视频和图像分析毛发运动：探索毛发动态分析的新技术

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视频和图像分析毛发运动：探索毛发动态分析的新技术

人类的头发在形状、长度、颜色、粗细方面均呈现个体差异，可以说几乎不存在两个头发特征完全相同的个体。与此同时，使用美发产品对头发进行洗护、造型或烫染处理更增添了个体头发的多样性。到目前为止，仅有两种尚未公开发表的头发动态参数分析方法。影响头发日常状态的因素有躯体姿势、位置、触摸、风、帽子、使用吹风机等。这些因素还与发型潮流密切相关。如40～50年前，强力保持发型的发胶非常流行，时至今日，这样的发型早已不再流行，取而代之的是自由波动和动感的发型。如何梳分、卷曲和保持发型是每日头发护理的关键。事实上，大部分针对头发的研究对象仅为单根头发样本，仅有少数研究关注发束间相互作用的细节，进而了解头发整体在实际生活中的变化。该研究的目的：①在标准化和自动化的测试条件下，分析头发在特定驱动条件下的动态和几何特性；②构建该动态分析的评估参数评价；③使用这种分析方法对美发产品进行功效性评估。

一、材料与方法

1.头发样本：使用相同长度（27 cm）和重量（2.7 g±0.1 g）的天然发束，且均为直发。使用工具将头发样本排列成固定的形状。所有发束经标准温和的洗发香波清洗，并吹干。如果是对护发产品功效进行评估，还需对发束进行漂白处理。此外，将发束固定于振荡臂之前还需对头发提前做除静电处理。详细方法见原文。

2.发束动态记录：将发束垂直固定于测试仪器的摆臂上，操作人员能够电动操控摆臂运动，并对摆臂的振幅和频率进行调节。五台摄像机分置于仪器的5个角上，持续记录5个位点发束的运动图像。发束动态记录分为摆动过程中、运动停止时。分别记录发束运动的不同表现。

3.主要参数：使用图像分析记录两种基本形态：backbone（发束整体外形的中心骨架）和envelope（动态发束的整体轮廓）。基于这两项形态标准参数并使用计算机记录头发运动时这两项参数不同时间点下的动态坐标值。除了这些形状参数外，还有一些基础参数：如运动过程中发束发梢的最大振幅（通过记录backbone多个节点的运动轨迹）、其在运动中能达到的最高高度，以及在发生收缩和伸展时发束envelope的面积变化（最小收缩面积和最大舒展面积）。

4.阻尼周期：该研究还记录了发束运动的阻尼周期，即：从摆臂停止振动开始，发束的振幅随着时间变化逐渐减小，直至发束完全停止不动所需的时间。

二、结果

1.频率效应：在3 cm的振荡幅度下使用0.5～5 Hz的振荡频率，当频率为0.5～1.5 Hz时，头发呈现钟摆样运动，发梢水平振幅（L）增加，但发束整体形态仍保持竖直“I型”；但是在高频率2～5 Hz作用下，L值明显变小，同时发束整体形状发生变化，呈现为“S型”。选择1.5和3 Hz两个振动频率（接近人姿势的频率），以维持在相对较窄的频率范围内，进一步分析上述发束运动行为的最大化差异。

2.产品效果评估：皮脂对发束的影响：1 g人工皮脂被手工涂抹于发束上。样本分为4种不同的处理：①仅涂抹皮脂；②皮脂涂抹后使用去离子水清洗吹干；③皮脂涂抹后使用香波，并清洗吹干；④对照组：即无皮脂涂抹，仅使用香波，并清洗吹干。

结果显示，在3 Hz的振动频率下，4种处理方式能够引起发束L值发生变化。单独皮脂处理组头发硬度更高，其他的处理组间几乎没有差异。另外，涂抹皮脂后用手动摩擦的方式使用水清洗或使用香波清洗后对头发硬度的影响相似，可能是由于清洗时物理性地去除了大部分的皮脂。

温和香波和复合香波对发束的影响：对4组样本（每组8个）进行标准化处理，每次1 g使用市售温和香波（不含护理成分）或含有护理成分的复合香波清洗，随后使用具有增强护理功效的护发产品。该研究根据护理成分和应用方法来选择市售的护发产品。其应用方法如下：①两步法：使用复合香波清洗，接着使用含高浓度阳离子聚合物的护发产品，清洗后吹干；②标准三步法：用相同的复合香波清洗，接着使用含氨基二甲硅油的护发产品，随后清洗并外用含硅油基质的护发乳（silicone-based cream）；③加强三步法：使用相同的复合香波并清洗，接着使用含硅油基质的发膜，清洗后再使用含硅油基质的护发乳。

对全部32个发束样本进行振荡处理（1.5 Hz，振幅3 cm），并记录参数：①对L值的影响：护发成分对L值具有显著的影响；②对竖直振幅（H）的影响：发束发梢的垂直振幅随护理功效的增强而升高；③对形状参数的影响：护发护理功效减弱能够减小发束整体的表面积，以及中部和尖端的宽度；④对阻尼周期的影响：护发产品的使用明显缩短了头发运动的阻尼周期（从8 s降低到4 s）。

总之，护发处理能够对发束特性产生综合性影响，包括减低舒展或收缩的能力，并且这种效应与护发处理的强度密切相关。

3.测试的可重现性：该研究记录的参数均具有可重复性。

三、讨论

该研究建立了一种研究头发动态特征的新方法。该方法能够记录发束的整体变化（envelope、backbone、收缩等），并构建了3D图像。但该研究受所选发束（该研究选用的为I型直发发束）初始形状的限制，难以分析所有形状头发变化的动态参数。该研究选择直发能够尽可能消除由头发形态所造成的参数偏倚，分析方法通过获取综合性的数据以利于更准确地确定不同发质间和不同护发产品功效的差异。当发束振动时，头发纤维间的相互作用在维持发束整体形态起到了重要的作用。新生头发的表面为中性或疏水的；而当头发被氧化或受损后，其表面变为有极性或亲水的。在头发表面包裹皮脂或有效的护发产品能够通过遮盖或消除毛发极性，降低头发纤维间的相互作用。反之，使用温和香波（不含护理成分）清洗头发可能会暴露头发表面的极性基团，引起头发纤维之间产生排斥力，进而使发束变得凌乱。此外，该分析方法还有利于定性分析。考虑到毛发的生长速度（大约每月长1 cm），那么27 cm长的头发则经受了约2年的外界影响。从发根到发梢，定性分析结果呈梯度变化，头发由初生到老化。已有研究指出，该梯度差异与头发的长度密切相关，包括18-MEA减少、光泽失去、角质膜逐渐紊乱等（发梢区域完全消失），且均能检测到头发表面阴离子极化水平的增加。

四、结论

该项研究的动态分析方法提供了一种多元化的参数收集法。该方法可以有效的对头发特性进行定量分析，并可以对比分析不同发质和直径的发束样本。该研究对发束运动的标准操作也许能够为毛发研究提供一种新方法，用以整合对毛发影响的多种因素，包括自身因素或护发产品功效的影响。总之，该方法不仅能够更好地反应毛发真实的状态，还能为美发护发产品的使用增加动态视角。

［陈旭 周治君 孔佩慧摘自Int J Cosmet Sci,2015,37（1）:56-62.］