Simulation of human skin pigmentation disorders

Abstract

Our work presents a simulation model of human pigmentation disorders. Our model is formed by a set of differential equations that defines a reaction-diffusion system. Our system simulates some features of the human pigmentary system. Changes in this system can lead to imbalances in the distribution of melanin in the skin resulting in artifacts known as pigmented lesions. Our model aims to reproduce these changes and consequently synthesize human pigmented lesions. Our reaction-diffusion system was developed based on biological data regarding human skin, pigmentary system and melanocytes life cycle. The melanocytes are the main cells involved in this type of human skin disorders. The simulation of such disorders has many applications in dermatology, for example, to assist dermatologists in diagnosis and training related to pigmentation disorders. However, our study focuses on applications related to computer graphics. Thus, we also present a method to transfer the results of our simulation model for textures and images of human skin. In this context, our model contributes to the generation of more realistic skin textures and consequently for the generation of more realistic human models. Moreover, we also compared the results of our simulation with real pigmented lesions to evaluate the quality of the lesions generated by our model. To perform this comparison we measured some features of real and synthesized pigmented lesions and we compared the results of these measurements. Based on this comparison, we observed that synthesized lesions exhibit the same characteristics of real lesions. Still, for the purpose of visual comparisons, we also present images of real lesions along with images of synthesized lesions. In this visual comparison, we can note that the method used to produce lesions images from the results of our simulation generates images that are indistinguishable from real images.

Nosso trabalho apresenta um modelo de simulação de transtornos de pigmentação humana. Nosso modelo é formado por um conjunto de equações diferenciais que definem um sistema reação-difusão. Nosso sistema simula algumas características do sistema pigmentar humano. Alterações nesse sistema podem levar a desequilíbrios na distribuição de melanina na pele resultando em artefatos conhecidos como lesões de pigmentação. Nosso modelo tem como objetivo reproduzir essas alterações e assim sintetizar lesões de pigmentação humanas. Nosso sistema reação-difusão foi elaborado tomando como base dados biológicos a respeito da pele humana, do sistema pigmentar e do ciclo de vida dos melanócitos, que são as principais células envolvidas nesse tipo de transtorno. A simulação desse tipo de transtorno apresenta diversas aplicações em dermatologia como, por exemplo, suporte para o treinamento de dermatologistas e auxílio no diagnóstico de transtornos de pigmentação. No entanto, nosso trabalho se concentra em aplicações relacionadas com computação gráfica. Assim, nós também apresentamos um método para transferir os resultados do nosso modelo de simulação para texturas e imagens de pele humana. Nesse contexto, o nosso modelo contribui para a geração de texturas de pele mais realistas e consequentemente para a geração de modelos de serem humanos mais realistas. Além disso, nós também comparamos os resultados da nossa simulação com lesões de pigmentações reais objetivando avaliar a qualidade das lesões geradas pelo nosso modelo. Para realizar essa comparação nós extraímos métricas das lesões sintetizadas e das lesões reais e comparamos os valores dessas métricas. Com base nessa comparação, nós observamos que as lesões sintetizadas apresentam as mesmas características das lesões reais. Ainda, para efeito de comparações visuais, nós também apresentamos imagens de lesões reais lado a lado com imagens sintetizadas e podemos observar que o método utilizado para produzir imagens de lesões a partir do resultado do nosso modelo de simulação produz resultados que são indistinguíveis das imagens reais.