Análise das distorções em leituras angulares de imagens fotográficas

Resumos

BACKGROUND: Although photogrammetry is a widespread technique in the health field, despite of the methodological efforts distortions in the angular readings of the images are common. OBJECTIVE: To measure the error of angular measurements in photo images with different digital resolutions in an object with pre-determined angles. METHODS: We used a rubber ball with 52 cm in circumference. The object was previously marked with angles of 10°, 30°, 60° and 90° degrees. The photographic records were performed with the focal axis of the camera perpendicular and three meters away from the object, without the use of optical zoom and a resolution of 3, 5 and 10 Megapixels (Mp). All photographic records were stored and a previously trained experimenter using the computer program ImageJ analyzed the angular values of each photo. The measurements were performed twice within a fifteen-days interval. Subsequently, we calculated the accuracy, relative error and error in degrees values, precision and the Intraclass Correlation Coefficient (ICC). RESULTS: When analyzing the angle of 10°, the average accuracy of measurements was higher for those records of 3 Mp resolution compared to 5 and 10 Mp resolutions. The ICC was considered excellent for all resolutions. With regards to the analyzed angles in photographic records, it was possible to verify that the 90-degree angle photographs were more accurate, had lower relative error and error in degrees, and were more precise, regardless of image resolution. CONCLUSION: The photographs records that were taken with a 3 Mp resolution provided great accuracy and precision measurements and lower errors values, suggesting to be the proper resolution to generate image of angles of 10º and 30º.

photogrammetry; image processing computer-assisted; instrumentation; validation studies

^IUniversidade de São Paulo (USP), Ribeirão Preto, SP, Brasil

^IIPrograma de Pós-graduação em Ciências da Saúde Aplicada ao Aparelho Locomotor, USP, Ribeirão Preto, SP, Brasil

^IIIDepartamento de Biomecânica, Medicina e Reabilitação do Aparelho Locomotor, Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, USP, Ribeirão Preto, SP, Brasil

Endereço para correspondência

RESUMO

CONTEXTUALIZAÇÃO: A biofotogrametria é uma técnica difundida na área da saúde e, apesar dos cuidados metodológicos, há distorções nas leituras angulares das imagens fotográficas.

OBJETIVO: Mensurar o erro das medidas angulares em imagens fotográficas com diferentes resoluções digitais em um objeto com ângulos pré-demarcados.

MÉTODOS: Utilizou-se uma esfera de borracha com 52 cm de circunferência. O objeto foi previamente demarcado com ângulos de 10º, 30º, 60º e 90º, e os registros fotográficos foram realizados com o eixo focal da câmera a três metros de distância e perpendicular ao objeto, sem utilização de zoom óptico e com resolução de 3, 5 e 10 Megapixels (Mp). Todos os registros fotográficos foram armazenados, e os valores angulares foram analisados por um experimentador previamente treinado, utilizando o programa ImageJ. As aferições das medidas foram realizadas duas vezes, com intervalo de 15 dias entre elas. Posteriormente, foram calculados os valores de acurácia, erro relativo e em graus, precisão e Coeficiente de Correlação Intraclasse (ICC).

RESULTADOS: Quando analisado o ângulo de 10º, a média da acurácia das medidas foi maior para os registros com resolução de 3 Mp em relação às resoluções de 5 e 10 Mp. O ICC foi considerado excelente para as três resoluções de imagem analisadas e, em relação aos ângulos analisados nos registros fotográficos, pôde-se verificar maior acurácia, menor erro relativo e em graus e maior precisão para o ângulo de 90º, independentemente da resolução da imagem.

CONCLUSÃO: Os registros fotográficos realizados com a resolução de 3 Mp proporcionaram medidas de maiores valores de acurácia e precisão e menores valores de erro, sugerindo ser a resolução mais adequada para gerar imagem de ângulos de 10º e 30º.

Palavras-chave: fotogrametria; análise de imagem assistida por computador; instrumentação; estudos de validação.

Introdução

Para avaliar o alinhamento dos segmentos corporais, inúmeros métodos têm sido empregados, tais como a análise visual¹, radiografias², câmeras de vídeo^3-6, goniometria^7-11 e a fotogrametria^12-17. O uso da biofotogrametria tem sido preconizado para avaliação postural pela relativa simplicidade da técnica, baixo custo e por ser capaz de quantificar alterações posturais difíceis de mensurar por inspeção^18,19.

A fotogrametria é uma ferramenta utilizada como auxílio durante o exame físico para quantificação das alterações posturais^12-17, alterações do equilíbrio estático^20,21 e análise da mecânica respiratória^22,23. Com o aperfeiçoamento metodológico, a técnica difundiu-se rapidamente e hoje é utilizada por vários profissionais da saúde para quantificação das alterações de estruturas corporais externas visíveis²⁴.

A confiabilidade intra e a interexaminador, avaliadas a partir da quantificação das assimetrias e desvios posturais de ângulos da face e do corpo na postura ortostática no plano frontal, sagital e posterior, apresentaram níveis de correlação entre bom e excelente para a maioria dos ângulos^15,25, seguindo o critério de classificação de Wahlund, List e Dworkin²⁶. No entanto, o método apresenta baixos índices de sensibilidade quando os registros fotográficos são realizados na vista posterior¹⁹. Van Niekerk et al.²⁷ analisaram, por meio da biofotogrametria, a postura sentada de adolescentes e compararam essas imagens às observadas por registros radiográficos de baixa dosagem. Os autores sugerem a indicação da biofotografia como padrão-ouro, visto que não verificaram diferenças estatísticas na análise postural¹⁶.

Embora poucos artigos descrevam detalhadamente os parâmetros utilizados no processo de aquisição da imagem, vários cuidados metodológicos e padronizações são descritos na literatura para evitar distorção nas leituras angulares. O ambiente, por exemplo, dever ser adequadamente iluminado¹⁷, a câmera utilizada deve ser posicionada à mesma distância para todo o voluntário; o uso do tripé para manutenção do foco e o enquadramento são importantes para um registro adequado^18,28. Além desses cuidados, o centro óptico da câmera deve estar perpendicular ao plano do ângulo postural de interesse, pois tal cuidado pode minimizar o erro de perspectiva causado pelas características de refração da lente²⁹.

O mercado atual disponibiliza várias opções de câmeras e resoluções de imagens; dessa maneira, é essencial saber qual o modelo mais adequado para uma avaliação de alta qualidade. Machado, Souki e Mazzieiro³⁰ analisaram a influência da resolução da câmera digital no registro fotográfico por meio da avaliação visual de definição e nitidez de uma única imagem digital facial de perfil com diferentes resoluções (de 1 a 7 Mp). Os resultados mostraram que não se constataram diferenças significativas entre as resoluções utilizadas, independente do método de visualização empregado. No entanto, não se encontraram trabalhos que verificassem medidas de erro, acurácia e repetibilidade em relação à resolução das imagens.

Para que um instrumento seja confiável, além de ter níveis aceitáveis de repetibilidade, sensibilidade e confiabilidade intra e interexaminador, outros aspectos devem ser levados em consideração, como a acurácia e a precisão das medidas. Isso porque a acurácia de um sistema de aferição é o grau de proximidade ou fidedignidade com o qual esse instrumento mede o valor real da medida que está sendo mensurada. Por outro lado, a precisão mede a proximidade entre os valores obtidos pela repetição do processo de mensuração. Assim, quanto maior a acurácia do processo de mensuração, mais próximo está o resultado da medida do valor verdadeiro, enquanto a precisão diz respeito à repetibilidade das medidas e, quanto maior a precisão, menor a variabilidade entre as medidas^31,32.

Dessa maneira, o objetivo deste trabalho foi verificar o erro de medidas angulares decorrente de diferentes resoluções de imagens fotográficas digitais.

Materiais e Métodos

Foram traçados ângulos nos planos XYZ formados a partir de marcadores posicionados em uma esfera de borracha com 52 cm de circunferência (Figura 1). O objeto foi colocado sobre uma superfície fixa e estável com um metro de altura e à frente de um anteparo não-reflexivo. Na esfera, foram demarcados quatro ângulos, 10º, 30º, 60º e 90º, sendo dois pontos fixos e apenas um ponto variável para obter esses ângulos. Todas as angulações foram demarcadas pela Oficina de Precisão da Universidade de São Paulo (USP) do Campus de Ribeirão Preto, Brasil.

Os registros fotográficos foram realizados com a câmera fotográfica digital Sony®DSC T700, com resolução máxima de 10.1 Megapixels (Mp), lente Carl Zeiss Vario-Tessar®. A câmera foi fixada em um tripé Manfroto®, com cabeça Manfroto®, ajustado a um metro de altura, nivelada com o plano horizontal, e o centro óptico foi ajustado ao centro da esfera.

No procedimento de aquisição dos dados, a esfera foi fotografada com o eixo focal da câmera a três metros de distância da câmera e perpendicular ao objeto, sem utilização de zoom óptico e flash, com resolução de 3, 5 e 10 Mp. Uma iluminação artificial direta sobre a face fotografada da esfera foi utilizada para evitar a formação de sombras.

Todos os registros fotográficos foram armazenados em formato jpeg, e os valores angulares foram analisados por um experimentador previamente treinado, utilizando o programa ImageJ ³³ em um monitor da marca Acer®, tela LCD, com 14.1 polegadas e resolução 1280x800 pixels. As medidas foram feitas em sequência aleatória para os ângulos e com intervalo de 15 dias entre as análises denominadas, respectivamente, de medidas 1 e 2. O programa ImageJ, disponível on-line gratuitamente³³, é um algoritmo matemático que transforma pontos de imagens em eixos de coordenadas cartesianas, permitindo, assim, a quantificação de ângulos a partir de imagens capturadas.

Análise dos dados

A aferição do erro das medidas foi calculada a partir dos valores de precisão (erro aleatório), acurácia (erro sistemático), erro em graus, erro relativo, e Coeficiente de Correlação Intraclasse (ICC), utilizando a média dos valores das medidas 1 e 2 e calculados no programa Microsoft Office Excel 2007 para Sistema Operacional Windows.

A precisão das medidas foi estimada a partir do cálculo do desvio-padrão das medidas 1 e 2 dividido pela raiz quadrada da média das medidas 1 e 2. O valor de precisão varia entre zero e um, sendo zero a maior precisão e um a menor precisão.

A equação utilizada para o cálculo da porcentagem de acurácia está descrita abaixo:

% Acurácia = 100 – (Valor real – Valor mensurado)

Valor real

O erro absoluto das medidas foi calculado subtraindo o valor real do ângulo do valor medido na fotografia pelo programa de computador. O erro relativo foi obtido calculando a razão entre o erro absoluto e o valor verdadeiro da medida. Os valores de acurácia e erro relativo variam de 0 a 100%, sendo 100% o valor de maior acurácia e maior erro relativo.

O ICC foi calculado por meio do programa Instat prism 5® para cada resolução da imagem (3, 5 e 10 Mp). Foram considerados os quatro valores da medida 1 e os quatro valores da medida 2 para cada resolução da imagem. Segundo Fleiss, Levin e Paink³⁴, a reprodutibilidade é considerada excelente acima de 0,85.

Resultados

A comparação entre as resoluções das câmeras e as medidas angulares apresentou valores de acurácia entre as medidas 1 e 2 semelhantes em todas as resoluções utilizadas (Tabela 1). Entretanto, quando se observa a média da acurácia dos registros fotográficos entre as diferentes resoluções, a de 3 Mp encontra-se maior em relação às resoluções de 5 e 10 Mp para o menor ângulo.

A média do erro relativo das medidas com a resolução de 5 Mp foi maior em relação aos registros fotográficos de 3 e 10 Mp, os quais são semelhantes entre si. No entanto, os menores valores de acurácia e precisão das medidas foram encontrados nos registros fotográficos de 5 Mp, seguido pelos de 10 e de 3 Mp.

Em relação aos ângulos analisados nos registros fotográficos, pôde-se verificar maior acurácia, menor erro relativo e em graus bem como maior precisão para o ângulo de 90º, não havendo distinção entre as resoluções das imagens adotadas. Entretanto, para o ângulo de 10º, os melhores registros foram encontrados com a resolução da imagem de 3 Mp.

Em relação às imagens com resolução de 10 Mp, as medidas de 10º e 30º foram as que apresentaram os menores valores de precisão, enquanto o ângulo de 60º apresentou maior erro, em graus, dentre os ângulos avaliados.

Os valores do ICC apresentaram níveis excelentes para as três resoluções analisadas.

Discussão

Considerando que uma medida deva ser acurada e precisa, os resultados deste estudo indicam que os registros de 3 Mp são os mais adequados para representar os ângulos pré-determinados. Além disso, ângulos de 10º e 90º são os que melhor foram representados pela fotogrametria em relação aos de 30º e 60º, pois alcançaram melhor acurácia e maior precisão nos registros de 3 Mp.

O ângulo de 90º foi o mais acurado, independente da qualidade do registro fotográfico, provavelmente pelo fato de ser um ângulo perpendicular e, ao se utilizar o programa ImageJ para formar a ângulo, a linha traçada entre os dois pontos se transforma em uma reta contínua quando não há inclinação, sugerindo ser o local exato do segundo ponto. Ao analisar os ângulos de 10º e 30º, adquiridos com câmeras de alta resolução, torna-se mais difícil a adequada mensuração do ângulo observado no registro fotográfico digital com maior número de pontos para representar a imagem. Quanto maior a resolução da câmera utilizada, mais pontos serão formados na imagem digital, multiplicando a possibilidade de pontos a serem escolhidos para traçar os ângulos, dificultando, assim, a sua obtenção.

Em estudo anterior, Iunes et al.¹⁵ sugeriram 22 ângulos adquiridos por meio de fotos de 2 Mp nos planos sagital, frontal e posterior do corpo humano para avaliar o alinhamento postural de pessoas sem desvios posturais. Cerca de 50% dos ângulos sugeridos pelos autores para a avaliação de assimetrias posturais apresentavam medidas entre 0° e 10°. Dessa forma, é preciso considerar que esses ângulos menores que 10º podem sofrer redução de precisão e acurácia, quando adquiridos de imagens com câmeras de alta resolução, como 5 e 10 Mp.

A aplicação da fotogrametria para o registro do alinhamento postural já foi questionada anteriormente. Döhnert e Tomasi¹⁴ verificaram que a biofotogrametria não pode ser realizada como screening para detecção de escoliose de grau leve (média do ângulo Cobb 5.5º), pois apresenta baixa sensibilidade e especificidade. Iunes et al.³⁵ sugeriram que os dados de alinhamento postural obtidos por fotogrametria e por inspeção visual sejam considerados de maneira independente, uma vez que a concordância entre as avaliações foi, na maioria dos ângulos utilizados na análise, não-significativa.

Os dados revelam a inexistência de uma correlação linear entre o emprego de uma melhor resolução de imagem fotográfica e resultados significativamente melhores quanto à ICC, precisão, acurácia, erro em graus e relativo. Assim, como já havia sido constatado quando se comparou o incremento das resoluções digitais por meio da análise visual de definição e nitidez, os resultados mostraram que não há diferenças significativas.

Alguns fatores limitantes do presente estudo seriam alterações de nitidez, limitada pela definição do monitor utilizado para a análise dos dados e parâmetros não-controláveis da câmera, como o índice de nitidez e a deformação da lente. Vale ressaltar que as imagens foram coletadas em um único dia, com segundos de diferenças entre elas, e, apesar de controlado, o uso desse instrumento aproxima-se da aquisição da imagem gerada na clínica.

Conclusão

Com base nos dados do presente trabalho, pode-se observar que os registros fotográficos realizados com a resolução de 3 Mp proporcionaram medidas de maior valor de acurácia e precisão e menores valores de erro, sugerindo ser a resolução mais adequada para gerar imagem fotográfica de ângulos de 10º e 30º.

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Análise das distorções em leituras angulares de imagens fotográficas

Gabriela F. Codarin^I; Lilian R. Felicio^II; Daniel M. Coelho^II; Anamaria S. Oliveira^III

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  02 Ago 2012
• Data do Fascículo
  Ago 2012

Histórico

• Recebido
  08 Dez 2011
• Aceito
  20 Mar 2012
• Revisado
  06 Fev 2012