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Tipo: Tese
Título: Entropia diferencial multiescala e agregação de descritores na classificação de folhas de plantas
Título em inglês: Multiscale differential entropy and feature aggregation in plant leaf classification
Autor(es): Pinheiro, Raphael Gomes
Orientador: Medeiros, Fátima Nelsizeuma Sombra de
Palavras-chave em português: Entropia da curvatura multiescala;Folhas - Classificação;Entropia (Teoria da informação);Aprendizagem profunda
Palavras-chave em inglês: Multiscale entropy of curvature;Leaves - Classification;Entropy (Information theory);Deep Learning
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2025
Citação: PINHEIRO, Raphael Gomes. Entropia diferencial multiescala e agregação de descritores na classificação de folhas de plantas. 2025. 72 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A análise e o reconhecimento de formas são fundamentais no projeto de sistemas baseados em visão computacional. O grande desafio consiste em desenvolver métodos robustos capazes de extrair características significativas dessas formas para representá-las adequadamente. Nesse contexto, os descritores multiescala constituem uma alternativa versátil e eficiente para a caracterização de formas. Este trabalho apresenta uma metodologia para a classificação de folhas de plantas com base em atributos construídos manualmente a partir da entropia da curvatura multiescala e de características de textura, além de deep features extraídos por redes neurais convolucionais (CNNs). Propõem-se três descritores de objetos baseados na entropia da curvatura multiescala. Esses descritores utilizam a entropia diferencial das distribuições de probabilidade das curvaturas em múltiplas escalas para criar uma representação do contorno da forma, do nível mais geral ao mais detalhado. Apresenta-se, assim, um descritor que combina a entropia da curvatura multiescala, a energia de dobramento (bending energy) e atributos de textura, com o objetivo de aprimorar a extração de assinaturas de forma e capturar detalhes sutis da textura nas imagens das folhas. O descritor de textura integra estatísticas do padrão binário local (LBP) e da matriz de coocorrência de níveis de cinza (GLCM). Os descritores manuais propostos são comparados com deep features extraídos de diferentes CNNs em uma tarefa de classificação multiclasse, utilizando o classificador Random Forest em substituição à camada totalmente conectada das CNNs. Os experimentos foram realizados em quatro bases públicas de folhas: Plantscan, MED117, Flavia e Swedish. Os resultados obtidos nas métricas F1-score e acurácia, superiores a 99,50%, validam a estratégia de agregação e demonstram sua robustez e competitividade. Além disso, a abordagem proposta superou quatro conjuntos distintos de atributos profundos, considerando tanto os valores de F1-score quanto de acurácia. A análise qualitativa por meio da visualização multidimensional dos dados comprova que a combinação de diferentes características de forma e textura aprimorou a descrição das imagens das folhas, proporcionando maior compacidade intraclasse e melhor separação interclasse nos conjuntos de dados analisados.
Abstract: Shape analysis and recognition are fundamental in the design of computer vision-based systems. The greatest challenge is to develop robust methods capable of extracting significant features from shapes in order to represent them effectively. In this context, multiscale descriptors represent a versatile and efficient alternative for shape characterization. This work presents a methodology for classifying plant leaves based on handcrafted features derived from the multiscale entropy of curvature and texture, as well as deep features obtained from convolutional neural networks (CNNs). We propose three object descriptors based on the multiscale entropy of curvature. These descriptors rely on the differential entropy of the probability distributions of multiscale curvatures to create a coarse-to-fine representation of the shape contour. Furthermore, we present a descriptor that aggregates the multiscale entropy of curvature, bending energy of curvature, and texture features to enhance the extraction of object signatures and subtle texture details in leaf images. The texture descriptor combines statistics from the local binary pattern and gray-level co-occurrence matrix. We compare our handcrafted descriptors with deep features extracted from various CNNs in a multiclass classification framework using the random forest classifier, replacing the fully connected layer of the CNNs with this classifier. Experiments were conducted on four public leaf datasets: Plantscan, MED117, Flavia, and Swedish. The results, evaluated using F1-score and accuracy metrics exceeding 99.50%, validate the aggregation strategy and demonstrate that it is competitive and robust. The findings also confirm that the proposed strategy outperformed four different sets of deep features according to both F1-score and accuracy metrics. Qualitative analysis through multidimensional data visualization further demonstrates that combining different shape features and texture details improves the description of leaf images, providing better intraclass compactness and interclass separation across the datasets.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85317
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0009-0004-1144-2370
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/5876229858492038
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0003-3075-8771
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/5144730275745518
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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