郭 宇

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

環(huán)境因素對膚色測量的影響

郭 宇

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

膚色測量在基于顏色特征的人臉識別、皮膚科臨床和美容護(hù)膚等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.文中應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在HSV色彩空間中對影響膚色測量的幾個環(huán)境因素進(jìn)行了實(shí)驗研究.研究發(fā)現(xiàn)，人類皮膚的飽和度S和亮度V對電壓波動呈現(xiàn)出較好的魯棒性，而色調(diào)H受電壓穩(wěn)定性的影響相對較大.研究還發(fā)現(xiàn)，特征參量(S+V)/H會隨著溫度的降低而減小，隨著濕度的減小而增加，受測量環(huán)境溫、濕度的影響較大.同時研究結(jié)果表明參量(S+V)/H對顏色的變化具有較強(qiáng)的分辯能力，可以較好地描述紅斑類和白斑類皮膚病的顏色變化過程.

膚色測量;影響因素;電壓穩(wěn)定性;溫度;濕度

皮膚為人體的最大器官，其總重量約占體重的16%.由于多數(shù)的皮膚病變都會引起膚色的變化，因此通過對膚色差異的測量可以評價皮膚病的臨床治療效果.近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)碼產(chǎn)品的飛速發(fā)展，使得將計算機(jī)圖像處理技術(shù)應(yīng)用于膚色的測量成為可能.如LU Yixing等[1]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)首次發(fā)現(xiàn)在HSV色彩空間中(H代表色調(diào)Hue、S代表飽和度Saturation、V代表亮度Value)，當(dāng)膚色發(fā)生變化時，(S+V)/2也隨之改變，并與色調(diào)H的變化方向相反，因此可以將(S+V) /H作為一個識別參量，且這個識別參量對光照強(qiáng)度和照射角度呈現(xiàn)較好的魯棒性.尚可可等[2]首次將該方法應(yīng)用于皮膚病的臨床測量，并在Dawson皮膚光學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用正常部位與紅斑部位光強(qiáng)倒數(shù)的對數(shù)差作為參數(shù)來描述皮膚紅斑變化.理論推導(dǎo)表明：該參數(shù)與正常部位和紅斑部位真皮層中的血色素濃度差成正比，可以較好地反映紅斑的病變情況.

根據(jù)皮膚組織的病理結(jié)構(gòu)，膚色的變化不僅與病變情況有關(guān)，而且還與機(jī)體的內(nèi)在因素和外在的環(huán)境因素有關(guān).如果將膚色差異的測量應(yīng)用于臨床治療和評價中，那么僅需將同一機(jī)體病變區(qū)域的前后測量結(jié)果進(jìn)行比對即可，從而消除了由機(jī)體不同而引入的膚色差異.如果可以了解外界環(huán)境因素對膚色測量的影響，就可以更加準(zhǔn)確地測量出由病變情況而引入的膚色差異，從而實(shí)現(xiàn)對皮膚病臨床治療效果的評價.文中主要應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對影響膚色測量的環(huán)境因素進(jìn)行了深入探究，為進(jìn)一步將該方法應(yīng)用于臨床治療效果的評價提供實(shí)驗依據(jù).

1 原理分析

1.1 皮膚的結(jié)構(gòu)及膚色的形成

皮膚由表皮、真皮和皮下組織組成，表皮與真皮之間由基底膜帶連接.除了本身結(jié)構(gòu)外，尚有豐富的血管、淋巴管、神經(jīng)、肌肉和各種皮膚附屬器，包括毛發(fā)、毛囊、皮脂腺、小汗腺等[3].其中表皮由外胚層分化而來，主要由角質(zhì)形成細(xì)胞和樹枝狀細(xì)胞組成，樹枝狀細(xì)胞中含有決定膚色的黑素細(xì)胞.人類皮膚之所以會呈現(xiàn)出白、黃及黑色的差異，主要與表皮層中的黑素[3]有關(guān).黑素小體的數(shù)目、大小、形狀、分布和降解方式的不同決定種族及部位的膚色差異.黑素又分為真黑素和褐黑素.真黑素呈黑褐色，褐黑素呈黃色或紅褐色.表皮中還含有類胡蘿卜素[4]，呈黃色，主要沉積在基底層，是一種外源性脂類.在真皮血管中還含有另外3種色素[4]，即血紅蛋白(紅藍(lán)色)、氧合血紅蛋白(鮮紅色)和膽紅素(黃色).正是由于上述幾種色素的數(shù)量及比例不同，才導(dǎo)致了不同機(jī)體膚色的差異.另外，皮膚的顏色還會因年齡、性別及營養(yǎng)的不同而異[5].

1.2 膚色測量的影響因素

影響膚色測量的因素可分為內(nèi)因和外因兩種.內(nèi)因主要包括疾病、血管舒縮程度及神經(jīng)內(nèi)分泌變化等.外因主要包括測量探頭的壓力、外用制劑的使用、測量環(huán)境的光強(qiáng)、溫度及濕度等.

首先，疾病是機(jī)體不可避免的，某些疾病如新生兒黃疸、貧血及心肺功能衰竭等會引起皮膚顏色的明顯變化；其次，應(yīng)激事件和腎上腺素及某些血管活性藥物會使血管的舒縮程度發(fā)生變化從而引起皮膚顏色的改變；再有，對于女性而言，正常的月經(jīng)周期、妊娠期和絕經(jīng)期均會由于機(jī)體內(nèi)分泌的變化而引起膚色的差異.因此，在臨床測量前，需要掌握患者的身體健康狀況，避免患者服用或注射血管活性類藥物；測量時，若發(fā)現(xiàn)患者存在應(yīng)激反應(yīng)需暫停測量，待患者恢復(fù)平靜后再測，如果是女性患者，還需避開患者的月經(jīng)期.這樣做的好處是可以盡量避免由患者自身引入的膚色變化，從而更加準(zhǔn)確地測量出病變區(qū)域的皮膚顏色.

在實(shí)際的臨床應(yīng)用中，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)來測量膚色較其它膚色測量方法更具優(yōu)勢.首先它是一種非接觸式的無損測量方法，可以避免由測量探頭的壓力所引起的膚色變化；其次它有光強(qiáng)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)光源，可以確保每次測量均在同一照度下進(jìn)行，避免了由環(huán)境光強(qiáng)所引入的膚色差異.此外，患者應(yīng)在測量前仔細(xì)清洗被測區(qū)域以避免由藥物或化妝品等外用制劑引入的測量誤差.而在眾多外界因素中，環(huán)境因素的干擾是無法避免的.如光源的穩(wěn)定性會受到外界電壓波動的干擾；光源在照射時產(chǎn)生的熱量會引起周圍空氣溫度的略微上升；測量環(huán)境的溫、濕度變化同樣會引入測量誤差.因此，針對膚色測量中環(huán)境因素的影響進(jìn)行進(jìn)一步探究是十分必要的.

1.3 色彩空間的選擇

在數(shù)字圖像處理技術(shù)中，對彩色圖像的處理，需要在特定的色彩空間中進(jìn)行.目前已建立的色彩空間有RGB、HIS、HSV、L*a*b*等十余種，不同的色彩空間其顏色參量的含義和類型不同.為了準(zhǔn)確地反映被測皮膚的顏色特征，首先需要選擇合適的色彩空間.根據(jù)上文介紹，已有研究表明：在HSV色彩空間中，當(dāng)膚色發(fā)生變化時，可以將(S+V) /H作為一個識別參量，且這個識別參量對光照強(qiáng)度和照射角度呈現(xiàn)較好的魯棒性.由此可見，HSV色彩空間更適合研究膚色受環(huán)境因素影響后的變化情況.

HSV色彩空間(圖1)含有色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和亮度(Value)3個分量，它們分別對應(yīng)于人眼色彩視覺特征中的3個要素，很好地反映了人們對色彩的感知和鑒別能力，適合肉眼分辨和基于色彩的圖像相似性比較.此外，HSV色彩空間中各軸在視覺上彼此無關(guān)，空間距離符合人眼的視覺特征.

2 實(shí)驗研究

2.1 實(shí)驗系統(tǒng)

實(shí)驗系統(tǒng)由光源(SCHOTT ACE-I型)、數(shù)碼相機(jī)(NIKON D70)、計算機(jī)、環(huán)形光纖、圓柱筒及相機(jī)支架組成.實(shí)驗過程如下：首先將150 W的鹵素?zé)艄庠吹某錾涔馔ㄟ^環(huán)形光纖束從一鋁制圓柱筒的前端均勻投射到后端待測皮膚的表面；然后通過數(shù)碼相機(jī)在筒的前端記錄下待測樣品的反射光強(qiáng)；最后將采集到的數(shù)碼圖像輸入到計算機(jī)中，利用MATLAB程序進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析.其中選用鋁制圓柱筒的目的是為了消除環(huán)境光的影響，它的內(nèi)徑與環(huán)形光纖匹配，長度固定，高度可調(diào)，內(nèi)層涂黑.整個實(shí)驗過程在暗室的條件下進(jìn)行，實(shí)驗裝置[6]如圖2所示.

2.2 電壓穩(wěn)定性對測量影響的研究

由于在實(shí)際測量中，光源的預(yù)熱過程以及電源電壓的波動都會影響測量結(jié)果，因此需要提前掌握光源的預(yù)熱時間和是否需要加裝穩(wěn)壓器.實(shí)驗過程如下：首先，在實(shí)驗室的環(huán)境下(壓強(qiáng)、溫、濕度固定)，將一張白色的硬紙板固定在圓柱筒的一端作為待測樣品并調(diào)節(jié)好成像系統(tǒng)；然后，關(guān)閉室內(nèi)的日光燈，將調(diào)節(jié)好光強(qiáng)的光源打開，同時用相機(jī)從筒的另一端進(jìn)行拍攝，采集圖像的間隔時間為10 s，30 s，1 min，5 min，10 min，30 min，1 h；最后將采集到的圖像輸入到計算機(jī)中進(jìn)行處理.測量過程在暗室中進(jìn)行，測量電壓為220 V交流電.

表1 樣品同一區(qū)域的H、S、V均值隨時間的變化

如表1所示，光源在開機(jī)5 min后各參量的均值基本趨于穩(wěn)定，只有H值相對有微小波動.通過計算得到，5 min后H、S、V 3個分量的方差分別為0.837 5×10-6，0.202 5×10-6，0.210 1×10-6.說明在光源預(yù)熱5 min后，飽和度S和亮度V較為穩(wěn)定，受電壓波動的影響不大，相比之下，歸一化后的色調(diào)H方差較大，說明其受電壓穩(wěn)定性的影響相對明顯.由此可見，實(shí)驗所使用的 ACE-I型光源需在測量前預(yù)熱5 min，同時需要加裝穩(wěn)壓器，且測量時間不宜過長.

2.3 溫度和濕度對測量影響的研究

在實(shí)際臨床應(yīng)用中，皮膚病患者從治療到痊愈需要一定的周期，而對于同一患者表皮病變區(qū)域的圖像采集是在不同的時間和環(huán)境下進(jìn)行的.在眾多的環(huán)境因素中，壓強(qiáng)、溫度和濕度的差異是無法消除的，它們會直接影響患者被測區(qū)域表皮的溫度和濕度.實(shí)驗中采用直接改變被測表皮溫、濕度的方法來模擬不同環(huán)境下的溫、濕度差異.實(shí)驗過程如下：取兩名健康男同學(xué)的手臂皮膚為被測樣品，使其中一名同學(xué)的手臂與45 ℃的熱寶接觸，待手臂皮膚略微泛紅時撤去熱寶，立刻開始測量，測量間隔為5 s，環(huán)境溫度為14 ℃；將另一名同學(xué)的手臂侵入到與體表溫度相同的溫水中，待片刻后取出，用毛巾輕輕拭去表面水珠后即刻開始測量，測量間隔為10 s，環(huán)境濕度為35%.測量過程均在暗室中進(jìn)行，光源提前預(yù)熱，光照強(qiáng)度固定.

由于實(shí)驗環(huán)境的溫度和濕度較低，使得被測區(qū)域的表皮溫、濕度在最初的1 min內(nèi)，變化迅速且明顯，即被測區(qū)域的表皮溫度和濕度隨著測量時間的增加而迅速減小，很好地模擬了測量環(huán)境的溫、濕度變化.圖3、圖4分別為不同環(huán)境下特征參量(S+V)/H的均值隨時間的變化關(guān)系，從圖中可以看出(S+V)/H的均值隨溫度的降低而減小，隨濕度的減小而增加，受溫度和濕度的影響較大.因此在應(yīng)用參量(S+V)/H來描述顏色變化時應(yīng)盡量減小環(huán)境溫、濕度的變化.

隨著溫度的降低，被測表皮的顏色由泛紅過渡到正常，符合紅斑類皮膚病的治療過程；隨著濕度的減小，被測表皮的顏色由泛白過渡到正常，符合白斑類皮膚病的治療過程.因此特征參量(S+V)/H在隨溫、濕度變化的同時也表現(xiàn)出對顏色變化具有較強(qiáng)的分辯能力，因此在紅斑類和白斑類皮膚病的測量中可利用參量(S+V)/H的值來描述病變區(qū)域的顏色變化，從而實(shí)現(xiàn)對皮膚病治療效果的評價.

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，人類皮膚的飽和度S和亮度V受電壓波動的影響較小，色調(diào)H受電壓波動的影響相對較大，由此建議測量系統(tǒng)加裝穩(wěn)壓器.研究還發(fā)現(xiàn)，特征參量(S+V)/H受環(huán)境溫度和濕度的影響較為明顯，它會隨溫度的降低而減小，隨濕度的減小而增加.同時通過分析實(shí)驗中被測區(qū)域的膚色變化過程，發(fā)現(xiàn)參量(S+V)/H對顏色的變化具有較強(qiáng)的分辯能力，當(dāng)環(huán)境因素恒定時，它可以較好地描述紅斑類和白斑類皮膚病的顏色變化過程.本文的研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)膚色測量在皮膚科臨床領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用提供必要的實(shí)驗依據(jù).

[1] LU Yixing，LIU Ying，GUO Yu,et al．Features of human skin in HSV color space and new recognition Parameter[J]．Opto-Electronics Letters,2007,3(4):312-314．

[2] 尚可可，劉迎，路毅行,等．皮膚紅斑客觀化測量新參量的研究[J]．光電子·激光，2007,18(6):760-762．

[3] 張學(xué)軍．皮膚性病學(xué)[M]．北京：人民衛(wèi)生出版社,2003．

[4] 岳學(xué)狀，朱文元．皮膚的顏色及其測量[J]．臨床皮膚科雜志，2003，32(9):554-556．

[5] 李艷，李利，蔣小月,等．皮膚顏色和部位、年齡及性別的相關(guān)性研究[J]．中國美容醫(yī)學(xué)，2005,14(5)：624-626．

[6] 郭宇，張潔．光照強(qiáng)度和皮膚曲率對膚色測量影響的研究[J]．鞍山師范學(xué)院學(xué)報,2015,17(2):26-28．

GUO Yu

(SchoolofPhysicalScienceandTechnology,AnshanNormalUniversity,AnshanLiaoning114007,China)

(責(zé)任編輯：陳 欣)

The effects of environmental factors on the skin color measurement

The skin color measurement based on color feature has been widely used in face recognition,clinical dermatology，beauty skin protection and other fields.In this paper,the digital image processing technology is used to study some environmental factors affecting the color measurement in the HSV color space.The study found that human skin saturation S and value V showed a better robustness for voltage fluctuation,and hue H was affected by voltage stability relatively large.It also found that the characteristic parameters (S+V)/H was strongly influenced by the temperature and humidity,while it decrease with the temperature decrease or humidity increase.At the same time,the results showed that the parameter (S+V)/H which had a strong resolving power to the color changing can better describe the skin color changing of the erythema and leukoplakia. Key words skin color measurement;influence factors;voltage stability;temperature;humidity

2015-09-12

郭宇(1981-)，女，遼寧鞍山人，鞍山師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，碩士.

Q632

A

1008-2441(2015)06-0029-04