基于圖像處理的皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)

王思涵

摘 要：隨著時(shí)代的變遷，人們開始更加關(guān)注自己的外表。皮膚作為人們身體的外表，自然是人們關(guān)注的重點(diǎn)。但人們的皮膚經(jīng)歷風(fēng)吹日曬，會(huì)出現(xiàn)老化、多皺紋的情況。這種情況對(duì)于人們的身體是極大損傷，且使人看起來不是那么清爽漂亮。因此皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)也將成為一個(gè)未來發(fā)展方向。用肉眼觀察診斷的方法是勢(shì)必是要被淘汰的，人們需要更準(zhǔn)確合理的方法幫助他們進(jìn)行皮膚皺紋檢測(cè)。本文提出兩種合適的檢測(cè)皮膚粗糙程度圖像的預(yù)處理方法：分別是HSV顏色空間和直方圖均衡化。其中HSV顏色空間需要來進(jìn)行圖像分割。本系統(tǒng)運(yùn)用直方圖均衡化來增強(qiáng)整個(gè)圖像的顏色對(duì)比度。最后是通過灰度差值直方圖來表示圖像中的紋理粗糙程度，從而檢測(cè)皮膚是否需要護(hù)理修復(fù)。

關(guān)鍵詞：直方圖均衡化;HSV顏色空間;灰度差值

一、皮膚皺紋檢測(cè)的重要性

皮膚是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線，也會(huì)對(duì)人的外表造成一定的影響。尤其是對(duì)于女性來講，皮膚的重要性更是十分突出。在外出、涂抹化妝品等情況下，皮膚往往會(huì)造成損傷，如果不能及時(shí)修復(fù)，將造成皮膚老化、多皺紋的問題。而平時(shí)我們針對(duì)皮膚的檢測(cè)只能去醫(yī)院或美容院進(jìn)行檢測(cè)修復(fù)。且每檢查一次花費(fèi)也不低。當(dāng)出現(xiàn)如此密集或深的皺紋時(shí)再進(jìn)行保養(yǎng)護(hù)理，已經(jīng)為時(shí)太晚。因此需要一種皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)。由此看來基于圖像處理的皮膚診斷系統(tǒng)很便捷，一個(gè)APP，一個(gè)手機(jī)就可以幫你隨時(shí)檢測(cè)自己的皮膚，掌控皮膚的情況。因此基于圖像處理的皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)可以幫她們清楚地認(rèn)識(shí)到自己的皮膚狀況，并且可以根據(jù)這一檢測(cè)報(bào)告合理地進(jìn)行護(hù)膚產(chǎn)品的選擇和美容保養(yǎng)。

二、皮膚皺紋檢測(cè)的現(xiàn)狀和弊端

到現(xiàn)在基于圖像處理技術(shù)的應(yīng)用取得了很大的成果，如所謂的“拍片子”的B超就是一種典型的圖像處理技術(shù)運(yùn)用于臨床醫(yī)學(xué)的例子。但目前國內(nèi)皮膚上的皺紋檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展還處于比較落后的狀態(tài)。

目前，由于刑偵、身份識(shí)別等方面的需要，對(duì)指紋、掌紋的識(shí)別提取研究取得了不少成功。如今，公安局、銀行等都可以見到指紋提取器。如辦理身份證業(yè)務(wù)就需要提取左右手指的指紋。

在皮膚健康方面，大多數(shù)醫(yī)院和美容院還是采用肉眼觀察這一傳統(tǒng)皺紋檢查方法。但大多數(shù)情況下，只有較深或較密集的皺紋紋理才會(huì)被觀察關(guān)注到。但當(dāng)出現(xiàn)如此密集或深的皺紋時(shí)再進(jìn)行保養(yǎng)護(hù)理，已經(jīng)為時(shí)太晚。因此需要一種皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)。

因此，采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行皮膚的皺紋的檢測(cè)是十分必要的。而我們研究的基于圖像處理的皮膚健康研究正是希望彌補(bǔ)這樣的一個(gè)短板。隨著人們對(duì)面部護(hù)理的重視步步增強(qiáng)，各種各樣的與面部有關(guān)的系統(tǒng)和機(jī)器出現(xiàn)在市場(chǎng)上。幫助我們可以更好的完善系統(tǒng)，從而起到劃時(shí)代的意義。

三、創(chuàng)新性

本系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的基于肉眼觀察的檢測(cè)皺紋的方法。采用直方圖均衡化和HSV顏色空間的預(yù)處理方法，增加圖像對(duì)比度的同時(shí)將人的皮膚與外界環(huán)境區(qū)分。運(yùn)用灰度差值直方圖提取并分析皮膚上的紋理。本系統(tǒng)可以隨時(shí)很快地分析圖像中的皮膚出現(xiàn)皺紋程度，能夠避免用戶受美容院等機(jī)構(gòu)的推銷欺騙。運(yùn)用本系統(tǒng)，不需要有醫(yī)生等醫(yī)護(hù)人員的肉眼觀察經(jīng)驗(yàn)積累，也就是說人人都可以使用。這將大大方便了每個(gè)人了解自己的皮膚老化等的程度，保障每個(gè)人的皮膚健康程度。

四、皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)

（一）皮膚圖像的采集與檢測(cè)

既然是基于圖像處理的皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)，那么一定要有原始圖像供系統(tǒng)進(jìn)行研究和檢測(cè)。因此需要皮膚圖像的采集。由于本系統(tǒng)的目標(biāo)是運(yùn)用系統(tǒng)本身給所有用戶隨時(shí)檢測(cè)圖像中皮膚褶皺程度的服務(wù)。所以，無論是靜態(tài)的圖像采集還是動(dòng)態(tài)的圖像采集，都可以被本系統(tǒng)檢測(cè)出來。在經(jīng)過圖像的采集后，本系統(tǒng)就可以進(jìn)行預(yù)處理了。

（二）圖像預(yù)處理

收到獲取圖像時(shí)出現(xiàn)一些臨時(shí)的改變的影響，原始圖像受到種種圖像的干擾，因此不能直接處理。必須在還沒有對(duì)其進(jìn)行特征提取的時(shí)期就對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，以便于后期的特征提取和分析能夠減少誤差地進(jìn)行。需要預(yù)處理的原因是獲取所需要的圖像上的皮膚的特定研究對(duì)象，增強(qiáng)那些對(duì)于后續(xù)特征提取處理來說比較重要的圖像與環(huán)境的對(duì)比度并模糊或消除一些無關(guān)緊要的圖像。

由于本系統(tǒng)采集的圖像灰度值分布不均勻，容易出現(xiàn)反光或過暗等情況，因此在本系統(tǒng)中，對(duì)皮膚皺紋進(jìn)行研究時(shí)要提升皮膚與環(huán)境的對(duì)比度。除此之外，將待分析皮膚圖像與周圍環(huán)境圖像分開，也是顯而易見十分必要的。

綜上所述，本系統(tǒng)主要通過直方圖均衡化的預(yù)處理、圖像分割方法對(duì)圖像進(jìn)行處理。

（1）直方圖均衡化

本系統(tǒng)采用的是直方圖均衡化。所謂直方圖就是灰度值概率。直方圖均衡化把原始圖的直方圖變換為比較均勻的直方圖形式，也就是使灰度值概率更平均，從而“擴(kuò)大”研究對(duì)象和背景灰度的不同之處，這樣就增加了像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果 。通過直方圖均衡化，皮膚上的紋理皺紋等可以更好地展示出來。

要實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化，首先要統(tǒng)計(jì)給定的待研究檢測(cè)的原圖像的直方圖。然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的直方圖采用累積分布函數(shù)做變換。最后用新灰度值代替舊灰度值。這一步是近似過程，應(yīng)根據(jù)處理的目的盡量做到合理，同時(shí)把灰度值相等或近似的合并到一起，這樣圖像中同一區(qū)域（或同一物體，同一塊皮膚）的光暗強(qiáng)度就是一樣的，而不同區(qū)域的對(duì)比度會(huì)更加明顯，從而增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度。經(jīng)過直方圖均衡化的處理后的圖像中的皮膚與皮膚外面無關(guān)環(huán)境就具有明顯的區(qū)別了，從而便于本系統(tǒng)進(jìn)行處理。經(jīng)過直方圖均衡化的圖中的人物將棱角分明，臉上不再有明顯的反光現(xiàn)象，圖像整體對(duì)比度明顯增強(qiáng)，給計(jì)算機(jī)提供的紋理圖像就能更清晰地被分析出來。

（2）圖像分割

在圖像檢測(cè)中，需要把所研究的皮膚與外界環(huán)境分離。因此需要進(jìn)行圖像分割。因?yàn)橹車h(huán)境的顏色與人臉皮膚的顏色有或明顯或細(xì)微的差別，所以利用這一點(diǎn)，可以建立合適的顏色空間來清晰地表達(dá)待處理的圖像中的人體皮膚的顏色信息，以便達(dá)到分割圖像、突出待測(cè)特征信息的目的。在多種多樣的顏色空間中，RGB顏色空間是最基本最方便的一個(gè)。一般我們?cè)谂臄z圖像時(shí)采用的，就是這一RGB顏色空間來記錄圖像的顏色信息的。以R（紅）G（綠）B（藍(lán)）三種自然界基本的顏色為基礎(chǔ)的RGB顏色空間會(huì)在程序中將紅、綠、藍(lán)顏色在空間中進(jìn)行疊加，進(jìn)而可以產(chǎn)生其他幾乎所有的顏色。這一RGB顏色空間雖然有容易理解的優(yōu)勢(shì)，但它的缺點(diǎn)也非常明顯：它的均勻性非常差，并且容易因光線亮度而受到影響?；诖嗽?，本系統(tǒng)的解決方案是將最經(jīng)常使用的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為更易于被分辨的HSV顏色空間。在HSV顏色空間中H表示色調(diào)，V表示明度，S表示飽和度。由于亮度分量和色度分量是分開的，彼此之間沒有直接的聯(lián)系，因此在這一HSV顏色空間中圖片分割顯得更有優(yōu)勢(shì)。HVS顏色空間比RGB顏色空間更能讓人類感知到顏色上的細(xì)微差別與變化。綜上所述，因此使用HSV顏色空間時(shí)，可以更好地區(qū)分皮膚與周圍環(huán)境。

經(jīng)過查閱資料，RGB轉(zhuǎn)換到HSV如下：

（2.2.1）

（2.2.2）

（2.2.3）

（三）皮膚皺紋檢測(cè)

進(jìn)行皮膚皺紋檢測(cè)前必須進(jìn)行特征提取。

特征提取是指使用電腦計(jì)算機(jī)提取圖像信息，確定圖像中眾多圖像信息中每一個(gè)點(diǎn)是否屬于被研究檢測(cè)的圖像特征。當(dāng)采集到圖像時(shí)，需要對(duì)圖像進(jìn)行一定的處理，使圖像更容易被分析處理。通常來說，基于圖像的特征提取有基于顏色、聲音、性狀等的特征提取。本系統(tǒng)研究對(duì)象是皮膚皺紋，所以要提取的是皮膚紋理。本系統(tǒng)通過灰度差值直方圖來表示圖像中待檢測(cè)的皮膚上的皺紋紋理。人們皮膚上的紋理多種多樣，但大多數(shù)紋理由于細(xì)小無法被肉眼仔細(xì)觀察，在不仔細(xì)注意的情況下也無法察覺這些褶皺的存在。因此人們需要一種根據(jù)圖像檢測(cè)皺紋褶皺程度的系統(tǒng)。這一基于圖像處理的皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)正是順應(yīng)了這一需求而被開發(fā)出來的。

眾所周知，皮膚上的紋理有不同粗細(xì)的差異，而紋理粗細(xì)則與局部結(jié)構(gòu)的空間重復(fù)程度有密切的關(guān)系：空間周期小的皮膚紋路要比空間周期大的紋路看起來更細(xì)致，例如，衣料中絲綢摸起來比毛料要光滑細(xì)膩，因?yàn)榻z綢是用比毛線更細(xì)的材料制作而成的，其絲線的密度要更大。因此，本系統(tǒng)可以通過灰度直方圖差值觀察出皮膚紋理的粗糙程度，從而可以描述圖像中紋理的特征信息和皺紋的密集程度。

比如圖像中有一點(diǎn)，另有一點(diǎn)，則它們之間的灰度差是：

（2.3.1）

如果令這個(gè)點(diǎn)普遍分布在整個(gè)圖像中，并計(jì)算該點(diǎn)與周圍相鄰（上、下、左、右、左上、左下、右上、右下）的8個(gè)點(diǎn)的各自的灰度差為（為絕對(duì)值），接著統(tǒng)計(jì)出每個(gè)灰度差被計(jì)算出的次數(shù)，從而按照每個(gè)灰度差被計(jì)算出的次數(shù)來繪出一個(gè)全圖灰度差的直方圖。最后根據(jù)所繪直方圖計(jì)算出灰度差，然后取不同值的概率p。

在分析被提取的特征信息過程中，更大值的灰度值被計(jì)算出的概率（p）大時(shí)，則表示皮膚是細(xì)致光滑的，就說明被檢測(cè)的這塊皮膚保養(yǎng)程度相當(dāng)出色;如果更小值的灰度值被計(jì)算出的概率（p）大時(shí)，則表示皮膚是粗糙的，說明被檢測(cè)的這塊皮膚還需要修復(fù)或保養(yǎng)。因此在一個(gè)皮膚圖像中，可以通過灰度直方圖差值來判斷一張圖像中被檢測(cè)皮膚的粗糙程度，從而判斷皮膚健康程度。這一方法并不是放大皺紋人工觀察，而是根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行分析，從而判斷皮膚皺紋粗糙程度，這比人工人眼觀察更科學(xué)有效。

（四）可實(shí)現(xiàn)功能

通過這個(gè)基于圖像處理的皮膚檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)檢查圖像中被檢測(cè)皮膚的粗糙程度，從而判斷皮膚健康程度的功能。可以通過判斷皮膚的粗糙程度，提示皮膚的主人是否需要對(duì)皮膚進(jìn)行護(hù)理。本系統(tǒng)擁有很好的遠(yuǎn)景，可以將本系統(tǒng)做成一個(gè)隨身安裝在手機(jī)上的APP，可以讓用戶對(duì)自己的皮膚進(jìn)行拍照，通過自己皮膚的拍攝圖像，由本系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而隨時(shí)掌握用戶的皮膚的情況。

皮膚表面的紋理檢測(cè)與分析具有很寬廣的發(fā)展空間，這一基于圖像處理的皮膚診斷系統(tǒng)可以替代美容院的一部分功能。接受檢測(cè)的用戶如果有了這一基于圖像處理的皮膚皺紋檢測(cè)系統(tǒng)，可以不受這些醫(yī)院和美容院的欺騙。

在現(xiàn)狀中提到的目前大多數(shù)醫(yī)院和美容院都在使用的肉眼觀察法，將會(huì)被檢測(cè)皮膚皺紋系統(tǒng)所取代。本系統(tǒng)還可以與檢測(cè)皮膚其他性狀的系統(tǒng)相結(jié)合，形成對(duì)皮膚進(jìn)行全面檢測(cè)的儀器。

五、結(jié)語

本論文主要完成了以下方面的工作：1提出適合檢測(cè)皮膚粗糙程度和皮膚上皺紋密集程度的圖像預(yù)處理方法。在圖像檢測(cè)中，需要把所研究的皮膚與外界環(huán)境分離。因此需要進(jìn)行圖像分割。本系統(tǒng)運(yùn)用HSV顏色空間，在使用HSV顏色空間時(shí)，可以更好地區(qū)分皮膚與周圍環(huán)境。2直方圖均衡化把原始圖的直方圖變換為比較均勻的直方圖形式，也就是使灰度值概率更平均，這樣就增加了像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果。3本文提出了合理的對(duì)皮膚上的皺紋進(jìn)行檢測(cè)的方法。由于皮膚上的紋理有不同粗細(xì)的差異，可以通過灰度差值直方圖來表示圖像中的紋理粗糙程度，從而檢測(cè)皮膚是否需要護(hù)理修復(fù)。目前國內(nèi)對(duì)發(fā)展基于圖像處理的皮膚診斷系統(tǒng)還處于初級(jí)階段。由于還沒有切實(shí)被編寫成一個(gè)成型的APP或被與檢測(cè)其他皮膚性狀的系統(tǒng)一同編寫成檢測(cè)皮膚健康程度的儀器程序，因此本系統(tǒng)還有待繼續(xù)發(fā)展。由于基于圖像處理的皮膚診斷方面還沒有被廣泛地關(guān)注，人們沒有發(fā)現(xiàn)這一領(lǐng)域的廣泛前景，少有投入使用的相關(guān)應(yīng)用，本系統(tǒng)距離發(fā)展成人人都使用的未來還有很長的路要走。本人也希望繼續(xù)發(fā)展和關(guān)注這一領(lǐng)域和本系統(tǒng)的繼續(xù)發(fā)展。

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