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Título: Método de triangulação aplicado sobre dados capturados com acelerômetro de movimentos humanos, visando a extração de novas características e o reconhecimento de padrões
Título(s) alternativo(s): Triangulation method applied on data captured with human movement acelerometer, aiming to extract new characteristics and pattern recognition
Autor(es): Giacomossi, Luiz Carlos
Orientador(es): Pichorim, Sérgio Francisco
Palavras-chave: Triangulação
Sistemas de reconhecimento de padrões
Mecânica humana
Algorítmos - Desenvolvimento
Acelerômetros
Aprendizado do computador
Redes neurais (Computação)
Triangulation
Pattern recognition systems
Human mechanics
Algorithms - Development
Accelerometers
Machine learning
Neural networks (Computer science)
Data do documento: 22-Jun-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: GIACOMOSSI, Luiz Carlos. Método de triangulação aplicado sobre dados capturados com acelerômetro de movimentos humanos, visando a extração de novas características e o reconhecimento de padrões. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Esta pesquisa apresenta um método de triangulação, o qual, foi aplicado sobre os sinais elétricos 3D discretizados de movimentos humanos normais do dia a dia e anormais como os tremores, capturados do acelerômetro interno de um smartphone, visando o reconhecimento de padrões. A principal contribuição do método proposto, está na elaboração de um algoritmo que utiliza os conceitos Euclidianos e estatística básica na composição de novas características extraídas de sequências de triângulos, as quais, são baseadas em retas (subida, descida e base), perímetro, ângulos, coeficientes angulares das retas (derivada) e contagem dos triângulos. Os novos conceitos, podem ser aplicados na área da engenharia biomédica, tendo em vista, a quantidade de estudos que utilizam movimentos humanos e o sensor acelerômentro, bem como, os ótimos resultados apresentados neste estudo. Foram feitas comparações entre o método proposto e os conhecidos conceitos da FFT (Fast Fourier Transform), que converte um sinal no domínio do tempo para o domínio da frequência, bem como, realizadas comparações com características estatísticas no domínio do tempo. Foram elaborados 4 conjuntos de padrões que aplicam a técnica de triangulação e 3 conjuntos de padrões que aplicam as características clássicas da literatura, em 4 experimentos variando a quantidade de movimentos (5 e 9), a quantidade de características (9, 15 e 36) e o tamanho das janelas de dados de entrada (100, 200, 500 e 1000 pontos) na composição dos padrões. Os índices de classificação para cada classe supervisionada (1 a 9), utilizando dois classificadores, Multilayer Perceptron (MLP) e K-Nearest Neighbor (KNN) para k=5, foram utilizados nas avaliações e registrados os valores de acertos individuais e médios por movimento, entre as 9 categorias estudadas. Quanto aos índices médios de acerto, no terceiro experimento (5 movimentos e 36 características), os valores 99,6% e 99,6%, foram resultados alcançados com os conjuntos de características aplicando triangulação (e média) e os conjuntos das características clássicas da literatura, para janelas de 200 e 500 pontos, ambos com o classificador MLP, respectivamente. Resultado favorável a técnica de triangulação devido ao tamanho da janela de entrada ser menor (200 pontos). Utilizando os mesmos 5 movimentos, no terceiro experimento e janelas de 1000 pontos, foi obtida a maior taxa média de 100% de acerto, com os conjuntos de características que aplicam a triangulação (e soma) e 99,9% utilizando os conjuntos de características da literatura, ambos com o classificador MLP. No quarto experimento, utilizando todos os 9 movimentos, foram obtidos os índices médios de 99,5% com as características da literatura e 99,5% com as características da triangulação (e média), neste caso, para janelas de 1000 pontos e classificador KNN. Os resultados obtidos nesta pesquisa são promissores, tendo em vista os elevados índices de acerto obtidos com o método de triangulação, os quais, foram equiparados aos índices obtidos com os conjuntos de características da literatura, bem como, ao realizar a associação de todas as características (triangulação e literatura) em um novo processamento, os índices de acerto na classificação final (categorias de movimentos) melhoraram, comprovando a eficiência do método proposto.
Abstract: This research presents a triangulation method, which was applied to the 3D electrical signals discretized from normal everyday human movements and abnormal ones such as tremors, captured from the internal accelerometer of a smartphone, aiming at pattern recognition. The main contribution of the proposed method is in the elaboration of an algorithm that uses Euclidean concepts and basic statistics in the composition of new fetures extracted from sequences of triangles, which are based on straight lines (ascent, descent and base), perimeter, angles , angular coefficients of the straights (derived) and triangle count. The new concepts can be applied in the area of biomedical engineering, in view of the amount of studies that use human movements and the accelerometer sensor, as well as the excellent results presented in this study. Comparisons were made between the proposed method and the well-known concepts of FFT (Fast Fourier Transform), which converts a signal in the time domain to the frequency domain, as well as comparisons with statistical features in the time domain. Four sets of patterns that apply the triangulation technique and 3 sets of patterns that apply the classic features of the literature were elaborated, in 4 experiments varying the amount of movements (5 and 9), the amount of features (9, 15 and 36) and the size of the input data windows (100, 200, 500 and 1000 points) in the pattern composition. The classification indices for each supervised class (1 to 9), using two classifiers, Multilayer Perceptron (MLP) and K-Nearest Neighbor (KNN) for k=5, were used in the evaluations and the values of individual and average hits were recorded by movement, among the 9 categories studied. As for the average hit rates, in the third experiment (5 movements and 36 features), the values 99.6% and 99.6% were results achieved with the sets of features applying triangulation (and average) and the sets of classic features from the literature, for windows of 200 and 500 points, both with the MLP classifier, respectively. Favorable result for the triangulation technique due to the smaller input window size (200 points). Using the same 5 movements, in the third experiment and windows of 1000 points, the highest average rate of 100% hit was obtained, with the feature sets that apply triangulation (and sum) and 99.9% using the feature sets from the literature, both with the MLP classifier. In the fourth experiment, using all 9 movements, the average indices of 99.5% were obtained with the features of the literature and 99.5% with the features of triangulation (and average), in this case, for windows of 1000 points and classifier KNN. The results obtained in this research are promising, in view of the high hit rates obtained with the triangulation method, which were equated to the indices obtained with the sets of features in the literature, as well as, when performing the association of all the features (triangulation and literature) in a new processing, the hit rates in the final classification (categories of movements) improved, proving the efficiency of the proposed method.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29792
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