中医色诊图像采集系统的设计与实现及实验研究

郑冬梅 郭东杰 戴振东* 王鸿谟

1(南京航空航天大学机电学院，南京 210016)

2(南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京 210016)

3(首都医科大学中医药学院，北京 100069)

引言

色诊是中医望诊的重要内容，它通过观察患者颜面及五官的气色变化了解病情，可以为疾病的定性、定位以及预后提供一定的诊断依据，是中医临床诊察的重点之一[1]。传统色诊是医生在自然光线下对患者目视观察，进行判断分析，并用语言文字描述，由于其主观性强，加之观察环境不稳定，易受时间、季节、气候等条件的影响，会造成对面部颜色的判别因人因时因地而异，难以获得客观化、定量化的信息。长期以来，中医难以精确记录和保存色诊资料，给临床、教学、科研带来很多不便，也不利于学术交流。随着中医临床现代化的不断发展，对色诊也提出了客观化、定量化的新要求。以现代科学技术手段研究色诊原理，提高其临床应用价值，已成为色诊研究的必然方向。

自20世纪80年代以来，许多中医、中西医结合和其他学科的研究人员都致力于色诊现代化的研究，从早期的测色仪、红外热像仪到现在的数字图像技术，提出了一些新的见解和先进的方法。在这个领域内，舌诊客观化研究起步较早，目前舌像采集平台和舌图像的舌体分割、苔质分离、苔质色彩模式识别、舌苔纹理以及厚度的认定等已经比较成熟[2]。舌像采集系统所选择的光源色温范围大多在4500～6500 K之间。20世纪90年代初，清华大学在中医舌诊自动识别方法的研究中采用卤钨灯，视场大于 150 mm，以保证色温的要求[3];2000年以后，中国台湾国立中山大学在电脑化中医舌诊系统中设立黑幕布摄影棚，使用标准色温冷光灯光(色温值约为5300 K，照度约3100 lx)作为舌诊摄影光源[4];北京工业大学研制数字化中医舌像分析仪，使用的光源为两只 OSRAM全光谱的 L18/72BIOLUX D6500光源[5];上海中医药大学在舌像信息客观化研究中，人造光源照明采用4只柱型色温 5000 K 的标准光源[6]。

相对于舌诊研究，基于数字图像技术的中医色诊客观化研究刚起步，国内仅见上海中医药大学的研究报道。他们设计制造了中医面色拍摄暗箱，使用了色温在4000～11000 K之间环形发光二极管光源[7-8]。本研究综合比较了各种照明光源和已有的舌诊、色诊图像采集装置，借鉴了它们的优点，设计制造了标准光源环境的中医色诊图像采集系统，并用实验证明了该系统是光线分布均匀的仿日光拍摄环境，能够采集到高度清晰、色彩还原真实的中医色诊图像。

1 中医色诊图像采集系统的设计

1.1 系统积分球构造

中医色诊图像采集系统由积分球、数码相机、导光束、氙灯光源、箱体式底座构成，其组装见图1。积分球提供标准光源环境，外壳为不锈钢板，直径为1000 mm，内壁是3 mm厚的高反射率聚四氟乙烯悬浮树脂均匀涂层;它的反射率 ρ(λ)，在450～800 nm 时大于 0.98，在 380～450 nm 时大于 0.96。根据人体头部大小，积分球出光口直径为300 mm，内侧安装颌托;按照数码相机镜头尺寸，拍摄孔3个，直径为65 mm，正面图像拍摄孔正对出光口，左右侧面拍摄孔与正面拍摄孔夹角为45°;入光孔2个，其直径与导光束接头直径一致，为22 mm，位于积分球底部左右两侧。6个开孔的面积为 7.62 dm2，占总面积的1.43%，远低于10%，符合设计要求。积分球内入光孔上方安装挡光板，避免入射光直射出光口和拍摄口。

图1 系统结构。(a)A向视图;(b)主视图Fig.1 Schematic diagram of the title system.(a)the view of direction A;(b)main view

数码相机采用托架固定在积分球壁上，其镜头伸入积分球的拍摄开孔。氙灯光源位于设备下方的箱体中，可免除因氙灯使用时温度较高、发热量较大而影响人脸面部的血液循环，避免造成干扰。光源分两组，分别由两组导光束将氙灯光源发出的光引入积分球入光孔;它采用石英光纤，光透过率≥80%。

1.2 系统支持硬件

系统硬件设备选用色温5500 K、显色指数为95%的高压氙灯作为中医色诊图像采集环境的照明光源[9-10];选用 Canon 公司生产的 EF 50 mm、f/1.4 USM标准镜头和EOS 50D单反相机，采集中医色诊图像。数码相机提供优质拍摄模式和普通拍摄模式，分辨率分为大(4752像素 ×3168像素)、中(3456像素 ×2304像素)、小(2352像素 ×1568像素)共3档。

系统测试设备包括杭州新叶光电工程技术有限公司生产的XYC-I全数字色度计和Color Checher 24色色卡。在色度计使用前，利用厂家提供的特定标定软件进行校准(每一个色度计对应一套标定参数)。XYC-I可对光源的三刺激值、色度、色差、相关色温、照度进行测量。使用时，将色度计通信口与计算机串口连接，执行色度计的上位机控制软件可以对色度计探头所在位置的光线进行实时检测，同时采集光线的色温Tc、照度Y、CIE1931 XYZ标准颜色空间的色品坐标x和y、CIE1972 UCS均匀颜色空间的色品坐标 u'和 v＇。然后，将采样数据导入到Excel格式的文件中，再使用 Matlab语言编写的作图程序将数据序列图形化。

Color Checher 24色色卡是一个色彩在一定范围内的标准工具。标准色卡包括了饱和色、不饱和色和非彩色，共有24个纯色块。选择不同的光源环境照度，拍摄24色卡图像，以验证相机照片的均匀性。

1.3 系统支持软件

使用Matlab语言开发了中医色诊图像专用软件，包括图像处理程序、数据库程序、数据图形化程序和数据分析程序，实现了光源测试数据的图形化功能、中医色诊图像处理和色诊数据分析功能。中医色诊图像软件根据中医色诊色部定位法理论，提取了色诊图像与人体五脏对应的心、肝、脾、肺、肾色部区域，计算了RGB和Lab颜色空间的色度值，建立了色诊数据库，并进行了数据的图形化分析。

1.4 图像采集

图像采集实验室温度为25℃左右，暗室环境;标准光源环境照度为1250 lx，色温为5400 K;设定数码相机快门速度为 1/80 s，光圈 2.8，感光度为100，优质拍摄模式。中医色诊图像的采集要求：采样人员当天面部不要外用护肤品和化妆，不能饮酒和做剧烈的活动，洗脸后在实验室休息20 min，然后进行图像采样。采样拍摄时应注意：不要戴眼镜;免冠，头发不要遮盖前额及面部五官;面部表情自然，脸部肌肉放松;面检者坐在出光口前面的座椅上，将下巴放在拍摄口的颌托上，保持面部与地面垂直，睁开双眼，注视正前方相机孔。

2 中医色诊图像采集系统性能测试实验

色诊具体内容丰富，色诊图像属于一种典型的中医图像。运用现代科学方法，为色诊建立客观的指标，把色诊研究建立在可靠的科学数据与图形的基础上，是进行色诊客观化研究的重要课题。为此，本研究设计组装了中医色诊图像采集系统，并对光源稳定性、光线均匀性进行了测试。在此基础上，选了40例青中年人和60例老年人进行面部图像采集，经自编程软件处理，得到了人脸面部色诊信息数据，作为中医疾病诊断的参考。因此，该系统可望为中医色诊信息的客观化研究提供硬件保障。

2.1 标准光源稳定性测试

国际标准化组织(ISO)于2000年制定了ISO3664标准光源(含观察环境)应同时满足的条件：① 一个含有5000～6500 K色温、显色指数大于95%的发光光源;② 环境中的照度应在500～2000 lx;③ 环境中的照度均匀性应大于85%;④环境中的背景颜色应是中性灰;⑤ 环境不应受到其他光线或颜色的干扰。

在完成中医色诊图像采集系统的设计、制造后，对样品性能进行了测试。在本实验中，使用XYC-I全数字色度计，对光源的稳定性进行了测试。测试时，选用室温为25℃的暗室环境，将色度计与计算机串口连接，色度计探头放在出光口的固定位置，同时打开1#和2#光源;开机10 min后，执行色度计的上位机控制软件开始对标准光源环境进行1 h实时检测，采样时间间隔为10 s。测试完成后，将336组采样数据存储，执行图形化程序：光源的色温均值为5438 K，方差为12.04;照度的均值为1622 lx，方差为 27.37;色品坐标 x和 y的均值为 0.33、0.35，方差为 2.9 × 10-4、6.8 × 10-4;u＇和 v＇的均值为 0.20、0.48，方差为 3.6 × 10-4、2.2 × 10-4。测试数据序列如图2所示，色品坐标 u'、v'和 x、y在 UCS均匀颜色空间和XYZ标准颜色空间的位置如图3和图4所示。

图2 光源各参数测试结果。(a)x、y色品坐标数据;(b)u、v色品指数坐标数据;(c)色温和照度数据Fig.2 The test results of source parameters.(a)data of x and y chromaticity coordinate;(b)data of u and v chromaticity coordinate;(c)data of color temperature and illumination.

基于数字图像技术的面色视觉计算方法，对中医色诊的客观化评定和量化诊断具有重要意义。面色视觉计算的基础是面部图像数据的重复性，它与采集时的照明光源的选择、摄像技术的质量和技术标准的确定、方法的规范等相关，其中光源则尤为重要，它是获得真实面部图像的必要保证。所以，在图像采集环境的设计中，首先考虑的是光源特性的选择。由于摄影镜头对光线是选择性地吸收，尤其对蓝紫光有较大的吸收，参照日光色温5500 K常作为摄影用昼光光源的标准色温，所以本系统的照明光源选用5500 K系列的氙灯。如图3和图4所示UCS均匀颜色空间和XYZ标准颜色空间的色品坐标红色十字线位置。在标准白光范围内，色温的均值5438 K符合日光的色温，照度均值1622 lx满足摄影和拍照对光线亮度的要求。另外，从图2可以看出，6个参数的采样数据基本呈直线状态，而且离散度较小，表明光源的色温、照度及色品坐标一致性较好，光源的稳定度高。

图3 目标光源(u'，v')的色品坐标Fig.3 Chromaticity index coordinate(u'，v')of the title light source

图4 目标光源(x，y)的色品坐标Fig.4 Chromaticity coordinate(x，y)of the title light source

2.2 光线均匀性测量

在25℃的暗室环境下，使用XYC-I全数字色度计对光源的均匀性进行了测试。测试时，在光源的出光口覆盖一块3 mm厚的清洁玻璃，在出光口坐标为 (0.5，0.8)、(0.5，0.2)、(0.2，0.5)、(0.8，0.5)、(0.5，0.5)位置，使用色度计探头，采样上、下、左、右、中5个点处的色温、照度值。在1#光源、2#光源、1#和2#光源同时使用的情况下，分别测试了5个点的色温和照度。计算各组数据的均值、方差和均匀性，数据见表1。

表1 光线均匀性测量数据Tab.1 Uniformity measurement of light

在不同的照明和观测(或拍摄)条件下，不透明物体表面的光谱反射率因数是不同的。例如，不合适的照明和观测条件会形成镜面反射，会影响物体颜色的获取。国际照明委员会(CIE)于1971年正式推荐了4种测色的标准照明和观测条件：① 垂直入射，45°角观测;② 45°角入射，垂直观测;③ 垂直入射，漫反射观测;④ 漫反射入射，垂直观测。在色诊面部照明中，追求的是均匀照明，所以本设计采用第4种照明方式，即采用积分球漫射照射样品。积分球为中空的球体，球内壁均匀喷涂多层中性漫反射材料。内壁球面任一元可看作余弦发射体，即发出的辐射通量能使球内各点有相同的直射辐照度。光线在球内多次漫反射，使各个角度通过通光口的光线的光强度相同[11-14]。从表1可以看出，光源出光口色温均匀性为 98.93%，照度均匀性是98.41%，说明积分球的内壁有极高的反射漫射特性，内部光线分布均匀、照度一致，是没有阴影的仿日光标准拍摄环境。

2.3 标准光源环境照度实验

在标准光源环境下，使用EOS 50 D数码相机对Color Checker24色色板拍照，对光源的照度进行了测试。测试时，分别调节1#光源和2#光源，使光源环境内的总照度先后设置为520、1100、1470、1870 lx共4档;将Color Checker24色板置于出光口，设置相机快门速度为1/80 s，光圈2.8，感光度为100，对色卡进行4次拍摄;然后使用相机自带的 DPP软件，截取每张图像中红色块尽可能大的区域;再应用Matlab语言编程，计算红色块的红绿蓝色度均值和方差。数据见图5，可看出各均值的方差都很小，在 0.85 ～2.11之间。

图5 不同照度红色块均值图Fig.5 Mean value of red block in different illumination

图5的数据表明，光源环境照度增加时，色温也会随着增大，但光源环境的色温是由氙灯光源决定的，不可调节。随着光源环境照度的增加，红绿蓝三色的RGB色度值也相应增大，但增加幅度很小，对照片的视觉几乎没有影响。根据摄影拍照的标准照度要求以及人视觉感受的舒适度，建议中医色诊图像采集系统照度选择为1000～1500 lx之间。

2.4 中医色诊图像采集及处理实验

在设置好的实验环境中，采集受检者的正面图像，输入计算机，使用中医色诊图像专用软件对图像进行处理。运行图像处理程序后，得到五脏对应的10个色部。其中，眉心椭圆是肺色部，两眼之间的圆是心色部，鼻梁上的圆是肝色部，鼻尖部位的圆是脾色部，左右脸颊上下的6个区域是左右肾色部[1]。

各色部在RGB和Lab颜色空间中的色度值如表2所示，每个数据是色部区域色度的均值。表2各行的数据不同，甚至有些行有明显的差异，说明人面部不同色部的颜色确实不一样。左肾1色部的R、G、B值偏大，表明左脸颊中的圆形区域比其他区域亮;相应地，在Lab颜色空间中，亮度参数 L的值也是最大的。

中医色诊图像采集系统调试完成后，先后采集了100例样本图像进行处理，所得数据如图6所示。

表2 10个色部在RGB和Lab颜色空间中的色度值Tab.2 Chromaticity of 10 special region in RGB and Lab color space

图6 100例中医色诊图像数据Fig.6 100 cases data of TCM complexion diagnosis image processing

图6中的横坐标是100例样本的序号，前40例为中青年，后60例为老年人，纵坐标是对应每一个色诊图像不同色部的数据，RGB颜色空间色度值用红、绿、蓝色表示，Lab颜色空间色度值用青、品红、黄色表示。从上面的数据图可以看出：一是每个人面部不同色部的色度值确实有差异，差异大表现为同一列同色数据幅度大，差异小表现为同一列同色数据较集中。二是从红、绿、蓝三种平行色可以看出，其色度有明显的层次，红色度均值为194，绿色度均值为148，蓝色度均值为120;红色数据明显地大于绿色数据，绿色数据大于蓝色数据，验证了中医色诊对健康人颜面肤色的描述：红黄隐隐，明亮，含蓄。三是从数据的横向趋势可以看出，红绿蓝数据在横轴40位置整体下降，表明老年人的颜面肤色比青年人暗，表示亮度的青色数据也有同样的下降趋势。

国内外学者对不同种族皮肤颜色进行过研究，黑色人种和白色人种 L、a、b均值分别为 37.93、12.15、14.45、66.38、13.32、16.93，而黄色人种则介于两者之间。细矢由美子等测定日本人颊部皮肤色度，L、a、b 均值为 63.9811.94、16.86;林仲贤等曾测定过国人左颊肤色，L、a、b 均值为 55.65、13.24、17.59[15];邵龙泉等测定西安地区人群颊部和耳部肤色，L、a、b 均值为 58.60、10.79、14.52[16]。本研究 100例样本面色的 L、a、b均值为 65.18、15.48、22.26。数值上的差异为测试方法和测色部位不同所致，该结果可为中医诊断提供参考价值。

3 讨论和结论

在中医色诊图像采集中，光源环境的设计直接影响到图像的成像质量。目前在光源的设计上，主要有环形光源、面光源和侧面光源等。环形光源和面光源光线叠加严重，容易产生眩光进而导致图像有反光现象。侧面光源容易使被照物体形成阴影，造成图像色差严重。相对于上述光源，这里采取漫反射的点光源，光线分布均匀，成像时没有阴影。在光源的选择上，主要有荧光灯和 LED，荧光灯含有紫外线，色温偏高，LED的色温变化范围大，不稳定。这里采用氙光源，色度与日光类似，更接近实际诊断环境。

本研究根据传统中医色诊对间接日光的要求，设计制造了中医色诊图像采集系统，选用色温5500 K的氙灯作为光源，选择高反射率积分球提供光线均匀的模拟日光环境，采用上下箱体式整体结构，避免光源发热干扰。使用Matlab语言开发了用于光源检测的数据图形化程序、色诊图像处理程序和色诊数据分析程序。长时间的联机测试结果表明：光源各参数的稳定性误差小于0.007%，光线均匀性大于98%;该系统受外部光源影响很小，改变光源照度，对图像呈色没有明显影响。中医色诊客观化实验研究表明：该系统能够采集到色彩纯正、清晰度高的中医色诊图像。100例健康中青年人和老年人的脸面样本图像拍摄和数据采集表明：中青年人和老年人脸面部特征部位色度存在明显的色度差。

本课题组开发的中医色诊图像采集系统可以满足中医色诊需要，所采集的色诊数据有助于色诊信息的客观化研究。但是，目前人脸位置的出光口没有防护，为了避免外界光线的干扰，必须在暗室环境中使用设备，这需在以后的工作中继续完善，进一步改进。

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