环境因素对肤色测量的影响

郭 宇

(鞍山师范学院 物理科学与技术学院,辽宁 鞍山 114007)

环境因素对肤色测量的影响

郭 宇

(鞍山师范学院 物理科学与技术学院,辽宁 鞍山 114007)

肤色测量在基于颜色特征的人脸识别、皮肤科临床和美容护肤等领域有着广泛的应用.文中应用数字图像处理技术在HSV色彩空间中对影响肤色测量的几个环境因素进行了实验研究.研究发现，人类皮肤的饱和度S和亮度V对电压波动呈现出较好的鲁棒性，而色调H受电压稳定性的影响相对较大.研究还发现，特征参量(S+V)/H会随着温度的降低而减小，随着湿度的减小而增加，受测量环境温、湿度的影响较大.同时研究结果表明参量(S+V)/H对颜色的变化具有较强的分辩能力，可以较好地描述红斑类和白斑类皮肤病的颜色变化过程.

肤色测量;影响因素;电压稳定性;温度;湿度

皮肤为人体的最大器官，其总重量约占体重的16%.由于多数的皮肤病变都会引起肤色的变化，因此通过对肤色差异的测量可以评价皮肤病的临床治疗效果.近年来，随着计算机技术和数码产品的飞速发展，使得将计算机图像处理技术应用于肤色的测量成为可能.如LU Yixing等[1]利用数字图像处理技术首次发现在HSV色彩空间中(H代表色调Hue、S代表饱和度Saturation、V代表亮度Value)，当肤色发生变化时，(S+V)/2也随之改变，并与色调H的变化方向相反，因此可以将(S+V) /H作为一个识别参量，且这个识别参量对光照强度和照射角度呈现较好的鲁棒性.尚可可等[2]首次将该方法应用于皮肤病的临床测量，并在Dawson皮肤光学模型的基础上，采用正常部位与红斑部位光强倒数的对数差作为参数来描述皮肤红斑变化.理论推导表明：该参数与正常部位和红斑部位真皮层中的血色素浓度差成正比，可以较好地反映红斑的病变情况.

根据皮肤组织的病理结构，肤色的变化不仅与病变情况有关，而且还与机体的内在因素和外在的环境因素有关.如果将肤色差异的测量应用于临床治疗和评价中，那么仅需将同一机体病变区域的前后测量结果进行比对即可，从而消除了由机体不同而引入的肤色差异.如果可以了解外界环境因素对肤色测量的影响，就可以更加准确地测量出由病变情况而引入的肤色差异，从而实现对皮肤病临床治疗效果的评价.文中主要应用数字图像处理技术对影响肤色测量的环境因素进行了深入探究，为进一步将该方法应用于临床治疗效果的评价提供实验依据.

1 原理分析

1.1 皮肤的结构及肤色的形成

皮肤由表皮、真皮和皮下组织组成，表皮与真皮之间由基底膜带连接.除了本身结构外，尚有丰富的血管、淋巴管、神经、肌肉和各种皮肤附属器，包括毛发、毛囊、皮脂腺、小汗腺等[3].其中表皮由外胚层分化而来，主要由角质形成细胞和树枝状细胞组成，树枝状细胞中含有决定肤色的黑素细胞.人类皮肤之所以会呈现出白、黄及黑色的差异，主要与表皮层中的黑素[3]有关.黑素小体的数目、大小、形状、分布和降解方式的不同决定种族及部位的肤色差异.黑素又分为真黑素和褐黑素.真黑素呈黑褐色，褐黑素呈黄色或红褐色.表皮中还含有类胡萝卜素[4]，呈黄色，主要沉积在基底层，是一种外源性脂类.在真皮血管中还含有另外3种色素[4]，即血红蛋白(红蓝色)、氧合血红蛋白(鲜红色)和胆红素(黄色).正是由于上述几种色素的数量及比例不同，才导致了不同机体肤色的差异.另外，皮肤的颜色还会因年龄、性别及营养的不同而异[5].

1.2 肤色测量的影响因素

影响肤色测量的因素可分为内因和外因两种.内因主要包括疾病、血管舒缩程度及神经内分泌变化等.外因主要包括测量探头的压力、外用制剂的使用、测量环境的光强、温度及湿度等.

首先，疾病是机体不可避免的，某些疾病如新生儿黄疸、贫血及心肺功能衰竭等会引起皮肤颜色的明显变化；其次，应激事件和肾上腺素及某些血管活性药物会使血管的舒缩程度发生变化从而引起皮肤颜色的改变；再有，对于女性而言，正常的月经周期、妊娠期和绝经期均会由于机体内分泌的变化而引起肤色的差异.因此，在临床测量前，需要掌握患者的身体健康状况，避免患者服用或注射血管活性类药物；测量时，若发现患者存在应激反应需暂停测量，待患者恢复平静后再测，如果是女性患者，还需避开患者的月经期.这样做的好处是可以尽量避免由患者自身引入的肤色变化，从而更加准确地测量出病变区域的皮肤颜色.

在实际的临床应用中，利用数字图像处理技术来测量肤色较其它肤色测量方法更具优势.首先它是一种非接触式的无损测量方法，可以避免由测量探头的压力所引起的肤色变化；其次它有光强可调的标准光源，可以确保每次测量均在同一照度下进行，避免了由环境光强所引入的肤色差异.此外，患者应在测量前仔细清洗被测区域以避免由药物或化妆品等外用制剂引入的测量误差.而在众多外界因素中，环境因素的干扰是无法避免的.如光源的稳定性会受到外界电压波动的干扰；光源在照射时产生的热量会引起周围空气温度的略微上升；测量环境的温、湿度变化同样会引入测量误差.因此，针对肤色测量中环境因素的影响进行进一步探究是十分必要的.

1.3 色彩空间的选择

在数字图像处理技术中，对彩色图像的处理，需要在特定的色彩空间中进行.目前已建立的色彩空间有RGB、HIS、HSV、L*a*b*等十余种，不同的色彩空间其颜色参量的含义和类型不同.为了准确地反映被测皮肤的颜色特征，首先需要选择合适的色彩空间.根据上文介绍，已有研究表明：在HSV色彩空间中，当肤色发生变化时，可以将(S+V) /H作为一个识别参量，且这个识别参量对光照强度和照射角度呈现较好的鲁棒性.由此可见，HSV色彩空间更适合研究肤色受环境因素影响后的变化情况.

HSV色彩空间(图1)含有色调(Hue)、饱和度(Saturation)和亮度(Value)3个分量，它们分别对应于人眼色彩视觉特征中的3个要素，很好地反映了人们对色彩的感知和鉴别能力，适合肉眼分辨和基于色彩的图像相似性比较.此外，HSV色彩空间中各轴在视觉上彼此无关，空间距离符合人眼的视觉特征.

2 实验研究

2.1 实验系统

实验系统由光源(SCHOTT ACE-I型)、数码相机(NIKON D70)、计算机、环形光纤、圆柱筒及相机支架组成.实验过程如下：首先将150 W的卤素灯光源的出射光通过环形光纤束从一铝制圆柱筒的前端均匀投射到后端待测皮肤的表面；然后通过数码相机在筒的前端记录下待测样品的反射光强；最后将采集到的数码图像输入到计算机中，利用MATLAB程序进行图像处理和数据分析.其中选用铝制圆柱筒的目的是为了消除环境光的影响，它的内径与环形光纤匹配，长度固定，高度可调，内层涂黑.整个实验过程在暗室的条件下进行，实验装置[6]如图2所示.

2.2 电压稳定性对测量影响的研究

由于在实际测量中，光源的预热过程以及电源电压的波动都会影响测量结果，因此需要提前掌握光源的预热时间和是否需要加装稳压器.实验过程如下：首先，在实验室的环境下(压强、温、湿度固定)，将一张白色的硬纸板固定在圆柱筒的一端作为待测样品并调节好成像系统；然后，关闭室内的日光灯，将调节好光强的光源打开，同时用相机从筒的另一端进行拍摄，采集图像的间隔时间为10 s，30 s，1 min，5 min，10 min，30 min，1 h；最后将采集到的图像输入到计算机中进行处理.测量过程在暗室中进行，测量电压为220 V交流电.

表1 样品同一区域的H、S、V均值随时间的变化

如表1所示，光源在开机5 min后各参量的均值基本趋于稳定，只有H值相对有微小波动.通过计算得到，5 min后H、S、V 3个分量的方差分别为0.837 5×10-6，0.202 5×10-6，0.210 1×10-6.说明在光源预热5 min后，饱和度S和亮度V较为稳定，受电压波动的影响不大，相比之下，归一化后的色调H方差较大，说明其受电压稳定性的影响相对明显.由此可见，实验所使用的 ACE-I型光源需在测量前预热5 min，同时需要加装稳压器，且测量时间不宜过长.

2.3 温度和湿度对测量影响的研究

在实际临床应用中，皮肤病患者从治疗到痊愈需要一定的周期，而对于同一患者表皮病变区域的图像采集是在不同的时间和环境下进行的.在众多的环境因素中，压强、温度和湿度的差异是无法消除的，它们会直接影响患者被测区域表皮的温度和湿度.实验中采用直接改变被测表皮温、湿度的方法来模拟不同环境下的温、湿度差异.实验过程如下：取两名健康男同学的手臂皮肤为被测样品，使其中一名同学的手臂与45 ℃的热宝接触，待手臂皮肤略微泛红时撤去热宝，立刻开始测量，测量间隔为5 s，环境温度为14 ℃；将另一名同学的手臂侵入到与体表温度相同的温水中，待片刻后取出，用毛巾轻轻拭去表面水珠后即刻开始测量，测量间隔为10 s，环境湿度为35%.测量过程均在暗室中进行，光源提前预热，光照强度固定.

由于实验环境的温度和湿度较低，使得被测区域的表皮温、湿度在最初的1 min内，变化迅速且明显，即被测区域的表皮温度和湿度随着测量时间的增加而迅速减小，很好地模拟了测量环境的温、湿度变化.图3、图4分别为不同环境下特征参量(S+V)/H的均值随时间的变化关系，从图中可以看出(S+V)/H的均值随温度的降低而减小，随湿度的减小而增加，受温度和湿度的影响较大.因此在应用参量(S+V)/H来描述颜色变化时应尽量减小环境温、湿度的变化.

随着温度的降低，被测表皮的颜色由泛红过渡到正常，符合红斑类皮肤病的治疗过程；随着湿度的减小，被测表皮的颜色由泛白过渡到正常，符合白斑类皮肤病的治疗过程.因此特征参量(S+V)/H在随温、湿度变化的同时也表现出对颜色变化具有较强的分辩能力，因此在红斑类和白斑类皮肤病的测量中可利用参量(S+V)/H的值来描述病变区域的颜色变化，从而实现对皮肤病治疗效果的评价.

3 结论

本文通过实验研究发现，人类皮肤的饱和度S和亮度V受电压波动的影响较小，色调H受电压波动的影响相对较大，由此建议测量系统加装稳压器.研究还发现，特征参量(S+V)/H受环境温度和湿度的影响较为明显，它会随温度的降低而减小，随湿度的减小而增加.同时通过分析实验中被测区域的肤色变化过程，发现参量(S+V)/H对颜色的变化具有较强的分辩能力，当环境因素恒定时，它可以较好地描述红斑类和白斑类皮肤病的颜色变化过程.本文的研究结果为实现肤色测量在皮肤科临床领域中的进一步应用提供必要的实验依据.

[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，刘迎，路毅行,等．皮肤红斑客观化测量新参量的研究[J]．光电子·激光，2007,18(6):760-762．

[3] 张学军．皮肤性病学[M]．北京：人民卫生出版社,2003．

[4] 岳学状，朱文元．皮肤的颜色及其测量[J]．临床皮肤科杂志，2003，32(9):554-556．

[5] 李艳，李利，蒋小月,等．皮肤颜色和部位、年龄及性别的相关性研究[J]．中国美容医学，2005,14(5)：624-626．

[6] 郭宇，张洁．光照强度和皮肤曲率对肤色测量影响的研究[J]．鞍山师范学院学报,2015,17(2):26-28．

GUO Yu

(SchoolofPhysicalScienceandTechnology,AnshanNormalUniversity,AnshanLiaoning114007,China)

(责任编辑：陈 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，辽宁鞍山人，鞍山师范学院物理科学与技术学院讲师，硕士.

Q632

A

1008-2441(2015)06-0029-04