北京工业大学
硕士学位论文
皮肤参数分析系统研究与实现
姓名：曹虹
申请学位级别：硕士
专业：电路与系统
指导教师：蒋大林
2003.5.1
摘要
皮肤表面是人体生理健康状况的一面镜子，如何客观、定量地评价人体皮肤当前的状态一直是医学界和化妆品界关注的问题。本课题对皮肤表面参数进行了分析探讨，并建立了集数据管理和分析为一体的研究平台。
本文总结了目前国内外的皮肤表面检测技术，并结合实际应用，提出了基于图像分析为基础的研究方法。通过用例分析，对皮肤表面参数分析系统进行了建模，将系统分为数据采集、数据管理和数据分析三大相互独立的模块，并且完成了该系统第一阶段的开发。
本系统采用ＶＦｗ（Ｖｉｄｅｏｆｏｒｗｉｎｄｏｗｓ）进行图像采集并将其组件化，建立了基于ＡＤＯ访问技术的数据管理功能。利用０∞ｎＧＬ基于皮肤图像的灰度进行三维重现，同时采用友好、图形化的分析界面，使研究者能够对皮肤当前状态有直观的认识，为进一步提出客观、重复性好的皮肤参数打下基础。
本文对也对系统中需要解决的图像处理问题做了初步的研究。通过图像的平移、旋转为采集中匹配的问题提供了算法；根据皮肤图像的特点，在皮肤图像纹理的提取中，对传统的阈值分割法做了改进，采用分水岭分割法，取得了良好的效果。
关键词：皮肤表面参数；用例分析；图像采集；ＯｐｅｎＧＬ；Ｉ虱像处理
纹理提取
ＡＢＳ了裳ＡＣ下
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第一章绪论
１．１皮肤表面参数分析的意义
一、皮肤表面参数分析是皮肤衰老与抗衰老研究的重要手段
人体皮肤表瑟掰能双察裂敢主要结橡，大致霹分戈皮肤纹瑾与皱纹，以及毛发等。皮肤纹理愚人皮肤表面微小的、呈多角形的皮丘皮沟，自出生时就存在于菠燕矢表嚣，宅饺褥疫获交褥柔餐、富鸯弹性，并傻瘦ｌ蠢豫、汗豫中熬分泌镪髭沿纹路扩展到整个皮肤表面。随着年龄的增加，皮肤衰老，其纹理的深度下降，各多角形之闯融合，相对个数减少，表面积增加。然而，皮肤皱纹帮楚衰老藏过度暴露太阳光等外界因素作用下，后天形成的皮肤老化标志之一。上述皮肤纹理与皱纹的衰老性变化，是由于皮肤交薄，含水性下降，真皮乳头层弹性纤维含量下降、消失、皮肤松弛，以及胶原变性、交联，腿爨霪复运动等因索造成豹。妇俺测定皮肤的纹理和皱纹变化，一直是皮肤褒老与抗衰老研究的一个重要手段，为铁不霹铡嚣采取摭衰老措施其鸯臻导意义。
二、皮肤表面参数检测是护肤品客观的评价方法
遗着科技静遗步和入瓮生活东平静撬商，入稍对于辩尚鹃追求更倾向于轻松、自然的本色风格。服装不再繁琐，妆蕊不再浓重。由之带来的新问题就是如何自然地修饰面部皮肤的皱纹、色斑等；予是疗效化妆品倍受欢迢，因为它们带绘人们一种心理期望，即§％从根本上解决这些闯题，让皮肤与身孝才焕发出囊然的青春光彩。目前，市场上的疗效化妆品种类繁多，那么如何评价这些化妆晶的疗效程？这羧霉要我我提出一秘定爨戆方法，帮数字亿懿方式，评侩发默豹生理状态，通过对化妆品前后期皮肤表面参数的变化，为化妆品的疗效提供客观的、令入信骚的辩学手段。
１．２皮肤表面参数分析研究发展现状
１．２．１皮肤解剖
皮肤（ｓｋｉｎ）由表皮、真皮和皮下组织组成，表皮与真皮之间由基底膜带连接。除了本身终擒癸，鼹含丰謇熬盘管、游巴管、李枣经、飘痰萃冀各释皮获辫藩嚣ｆ鹜｛一１）包括毛发、毛囊、皮脂腺、小汗腺、顶泌汗腺锋。皮肤为人体最大的器官，其慧重量约占体重豹１６％，成入皮肤静总颟积约１．５ｍ２，新垒ＪＬ约０１２ｌｍ２。皮肤的厚度根据年龄、部位的不同而异，不包括皮下组织，约在Ｏ。５～４ｍｍ之闻。表皮的厚度平均约Ｏ．１ｍｍ，而真皮的厚度是袭皮的１５倍～４０倍。眼睑、外阴、乳房豹皮肤最薄；四肢馋侧的皮肤比鼹侧厚；掌蹶部的皮肤簸厚，约为３～４黻ｎ。
蹦卜ｌ皮胀缎织结构承擞嬲
皮肤表面有许多皮沟（ｓｋｉｎｇｍｏｖｅ），怒由真皮纤维荣的排列和牵拉所致。皮溜将疫默凌垂划分为缨故较平行，瘗隆慈戆瘦蛸（ｓｌ（运粕ｇｅ）。较深夔受沟又构成三角形、多边形或菱形的小区称为皮野（ｓＨｎｆｉｅｌｄ）。皮峭以指趾未端屈面最唆曩，垒溉绞妖形袋捂绞。摇纹瀚形态受遗传鑫紊决定，除藏辩双生予舞，个体之间均有差异。【１１
从工程的角度来讲，对皮肤表颟进行定薰的分析，建立适当的模型，需露分析皮肤以下物理特性：
１．三维形貌
第～章绪论
蔽肤表面的皮沟，皮峭，以及纹瑷均在微观上体现出三维结构，皮肤的衰老以及疾病均会引起皮肤三维形貌的改变。
２．纹理
皮肤表甏熙皮海，皮峭奁宏鼹上列俸瑗出一定的纹理，狡必皮绞，疫纹是人体的一种稳定的体表性状，受遗传基因控制，其特征是遗传学研究中的一个重螫往获。｝２ｊ
３．弹性
皮肤的力学特牲表现为皮簌的弹瞧，弹性往往可以反应人的生理年龄。
４．颜甑
皮肤的颜色因种族、年龄、性别、营养及部位不同而异。而且一魑皮肤疾瘫会弓ｌ起色斑鲍出瑷。
５．其他
鲳疫获黪窳分，演份，鼓及毛发等，臻梵皮获表舔检溅熬骚究蔻溺。１．２．２皮肤表面参数分析的发展现状
皮肤表面本身包括很多物理特性，包括皱纹深度、宽度，弹性，颜色，光泽等，提对予磅究较多鲍是皴绞深度、宽度，最早鲍方法是探笔瀑《试纹，鼷会葳搽针篷获取皮肤的三维信息，并从机械材料领域引入了有关粗糙度的参数（如Ｒｔ、Ｒ獭科等，ｌｓｏ标准鸵ｓ７躐德国蛰黼标准４７６２．４７６秽“，摄今寿广泛静澎弼，毽这些参数目前只作为研究参考。
德国瀚ｃ鼯Ｅｌｅｃ付。越ｃ矗攉出～系列液用于皮肤表面检测参数，包括皮肤表面三维重现（ＳｂｎｊｖｉｓｉｏＭｅｔｅｒＳＶ５００），水分（ＣｏｍｅｏＭｅｔｅｒＣＭ８２５），色斑（ＭｅｘａＭｅｔｅｒＭＸ１６）等。并且其建立的参数系统受到较为广泛的应用。
韩国懿Ｃｏｓｍａ矬窭ｇｅｒ煲哇提供较强的数攒存馕管理功能，姆被捻测者不网对裴皮肤的图像保存到数据库中，可以随时调出，对比与分析皮肤图像，以经验作出主髓主戆译俊。
目前圈内对皮肤表面参数测量的尚未商系统的研究，对于抗袁防皱类护肤品效能评估主要依靠经验靛主观评价。对予客观科学方法静研究也有过一些探讨，
在已建立的皮肤纹理和皱纹测定方法中，采用了硅胶复膜，尔后用计算机图像分析系统进行测量‘５】ｆ６Ｊ，但由于硅胶复制品制作较繁琐，而且皮肤是软组织，制作复制品时候由于压迫变形容易造成复制品与皮肤本身的三维结构不一致，而且制作复制品产生的气泡会对测量结构影响很大。
１．３本课题研究的主要内容
皮肤表面参数目前尚无统一的标准可行，并且表面参数涉及的范围比较广，不仅包括皮肤表面的粗糙度、还包括颜色、弹性、水分等。
本课题研究主要内容如下：
１）研究皮肤表面并提出可行的参数模型；
１）结合北京市友谊医院的具体需求，为美容医师提供～个客观评价皮肤美容治疗疗效的一个实验平台，为美容医师对皮肤表面参数的进一步研究提供一个良好的工具。
１．４本章小结
本章论述对皮肤表面参数进行分析检测的意义，结合皮肤解剖从工程的角度提出皮肤表面分析可能涉及的研究对象，并简述了皮肤表面参数的历史以及国内外发展现状。根据实际应用，本课题将建立一个客观评价皮肤美容治疗疗效的实验平台，为研究可靠的参数模型工作打下基础。
图２—２光栅投影法示意图（ａ）光栅投影装置图
（ｂ）投影结构光栅（ｃ）投影到物体变形后的光栅
三、共焦显微（Ｃｏｎｆ０∞ｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）
共焦显微技术在生物医学中应用很广的技术，它是能够进行光学断层分析获取生物样本的三维图像，实现对组织的动态成像。其原理如下：激光聚焦成线度接近单个分子的极小斑点，照射样品，使之产生荧光，但只有焦点处的荧光可以被探测到，离开焦点的荧光将受到紧靠探测器的空间滤波器的阻碍，不会进入探测器，可以得到样品细胞一个层面的图像。连续改变激光的焦点，可在一系列层面进行扫描，得到整个样品细胞的三维图像。
共焦显微技术【１３】［１４］可以对皮肤在线测量，得到皮肤各层的清晰图像，是目前唯一能够测量皮肤各层的厚度的无损伤方法，这对一些皮肤病的诊断很有价值，例如能够观察恶性黑素瘤是否扩散到内部机体组织里。
四、图像分析
图像分析是指在一定光照下用ＣＣＤ或数码摄像机将皮肤的图像捕捉下来，用数字图像处理的方法分析测量皮肤的物理特性。
对于皮肤表面纹理皱纹的测量比较常用的方法是ＳＥＬＳ法，图像中如果没有毛发和其它噪声的影响下，灰度的亮暗分别对应皮肤的皮峭和皮沟，基于这个原理，ｓＥＬＳ法中提出了四个参数，粗糙度（ｓＥｒ）、鳞屑（ｓＥｓｃ）、平滑度（ｓＥｓｍ）和皱纹度ｆＳＥｗ）。本文将在２．２节中详细说明，研究表明【ｌ”，皮肤的状况改变后，这
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四个参数均有不同程度的变化。随莆年龄增长，常照示皮肤皱纹度和粗糙艘值增加，但平滑度程鳞瘸则无多大改变，鳞屑主要反映局部皮肤钋用化妆品鲍效果。
多光谱阕像分析法【１６】贝Ｕ将多光谱体视搜术与数字图像处理技术相结合，应用予惫素性皮默瘫载诊薮秘疗效判定，取褥嶷好戆效采。壶予皮获惫素、盘红蛋鑫和黑色素具有不同光谱的吸收特性，因此多光谱图像分析法选择了与色斑相匹配豹特定光谱来疆离与萁它部位豹反蒺，鬻像鹃清新发和可躐惶豹撬离大大方便了图像处理技术的应用。多光谱图像分析法主臻运用于对特殊类祛斑化妆品和药物疗效的翔定，可作为一种常规色素治疗的功效定量评价工其。
蹬２—３ｓＦｓ法戆装置蹬（右圈为三令光源分剐点亮是ｅｅ玲褥到的毽像）
阴影图像分析则利用“从影到形”（ｓｈａｐｅｆ如ｍＳｈａｄｉｎｇ）技术，其基本原理是，在镁设鹈体没蠢镜面反瓣两盈不吸牧兔豹债嚣下，穆髂菜一煮对光反龛雩的强度只该点附近法线方向与光源的夹角有关，丽该点向外发射光的强度对应这该点在鬻像中的获度值，于是图像酶灰壤和物体表面静法线方向有一个对应关系，只要找到这个对应关系，得到备点的法线方向，从丽恢复其形状。图２—３怒利照三个不同韵点光源得到皮肤硅胶复制品钓三个不同的灰度图像，图２—４的右图是黧建表嚣与实际表嚣斡茇毽，从审我织餐戮误差袭瑟基本趋于零，恢复的形状是可信的１１７】【１３】。
图２—４用ｓＦｓ法重建的皮肤表面图与误差表面
２．２皮肤表面检测技术的比较
皮肤表面检测传统的方法是制作皮肤硅胶复制品，复制品反映了皮肤表面负像结构，硅胶复制品硬化后物理性能稳定，易于测量。最早提出的探针测定用机
械的方法（称之为机械面形ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｆｉｌｏｍ哪），用金属探针获取皮肤三维信息，机械面形虽然存在着很多的缺点，但引入有关粗糙度的参数（如Ｒ、ＲｚＤＩＮ等，ＩＳＯ标准４２８７或德国ＤＩＮ标准４７６２—４７６８）至今为在化妆品界评价皮肤状况一个较为客观的标准。
随着后来激光技术的广泛应用，人们针对机械面形的缺点，提出了用激光探
针取代金属探针的激光面形法（ＬａＳｅｒＰｍｆｉｌｏｍ哪），不仅提高了精度而且减少了测量的时间。但无论机械面形还是激光面形的方法都需要逐点扫描，都存在着速
度慢的问题。相比之下，透光面形是一个较好的选择，但其精度没有激光面形高。
由于皮肤复制品制作较繁琐，而且皮肤是软组织，制作复制品时候由于压迫变形容易造成复制品与皮肤本身的三维结构不一致，而且制作复制品产生的气泡会对测量结构影响很大。
而光栅投影法则采用主动光学传感…】的方法，通过皮肤表面不平对规则的结构光进行调制，不仅仅实现了在线实时测量，而且精度也很高，但投影仪的成本较高，应用于比较精确的测量。另外共焦显微能够恢复皮肤断层的三维结构，为临床提供了很有价值的信息。
１）图像分析法是直接将皮肤摄入图像进行处理，操作方便，与皮肤无需接触。
２）设备简单，并且在控制光源的情况下，也可以获得皮肤表面的三维形貌。
３）在根据现有可行设备建立系统后，完全可以在原有的基础下采用更精确（如光栅投影）的设备，保证研究的可扩展性。
４）基于图像的分析不仅可以对三维形貌进行研究，也可以扩展到对其他的皮肤物理特性的研究，如颜色、弹性等。文献［１６］是基于ＣＣＤ彩色图像的皮肤颜色分析，而文献［１９］～［２１］中提出了根据皮肤力学形变与其光反射特性的关系来研究皮肤的弹性，这些分析都可以用二维的数据矩阵作为基础，我们可以运用数字图像处理技术对二维矩阵进行分析（如图２—５）。
基于传感器得到的二维数据的皮肤弹性分析
基于ｃｃＤ灰度图
像的皮肤皱纹分
析
基于精密仪器得到
的表面三维数据的
皮肤皱纹分析
图２—５皮肤表面参数的研究方法
２．３基于皮肤灰度图像的参数分析基于ＣＣＤ彩色图像的皮肤颜色分析
皮肤灰度图像是皮肤参数分析的基础，例如基于精密仪器得到的表面三维数据，通过可靠的插值算法得到一组二维数组，将数据按大小分为若干个等级，可以用灰度图像进行描述。在实验中我们用ＣｃＤ摄像机将皮肤特定区域对环境光的反射情况进行采样并转化为数字信号，若将每个采样分为２５６个等级（Ｏ￣２５５），同样得到了灰度图像。
图２—６皮肤的灰度值与皮肤表面实际高度的对应关系对于ｆＨ最简单的线性关系，我们可以描述为：
２．６
Ｈ＝ａＧ＋ｂ
其中ａ、ｂ为常数。
２．３．２ＳＥＬＳ（Ｓｌ‘ｉｎＥＶａｌｕａｔｉｏｎｏｆＬｉＶｉｎｇＳｌ‘ｉｎ）
基于图像的灰度值我们在建立系统时引入了文献［１５］中描述的ｓＥＬｓ（ｓｋｉｎＥｖａＩｕａｔｉｏｎｏｆＬｉｖｉｎｇＳｋｉｌｌ）参数，ＳＥＬＳ包含四个参数，其中ｓｋｉｎｓｍｏｏｔｌｌｌｌｅｓｓ（ＳＥｓｍ），反应了皮肤某区域的皱纹的宽度和深度。而ＳｋｉｎＲｏｕｇｈｎｅｓｓ（粗糙度，ＳＥｒ）和ＳＥｓｍ有相反的意义。ＳｋｉｎＳｃａｌｉｎｅｓｓ（鳞屑度，ＳＥｓｃ）在图像上反应了高于某灰度值占整个图像的比例，研究表明ｓＥｓｃ反应了皮肤的干湿度。Ｓｌ【ｉｎＷｒｉｎｋｌｉｎｇ（ｓＥｗ）则计算了水平和垂直方向上的皱纹数与宽度之比。
另外为了反映整个皮肤图像的灰度值分布情况，我们也提出了峰度（ＫＩｌｎｏｓｉｓ）这个指标参数，在前面的假设下，也就是反应了皮肤三维结构高度的分布情况。
下面是这几个参数的具体描述。
一、ＳＥｓｃａｎｄＲｋｕ
这两个参数只与图像的灰度值有关，具体描述如下。
ｓＥｓｃ（ｓｃａｌｉｎｅｓｓ，鳞屑度）
表示高于指定的阈值的象素占整个像素的比例。公式如下：
鼢一００灯５％一。ｋ）
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一ｃ。％＋口］
图２—７鳞屑度ＳＥｓｃ定义
其中Ｌ。表示高于阈值ｓｓＥｓｃ的象素点数量，ｘ０。和Ｙ一表示计算区域的大小。
Ｒｋｕ（ｋｕｒｔｏｓｉｓｐａｎｍｅｔｅｒ，峰度）
Ｒｋｕ公式如下：
氏２％：：
其中胁：％窆Ｇ，一ｊｆ
ｎ为整个计算区域的象素个数，ｚ为各点的灰度值，ｚ为ｚ的平均值。Ｒｋｕ描述了图像直方图灰度分布的情况，如图所示：
Ｐｒｏ凡ｅＨ脚－ｎＲｋｕ
飞八八．八ｃ３
以０／／’、＼）３
一Ｐ∥【厂
／＼Ｍｎ尸厂＼、－３
图２—８峰度Ｒｋｕ与灰度直方图的关系
二、ＳＥｒ’ＳＥｓｍ，ＳＥｗ
这三个参数基于图像上皮肤皱纹的数量（皱纹数量的讨论见下面２．３．３一节），也与灰度值有关。
ｓＥｒ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，粗糙度）
粗糙度表示低于指定的阈值的象素占整个像素的比例。
公式如下：
跏＝１０蚶氘十％）
／一—ｒ～
图２—８粗糙度ｓＥｒ定义
其中Ｉｉｎｆ灰度值小于阈值的象素个数，Ｆ。表示水平方向和垂直方向皱纹的数量。
ｓＥｓｍ（ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ，平滑度）
平滑度表示皮肤的皱纹深度和宽度。
公式如下：
鼢＝１叫［（ｃ。一ｅ）×（‰＋‰）］
图２—９平滑度ｓＥｓｍ定义
如图在图像直方图的纵轴取一个阈值，使得阈值以下的面积占整个面积的ｓＳＥｓｍ％（图中为１０％），其中Ｃ。和Ｃ。为在直方图相应的横轴坐标，它们的差代表着占一定比例的灰度值范围，在灰度值和深度成比例关系的假设下，此差值代表皱纹的深度。Ｆｍ为水平方向和垂直方向皱纹的宽度。
ｓＥｗ（ｗｒｉｎｋｌｉｎｇ，皱纹度）
皱纹度表示水平和垂直皮沟数及皮沟宽度的比例。
公式如下：
ｓ耻矧×％×七
（，幺×Ｅ。）／，“
Ｆ。水平方向和垂直方向皱纹的宽度，Ｆ。水平方向和垂直方向皱纹的数量。２．３．３有关ＳＥＬＳ的计算
上一节描述的ｓＥＬｓ指标参数中，需要计算一个很重要的参数是皱纹的数量和宽度。皱纹的描述定义目前尚无标准，在文献中也没有具体说明，需要在实际操作实验中研究。
一方面，我们在设计系统的时候，需要建立一个直观互动的操作界面，让研究者提出更好的计算方案，另一方面，作者提出了以下两种计算方案：
一、包络法
图２—１０皮肤图像某一截面的灰度曲线
如图２．１０所示，红色曲线表示皮肤图像某直线方向上的灰度值走向，我
们可以认为：每一个曲线的包络认为是一个皱纹。对于一个包络，直观上讲，一个包络在灰度值曲线中包含一个峰值（Ｐｅａｋ）和两个谷值（Ｖａｌｌｅｙ），数学描述如下：
１）曲线ｆ（ｘ）在定义域的子集区间（ｘＩ，ｘ２）内有是有最大值ｆＱ），并且
ｆ（ｘ１）＜ｆ（ｘ）当ｘｌ＜ｘ＜ｐ时
ｆ（ｘ２）＜ｆ（ｘ）当ｐ＜ｘ＜ｘ２时
并称ｆ（ｘ）在ｘｌ和ｘ２点有谷值ｆ（ｘ１）、ｆ（ｘ２），在ｐ点有峰值ｆ（ｐ）。
２）两个谷值和峰值之差相差不会很大：
ｌ器糍一Ｉｑ
ｌ，（ｐ）一厂（ｘ：）。
其中ｅｌ为较小的正整数，取Ｏ．６～０．４。
３）包络幅度（谷值和峰值之差）比较大（相对于整个定义域之内）：
竺！翌！』！旦！二』！苎１２１』！旦２二Ｚ！兰！！！＞。，
｛一一｛。ｌ
其中ｆｍ。和ｆｍ。为ｆ（ｘ）在整个定义域的最大值和最小值，。２为小于但不等于１的正数，取０．５～０．６。
二、网格法
将图像做处理，转化为二值的网格图像，如图２—１１所示，网格图中的每一块区域的计算为一个皱纹。
图２—１１皮肤图像的网格化
具体的图像处理过程，参见本论文“皮肤图像处理”一章。