基于亮度变换的彩色皮肤图像黑色素浓度分析

黄展鹏，金维刚（.广州大学城健康产业科技园投资管理有限公司，广州　50006；2.广东药学院医药信息工程学院，广州50006）

基于亮度变换的彩色皮肤图像黑色素浓度分析

黄展鹏1，2，金维刚1
（1.广州大学城健康产业科技园投资管理有限公司，广州510006；2.广东药学院医药信息工程学院，广州510006）

0　引言

中国的化妆品市场是全世界最大的新兴市场，在最近短短的30年间，我国化妆品行业从小到大，由弱到强，走出了一条独特的发展之路。2014年中国化妆品年销售额达2000多亿元，其中护扶品是整个行业中发展最快的一个细分市场，近几年来我国护肤品行业以年均15%以上的速度递增。护肤品需要和人体皮肤直接接触，如何便捷地分析人体皮肤状况和评判护肤品的效果，吸引着众多的学者进行研究。

当前医学上对黑色素含量的测定需要进行细胞培养，这不适应护肤品行业需要便捷地进行皮肤黑色素水平的日常、长期检测，因此有学者研究模拟皮肤和入射光之间的交互，研究利用二维彩色图像分析皮肤黑色素信息。Tsumura等人［1］利用独立成分分析技术成功从彩色图像中提取黑色素成分，同时将皮肤图像的阴影分离，得到更好的黑色素成分图。Takiwaki等人［2］计算皮肤颜色分布图，但没有利用该颜色分布图计算黑色素的浓度。徐舒畅等人［3-4］在文献［1］的基础上提出基于单张彩色皮肤图像的自动黑色素浓度分布图的提取算法。

1　自适应亮度变换

亮度变换是图像增强的一种常用的方法，通过扩展某个范围的灰度值以增强指定灰度范围内的图像对比度［5］。在本文的具体应用中，亮度变换的目的是克服环境变化对后续黑色素浓度计算的影响，以更真实地反映皮肤实际的黑色素浓度水平。

彩色图像是由红色（Red）、绿色（Green）和蓝色（blue）三个颜色分量组成，图像中的每一个彩色像素点都是由RGB三个分量的值组合而成，但人观察彩色物体时倾向于用它的色度、饱和度和亮度来描述，故我们选择 HIS（Hue，色度；Saturation，饱和度；Intensity，亮度）彩色空间来进行亮度变换，其将亮度和彩色信息分开。因此我们先用自适应阈值分割出白色物体，然后进行腐蚀操作以断开粘连的区域，由于图像中还存在其他的小区域，故通过二值图像区域标记法对图像中的每个区域进行分析，找到最大的白色区域即为我们进行亮度变换的参照区域，其实现步骤如下：

（1）读取图片；

（2）将彩色图像转化成灰度图像，用于白色物体的检测；

（3）以直方图的累积概率超过90%为标准，确定阈值并进行二值化；

（4）以边长为3的正方形结构元素对二值图像进行腐蚀操作，断开粘连区域；

（5）将上图作为掩膜图像，以边长为40的正方形结构元素腐蚀后图像为标记进行重构运算，提取图像中的块状物体；

（6）对图像进行标记连接分量，提取图像中的最大区域；

（7）将原RGB图像转换成HIS图像，根据最大区域的位置提取白色物体的色度、饱和度和亮度信息的均值；

（8）根据参考状态下的色度、饱和度和亮度值进行变换，再将图像转换成RGB图像。

2　彩色图像的黑色素浓度计算

2.1人体皮肤颜色模型

要根据彩色图像计算图像的黑色素浓度，首先得生成皮肤的颜色表，将皮肤的彩色图像参照颜色表得到对应点的黑色素浓度值。皮肤中的表皮层有黑色素，有棕黑素和真黑素两种类型，一般情况后者占多数；真皮层中有血色素，有含氧血色素和脱氧血色素。参考文献［3］计算表皮层和真皮层的吸收率：

其中em_eu和em_ph分别表示棕黑素和真黑素的消光系数，eh_o和eh_deo分别表示含氧血色素和脱氧血色素的消光系数，上述四个参数对RGB不同的颜色分量有不同的参数值；lm和lh用表皮层和真皮层的厚度表示，reu和ro表示真黑色素和含氧血色素的比例，Vm和vh表示黑色素在表皮层和血色素在真皮层的容积率，参考文献［3］其值分别为为lm=0.01厘米、lh=0.20厘米、reu=0.9、ro=0.8、Vm=1和Vh=1。用下式表示其他色素对光线的吸收：

皮肤某点的颜色值C可由下式得到：

［3］使用的参数值：

表1　各颜色分量对应的消光系数值

2.2彩色皮肤图像黑色素浓度计算

在具体应用中利用图像中相同的物体来进行自适应的彩色图像亮度变换，以避免背景和光照对黑色素浓度计算的影响，故首先得分割出白色参照物，然后根据参照物区域的RGB三个分量值与参考亮度值比较，计算图像RGB各个分量的变换函数，同时根据该白色物体的指向，提取指向区域50×50像素的区域，再对这个区域的RGB三个分量用变换函数进行亮度变换，然后计算皮肤的颜色表，该表只需要在算法初始运行时计算一次，即可根据该颜色表计算指定图像区域的黑色素分布图，其具体实现流程如下：

图1　算法流程图

3　实验结果

首先对有黑痣的皮肤图像进行黑色素浓度分析，其结果如图2所示。图2（a）为原图，其右下部分为黑痣，图（b）为采用上述方法计算得到的黑色素浓度图，灰度值越大表示黑色素浓度越高，图（c）为图（b）进行自动亮度拉伸的效果图，可见在黑痣中间部分的黑色素浓度比周围的高。

在本文的实际应用中，是利用图像中固定使用的白色物体作为自动亮度变换的参考标准，如图3所示，图3（a）为原图，左下方的白色物体为检测皮肤水分的设备，在黑色素浓度计算中用于亮度变换的参考，图3 （b）为用自适应阈值分割的效果图，能较完整地提取物体，图3（c）为形态学重构运算的效果图，能完整的将白色物体分割，图3（d）为根据白色物体区域的均值参考标准进行自动亮度变换后的效果图，可见比原图亮些。实践中通过这种自动亮度变换以保证黑色素浓度的测定克服背景和光照的影响，标准化后测定的黑色素浓度数据对后期的数据挖掘提供较好的基础。

图2　黑色素浓度图

4　结语

本文结合化妆品行业需要的日常黑色素浓度检测的具体要求，提出基于在皮肤水分检测时的手机自拍彩色图像，通过分析皮肤的色彩模型和彩色图像红色、绿色和蓝色三个分量值的关系，计算图像或指定区域的黑色素浓度。由于在实践中背景和光照不稳定，故结合水分检测设备的颜色特征，通过自动分析该物体所在区域的亮度特征，并结合标准进行亮度变换以避免图像拍摄环境的差异导致黑色素浓度分析的偏差。实践表明该算法能有效地进行亮度变换并对指定区域的皮肤图像进行黑色素浓度分析。下一步的研究在于提高算法的运行效率和对大量的黑色素浓度数据进行分析，以更好地服务于化妆品行业的实际应用。

图3　自适应亮度变换

参考文献：

［1］Tsumura，N.，Ojima，N.，Sato，K.，Shiraishi，M.，Shimizu，H.，Nabeshima，H.，Akazaki，S.，Hori，K.，Miyake，Y.Imagebased skin color and texture analysis/synthesis by extracting hemoglobin and melanin information in the skin.ACM Transactions on Graphics，2003（22）：770-779.

［2］TAKIWAKI H，KANNO Y，MIYAOKA Y，et al.Computer simulation of skin color based on a multilayered skin model［J］.Skin Research and Technology，1997，3（1）：36-41.

［3］徐舒畅，张三元，张引．利用颜色模拟估算皮肤色素浓度［J］．浙江大学学报：工学版，2009，43（6）：983-986．

［4］徐舒畅，张三元，张引．基于彩色图像的皮肤色素浓度提取算法［J］．浙江大学学报：工学版，2011，42（2）：253-258．

［5］冈萨雷斯，伍兹著，阮秋琦等译.数字图像处理（第三版）.北京：电子工业出版社，2011：64：68.

Skin Digital Image；Brightness Transformation；Skin Color Model；Melanin

Sorting Algorithm Without Changing the Data Position&Dynamic Demonstration

HUANG Zhan-peng1，2，JIN Wei-gang1
（1.Guangzhou Higher Education Mega Center Health Industrial Science and Technology Park Investment Management Co.Ltd.，Guangzhou 510006）

（2.Department of Medical Information Engineering，Guangdong Pharmaceutical University，Guangzhou 510006）

1007-1423（2015）23-0051-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.012

黄展鹏（1980-），男，广东普宁人，硕士研究生，副教授，研究方向为图像处理与分析

金维刚（1966-），男，江西九江人，本科，研究方向为科技园和孵化器管理运营

2015-06-11

2015-08-06

为便捷地分析人体皮肤中的黑色素水平，利用手机自拍功能获取人体皮肤彩色图像，根据场景的标记物进行自适应亮度变换，以克服环境影响，再基于皮肤的颜色模型，生成皮肤颜色表，然后计算彩色图像的每个像素点的黑色素浓度。实验表明，算法能有效地调整亮度水平并计算出皮肤黑色素的浓度。

皮肤图像；亮度变换；皮肤颜色模型；黑色素

广州市科技计划项目（No.2060404）、番禺区科技计划项目（No.2013-专01-062）

To easily analyze human skin melanin levels，using a mobile phone self-timer function to obtain human skin color image，adaptive brightness conversion according to scene markers in order to overcome the environmental impact，then skin color model based on production in the skin color table，then melanin concentration calculation color image each pixel.Experimental results show that the algorithm can effectively adjust the brightness level and calculate the concentration of melanin in the skin.