estudos de detecção de padrões e caracterização de movimento. O presente trabalho visa a continuação dos estudos iniciados em [11]-[12] mas agora analisando os movimentos realizados no plano vertical, com as mesmas técnicas, aplicação da Análise de Componentes Principais (PCA) e da Análise Discriminante Linear (LDA), visando verificar a distribuição e separabilidade dos dados, após a redução de dimensionalidade nos dois espaços de transformação, em função da posição angular do braço. Os resultados serão comparados com aqueles obtidos nos trabalhos anteriores para o plano horizontal. Caso sejam compatíveis, pretende-se fazer uma nova configuração de dados, independente do plano obtido, e verificar se é possível separá-los apenas em função da posição angular, ou se o plano de movimento é também um fator discriminante. II.2. Metodologia II.2.1. Recursos humanos e materiais e CGI. Todos os recursos materiais estão disponíveis no Laboratório de Engenharia Biomédica e/ou CLE II.2.2. Métodos O protocolo experimental para aquisição dos dados contou com a participação de 7 voluntários, homens e mulheres, com idades entre 30 e 40 anos, que não apresentaram nenhum comprometimento neuromuscular no ombro, braço e punho direitos. Todos foram informados do procedimento a que seriam submetidos e concordaram em assinar o termo de consentimento livre e esclarecido.

De posse dos dados adquiridos, iniciou-se a fase de seleção e tabulação dos dados, separando os 200ms iniciais do movimento, para cada posição articular, para cada um dos movimentos. O tamanho do vetor de dados baseou-se no trabalho de B. Hudgins, P. Parker e R. N. Scott que em [5] mostram que os 200 ms iniciais da contração muscular contêm informações determinísticas. Por esse motivo a opção em selecionar os 200 ms iniciais para caracterizar cada posição angular durante a realização dos movimentos. Inicialmente este projeto irá trabalhar com os dados referentes aos movimentos realizados no plano vertical, com e sem carga. Com os dados tabulados inicia-se o projeto, com a fase de processamento estatístico, aplicando a PCA e LDA e análise da distância de Bhattacharyya para a caracterização de padrões focando as posições de 0 o, 40 o e 70 o graus para os movimentos 1 e 2 e os intervalos de 0 a 10 o, de 0 o a 50 o e de 0 o a 80 o para o movimento 3. O processamento será feito com a utilização da plataforma MATLAB. Após a análise dos resultados esse procedimento será repetido com a utilização de posições articulares mais próximas, ou seja 0 o, 20º, 40º, 60º, 80º graus para os movimentos 1 e 2 e os intervalos de 0 a 10º, de 0 a 30º, de 0 a 50 o, de 0 a 70º e de 0 a 80º graus, para o movimento 3. O trabalho finaliza-se com a análise de todos os resultados verificando a existência ou não da relação entre EMG e posição angular e a capacidade da PCA e da LDA em reduzir a dimensionalidade e discriminar os dados com relação à posição angular do braço. Se os resultados forem consistentes com o verificado anteriormente para os dados obtidos no plano horizontal pretende-se estender a análise, verificando a influência do plano do movimento no poder discriminatório das técnicas.

II.3. Plano de trabalho e cronograma Meses atividade 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Revisão Bibliográfica e Estudo Teórico (EMG, PCA, LDA) Processamento Estatístico Fase 1 Processamento Estatístico Fase 2 Relatório Parcial Análise e Comparação dos Resultados Processamento Estatístico Fase 3 Relatório Final II. Referências Bibliográficas [1] Md.R. Ahsan, M.I. Ibrahimy e O.O. Khalifa, EMG signal classification for human computer interaction: a revie European Journal Scientific Research, vol. 33, n. 3, p.480-501, 2009. [2] M.B.I. Reaz, M.S. Hussian, e F. Mohd-Yasin, Techniques of EMG signal analysis: detection, processing, classification and applications Biological Procedures Online, vol. 8, n. 1, p.11-35, 2006. Disponível em: http://.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc145 5479/. [3] M.Khezri, e M. Jahed, Real-time intelligent pattern recognition algorithm for surface EMG signal BioMedical Engineering Online, vol. 6:45, Dez., 2007. Disponível em: http://.biomedicalengineering-online.com/content/6/1/45.

[4] K. Englehart, B. Hudgins, P. A. Parker e M. Stevenson Classification of the myoelectric signal using time-frequency based representations Medical Engineering and Physics Especial Issue on Intelligent Data Analysis in Electromyography and Electroneurography, vol. 21, n. 6-7, pp. 431-438, 1999. [5] B. Hudgins, P. Parker e R. N.Scott, A ne strategy for multifunction myoelectric control IEEE Transaction on Biomedical Engineering, vol. 40, n. 1, pp. 82-94, 1993. [6] A. K. Jain, R. P. W. Duin e J. Mao, Statistical pattern recognition: a revie IEEE Transaction on Pattern Analysis. Intelligence, vol. 22, n. 1, pp.4-37, 2000. [7] P. N. Belhumeur, J. P. Hespanha, and D. J. Kriegman, Eigenfaces vs Fisherfaces: recognition using class specific linear projection, IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., vol. 19, pp. 711-720, Jul. 1997. [8] C. E. Thomaz, E. C. Kitani, and D. F. Gillies, A maximum uncertainty LDA-based approach for limited sample size problems ith application to face recognition, J. Brazilian Comput. Soc., Vol. 12, pp. 7-18, Sept., 2006. [9] J. Ye, et al., Efficient model selection for regularized linear discriminant analysis, Proc. 15 th ACM Int. Conf. Inform. Knoledge Manage., Virginia, USA, 2006, pp. 532-539. [10] Y. Guo, T. Hastie, and R. Tibshirani, Regularized linear discriminant analysis and its application in microarrays, Biostat., vol. 8, pp. 86-100, Apr., 2007. [11] D. P. Oliveira, T. H. Nascimento, M. C. F. Castro, Aplicação da Análise de Componentes Principais em sinais mioelétricos do Bíceps Braquial e Tríceps Braquial submetido ao XXII Congresso brasileiro de Engenharia Biomédica 2010. [12] M. C. F. Castro, Statistical Approach for Angular Position Separability Classes of EMG Data, submetido ao Biosignals and Biorobotics Conference 2011. Milka Savili Crem Costa Maria Claudia F. Castro