（计算机科学与技术专业论文）基于色素分离的皮肤图像处理与分析.pdf

浙江大学博上学位论文摘要 摘要 在计算机视觉、化妆品和皮肤医学等众多行业都涉及对人体皮肤的研究。与 针对活体皮肤的研究相比，基于数字皮肤图像的研究更加安全和方便，且便于量 化分析和存储。和一般的数字图像处理不同的是，对皮肤组织的结构及其光学属 性的了解是进行皮肤图像研究的理论基础。光线在进入皮肤时产生了复杂的光学 现象，包括在皮肤表面的反射，进入下面表后的散射、反射、折射、吸收以及透 射等等。入射光线除了从皮肤表面或下表面重新返回空气中外，其余部分将被皮 肤中的色素所吸收。其中表皮层中的黑色素和真皮层中的血色素是众多色素中最 重要的两种色素。这两种色素的存在决定了皮肤的主色调，并且黑色素和血色素 的缺失，沉积或浓度不正常变化能引起多种皮肤疾病。因此，在大部分涉及人体 皮肤的研究领域中，都非常重视对这两种色素的研究和分析。 本文的研究重点同样是基于图像的皮肤色素的研究。第一章首先介绍了当前 对皮肤研究的众多研究方向和研究成果。第二章总结了皮肤研究中最重要的基础 内容：皮肤的结构及其光学属性。作为最重要的一章，第三章详细描述了基于单 张皮肤图像的色素分离技术。由于皮肤表面存在镜面反射，会导致皮肤图像产生 局部高光，影响分离效果。因此本文在第四章介绍了一种用于检测与去除图像高 光的算法，作为色素分离过程的预处理。其后的第五、六章则介绍了在色素分离 后的分析与应用，并给出了相应的试验结果。最后一章对本文进行了总结，给出 了可能的应用前景和未来的研究方向。 本文取得的研究成果和创新点主要表现在以下几个方面： 1 ) 对皮肤研究的相关工作进行了分类，并给出了相互之间的联系 人体皮肤研究中的研究对象可能是活体皮肤或非侵入式的皮肤图像，还可能 是在一定硬件环境中的真实人体。行业的多样性以及研究对象的不同使得针对人 体皮肤的研究方向纷繁复杂。就我们所知，目前还没有学术论文针对这一领域的 研究进行分类。本文在查阅了大量参考文献后，将和计算机领域有关的皮肤研究 相关工作分为了两个基础点和三个主方向( 见图1 3 ) ，并详细介绍了三大方向中 包含的各个研究内容，以及彼此之间的紧密联系。分类工作很好地展示了该领域 的研究背景，理清了人体皮肤研究中的一些重要问题，同时展示了未来可能的研 究方向蓝图。 2 ) 详细介绍了皮肤的组织结构及其光学属性 浙江丈学博士学位论文 摘要 皮肤研究工作中最基础，也是最重要的内容就是了解皮肤的组织结构及其光 学属性。其中，皮肤的光学属性是由皮肤的组织结构决定的。目前国内较少相关 论文详细描述皮肤的组织结构及其相应的光学属性。本文第二章先介绍了组成皮 肤的表皮层、真皮层与皮下组织的三层结构。皮肤的层级结构使得光线在进入皮 肤的前后产生了复杂的光学现象，本章辅以数学公式详细地介绍了光线在进入皮 肤各层时产生的反射、透射、折射、漫射和吸收等现象，并总结了皮肤各层中存 在的光学现象的特征。 3 ) 提出了一种基于单张皮肤图像的色素分离算法 现存的一种用于皮肤图像的色素分离的算法存在诸多不足：不够鲁棒；不能 得到稳定的分离结果；需要用户的交互；需要同一环境中拍摄的图像组成的图像 数据库。为了克服上述不足，本文提出了一种基于单张输入图像的新算法。该算 法无需用户的交互，整个分离过程自动完成，也不需要图像数据库的支持，而且 算法非常鲁棒，可直接以低精度图像或有噪音的图像作为输入。在整个分离过程 中，本文还提出了一种用于分辨分离出的色素分量的新方法：即确定哪个分量是 黑色素分量，哪个分量是血色素分量。在成功分离色素分量后，该章还介绍了几 种用于分析色素浓度分布的方法，这对实际应用很有帮助。 4 ) 提出了一种更加简单实用的高光检测与去除算法 物体表面的镜面反射会在图像中产生局部的高光，不但影响皮肤的色素分离， 而且对一般的图像处理过程也有影响。本文在第四章中引入了最佳分析窗口的概 念，并基于此窗口利用得到的漫反射色度检测高光区域。同时，本章也提出了一 种利用直线拟合求解光源色度的算法。最后，结合高光检测结果和解算得到的光 源色度，利用s t d 机制成功分离高光。 勐“电子化妆”的初步研究 “电子化妆”是一个非常新的研究方向。本文以分离出的独立色素分布图为 基础，在第五章介绍了利用纹理合成去除皮肤雀斑的算法，在第六章介绍了改变 色素浓度值合成新皮肤图像的算法以及利用颜色传输改变皮肤颜色的算法。上述 两章中介绍的算法都可以算是“电子化妆”的内容，即利用软件对人体皮肤进行 “化妆”，达到一般图像处理软件无法达到的逼真效果。 关键词图像处理，黑色素，血色素，皮肤色素分离，电子化妆，颜色传输，高 光去除 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e a r c h e so nh u m a ns k i na n a l y s i sh a v eb e e nc o n d u c t e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha s c o m p u t e rv i s i o n , c o s t a e t i ea n dd e r m a t o l o g y c o m p a r e dw i t hi n - v i v os k i nr e s e a r c h , d i 西t a ls k i ni m a g eb a s e dm e t h o d sa r em u c hs a f e ra n dc o n v c n i e n t ，a n da r ee a s i e rt o a n a l y z ea n ds t o r e d i f f e r i n gf r o mr e s e a r c ho ng e n e r a l p u r p o s e dd i g l t a li m a g e s ，i m a g e b a s e ds k i nr e s e a r c hf o c n s e so nt h eu n d e r s t a n d i n go f s k i ns t r u c t u r e sa n do p t i c a l p r o p e r t i e s c o m p l e xp h e n o m e n ac a nh a p p e nd u r i n gt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ni n c i d e n t l i g h ta n dh u m a ns k i n i n c i d e n tl i g h tc a l lb er e f l e c t e do ns u r f a c e o re n t e rs u b s u r f a c e a n db es c a t t e r e d ，r e f l e c t e d ，r e f r a c t e d a b s o r b e da n dt r a n s m i t t e d e x c e p tf o rt h er e f i e c t e d l i 吐to ns u r f a c ea n dt h er e e m i t t e di i g h tf r o ms u b s u r f a c e ，t h eo t h e ri n c i d e n tl i g h ti s a b s o r b e db ys k i np i g m e n t sl o c a t e di ns k i nl a y e r s ，i nw h i c hm e l a n i ni ne p i d e r m i sa n d h e m o g l o b i ni nd e r m i sp l a yd o m i n a n tr o l e sa n dm o s t l yd e c i d et h es k i na p p e a r a n c e v a r i o u ss k i nd i s e a s e sc a nb ei n d u c e dd u et ol a c ko fm c l a n i na n dh e m o g l o b i n ，p i g m e n t d e p o s i ta n da b n o r m a lc h a n g eo fp i g m e n tc o n c e n t r a t i o n a c c o r d i n g l y ，m o s tr e s e a r c h e s o nh u m a ns k i na l w a y sp u tt h e i re m p h a s i so na b o v et w ol 【i n d so fp i g m e n t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c n so np i g m e n ta n a l y s i sb a s e do ns k i ni m a g e s c h a p t e r1 i n t r o d u c e se x i s t i n gr e s e a r c h e so nh u m a ns k i n c h a p t e r2s u m m a r i z e st h em o s th a s i c k n o w l e d g e - s k i ns t m c t u r ea n dc o r r e s p o n d i n go p t i c a lp r o p e r t i e s i ns k i nr e s e a r c h a s t h em o s ti m p o r t a n tc h a p t e r , c h a p t e r3g i v e sd e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ep i g m e n t s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw i t has i n g l ei m a g ea si n p u t c o n s i d e r i n gt h a tt h ee x i s t e n c eo f s p e c u l a rr c f l e c t i o n o ns k i ns u r f a c e 啪p r o d u c el o c a lh i 曲l i g h to ni m a g ea n d c o n s e q u e n t l yl e a d st oi n c o r r c c ts e p a r a t i o nr e s u l t c h a p t e r4p r e s e n t san o v e la l g o r i t h m f o rp r e p r o c e s s i n go fp i g m e n ts e p a r a t i o n ，a n dd e t e c t i n ga n dr e m o v i n gt h eh i 曲l i g l l to n s k i ni m a g e i nt h et w oc h a p t e r sf o l l o w s ，a n a l y s i sa f t e rp i g m e n ts e p a r a t i o na n dp o s s i b l e a p p l i c a t i o n s ，a sw e l l a sc o r r e s p o n d i n ge x p e r i e n c er e s u i t sa r e p r e s e n t e d t h e d i s s e r t a t i o ne n d sw i t has u m m a r yo ft h ed i s s e r t a t i o na sw e l la st h ep r o s p e c to ft h e r e l e v a n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s c o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 1c l a s s i f i c a t i o n so fr e l e v a n ts t u d i e so nh u m a ns k i na n dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h ec l a s s i f i e a t i 0 1 1 8 n eo b j e c tf o rh u m a ns k i nr e s e a r c hm a yb ei n v i v os k i no rn o n i n v u s i v es k i n i m a g e , o re v e nt h er e a lh u m a nb o d yi ns p e c i f i e de n v i r o n m e n t d i f f e r e n to b j e c t sa n d a p p l i c a t i o nf i e l d si n d u c et h ed i v e r s i t yo fh u m a ns k i nr e s e a r c h a sf a ra sw ek n o w , n o r e s e a r c hh a sb e e nd e v o t e dt ot h ec l u s s i f i c a t i o no fv a r i o u sr e s e a r c hd i r e c t i o n sr e g a r d i n g h u m a ns k i n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，h u m a ns k i nr e s e a r c h e sa r o u n di tf i e l d sa r ee l a s s i f i e d i l l t ot w oc a t e g o r i e sa n dt h r e ed o m i n a n tc l a s s e s ( s e ef i g 1 - 3 、t h a ti n c l u d em a n y s u b - c l a s s e s i na d d i t i o n t h ed i s s e r t a t i o ng i v e st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es u b - d a s s e s t h ec l a s s i f i c a t i o ns h o w sc o m p l e t e l yt h eb a c k g r o u n do fs k i nr e s e a r c ha n dh i 曲l i 曲t s t h em o s ti m p o r t a n tp o i n t sw h i c hs h o u l db ep r i m a r yc o n s i d e r e di ns k i nr e s e a r c h w h a t s m o r e ，i ta l s ol i e so u tab l u e p r i n to fp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef u t u r e 2 ) d e t a i l e di n t r o d u c t i o nt os k i ns t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e s u n d e r s t a n d i n gt h es k i ns t r u c t u r ea n do p t i c a lp r o p e r t i e sa r et h ep r i m a r yp u r p o s e d 浙江大学博p 学位论文 a b s t r a c t f o rs k i nr e s e a r c h s k i ns t r u c t u r ei st h ep r e d o m i n a t i n gg o a ls i n c eo p t i c a lp r o p e r t i e sa r e d e t e r m i n e db ys k i ns t m c t u r e t h e r ea r eo n l yf e wr e s e a r c h e s ，m a i n l yf r o mc h i n e s e s c h o l a r s ，o nt h i ss u b j e c t c h a p t e r3o ft h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h et h r e e l a y e rs k i n s t r u c t u r e ，w h i c hi sc o m p o s e do fe p i d e r m i s ，d e r m i sa n ds u b c u t i s c o n s e q u e n t l y c o m p l e xo p t i c a lp h e n o m e n a a r ei n d u c e dw h e nl i g h ti n t e r a c t sw i t hs k i nl a y e r s w i t ht h e h e l po fm a t h e m a t i c a lf o r m u l a ed e v e l o p e 正c h a p t e r3d e t a i l sa l lk i n d so fi n t e r a c t i o n s b e t w e e ni n c i d e n tl i g h t sa n ds k i nl a y e r s ，s u c ha sr e f l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，r e f r a c t i o n ， d i f l u s i o nl i g h i sa n da b s o r p t i o n ，a n ds u m m a r i z e st h eo p t i c a lf e a t u r e si ne a c hl a y e r 3 1an o v e la l g o r i t h mf o rd e c o m p o s i n gs k i np i g m e n tb a s e do ns i n g l ei m a g e t h eo n l ya l g o r i t h me x i s t e di nd e c o m p o s i n gs k i np i g m e n tf r o mi n p u ti m a g eh a s m a n ys h o r t c o m i n g s i t sn o tr o b u s ta n dc a n tg e ts t a b l ed e c o m p o s i t i o nr e s u l t s u s e r i n t e r a c t i o n sa r en e e d e da n dap r e d e f i n e di m a g ed a t a b a s em u s tb ep r o v i d e d t o o v e r c o m ea b o v es h o r t a g e s ，an o v e la l g o r i t h mi s p r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n t o d e c o m p o s et h es k i np i g m e n tb a s e do ns i n g l ei m a g e t h en e wm e t h o di se n t i r e l y a u t o m a t i ca n d r e q u i r e sn e i t h e ru s e rj n t e r a c t i o n sn o rp r e d e f i n e di m a g ed a t a b a s e i t s r o b u s ta n dc a nh a n d l ei n p u ti m a g e sw i t hp o o rr e s o l u t i o na n dn o i s ev c r yw e l l i n a d d i t i o n , an e wa l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt od i s t i n g u i s ht h em e l a n i na n dh e m o g l o b i n d i s t r i b u t i o nm a p sf r o mt h ed e c o m p o s e dc o m p o n e n t s a f t e ras u c c e s s f u ld e c o m p o s i t i o n , s e v e r a lm e t h o d sf o ra n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no fp i g m e n tc o n c e n t r a t i o na r ei n t r o d u c e d t h e s em e t h o d sa r ep r o v e nt ob ev e r yh e l p f u li nm a n ya p p l i c a t i o n s 舢n o v e la l g o r i t h m st od e t e c ta n dr e m o v eh i g h l i g h t s s p e c u l a rr e f l e c t i o no no b j e c ts u r f a c ew i l li n d u c el o c a lh i g i l l i 窑l l i si ni m a g e ，w h i c h w i l ll c a dt oi n c o r r e e tr e s u l t sb o t ho ns k i np i g m e n ts e p a r a t i o na n dg e n e r a li m a g e p r o c e s s i n g an e wc o n c e p tc a l l e db e s tf i tw i n d o wf b f w ) i si n t r o d u c e di nc h a p t e r4 t oo b t a i nd i f l u s cc h r o m a t i c i t ya n dt h e nt od e t e c th i 曲l i 曲tr e g i o r s f u r t h e r m o r e ，an e w a l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt oe s t i m a t ei l l u m i n a n tc h r o m a t i c i t yb yl i n e a rf i t t i n ga p p r o a c h f i n a l l y , s t dm e c h a n i s mi sa p p l i e dt os u c c e s s f u l l yr e m o v eh i g i l l i g l l t sf r o md e t e c t e d h i g h l i g h tr e g i o n sb a s e do ne s t i m a t e di l l u m i n a n tc h r o m a t i c i t y 勋b a s i cr e s e a r c h e so ne - c o s m e t i c e c o s m e t i ci sav e r yn e wr e s e a r c hd i r e c t i o n b a s e do nt h ei n d e p e n d e n tp i g m e n t d i s t r i b u t i o nm a p so b t a i n e d ，c h a p t e r5i n t r o d u c e san e wa l g o r i t h mt or e m o v ef r e c k l eb y a p p l y i n gt e x t u r es y n t h e s i st e c h n o l o g y c h a p t e r6 t h e ni n t r o d u c e sm e t h o d st or e p r o d u c e s k i ni m a g eb ys e t t i n gn e wp i g m e n tc o n c e n t r a t i o na n dc h a n g i n gt h ec o l o ro fs k i ni m a g e b ya p p l y i n gc o l o rt r a n s f e rt e c h n o l o g y a l lt h ea l g o r i t h m si nt h e s et w oc h a p t e r sc a l lb e c o n s i d e r e da sf u n c t i o n sf o re - c o s m e t i c , w h i c hm e a n sd o “m a k e - u p ”d i g i t a l l yb yu s i n g s o f t w a r et o o l s k e y w o r d si m a g ep r o c e s s i n g ，m e l a n i n ，h e m o g l o b i n ，s k i np i g m e n td e c o m p o s i t i o n ， e - c o s m e t i c , c o l o rt r a n s f e r , h i g h l i g h tr e m o v a l 浙江大学博士学位论文 图目录 图目录 图1 1 ：涉及人体皮肤研究的相关领域2 图1 2 ：皮肤研究内容的分类4 图1 3 ：和本文内容相关的研究工作分类5 图1 - 4 ：机械皮肤轮廓仪获得的前臂内侧皮肤表面图象9 图l - 5 ：皮肤表面的电容图1 0 图1 - 6 ；本论文的组织结构与主要内容1 l 图2 1 ：皮肤结构图1 4 图2 2 ：皮肤结构与光学属性1 7 图2 3 ：皮肤反射率曲线2 0 图2 - 4 ：消光系数曲线o 2 2 图2 - 5 ：散射系数图。2 4 图3 - 1 ：数字图像与色素含量之间的关系2 8 图3 - 2 ：皮肤图像分离流程图3 0 图3 - 3 ：皮肤图像的分离。3 6 图3 - 4 ；自动分离算法流程图3 6 图3 5 ：黑色素与血色素的消光系数3 8 图3 6 ：判断色素分离是否合理的物理实验3 9 图3 7 ：口，分布与血色素分布的一致性4 0 图3 8 ：算法的鲁棒性测试。4 1 图3 - 9 ：基于单张图像的皮肤图像分离4 2 图3 1 0 ：用于显示不同层次的色素浓度分布的界面4 3 图3 1 1 ：点分布模式下色素的浓度分布图4 4 图3 1 2 ：区域分布模式下色素的浓度分布图4 5 图3 - 1 3 ：规则分区模式下色素的浓度分布图4 5 图4 _ 1 ：双色反射模型4 8 图4 2 ：最佳分析窗口5 0 图4 - 3 ：亮度色度图5 1 图4 _ 4 ：计算漫反射色度5 2 图4 - 5 高光检测结果比较5 3 图垂6 ：光源色度估计5 5 图4 7 ：光源色度估计实例5 6 图4 - 8 ；高光去除结果图5 7 图4 - 9 ：皮肤图像高光检测结果5 8 图舢1 0 ：皮肤图像的高光去除5 9 图5 - 1 ：黑色素密度分布图6 2 图5 2 ：雀斑区域的检测6 3 浙江大学博士学位论文 图目录 图5 3 ：- ，值的自动确定一6 3 图5 4 ：基于样本的纹理合成6 5 图5 - 5 ：利用w a n gt i l e 进行基于块的纹理合成6 8 图5 - 6 ：各种合成方向 图5 7 ：重叠区的分害4 线定位 7 1 7 3 7 4 图5 8 ：本文算法与e f r o s 算法的比较。 图5 - 9 ：根据本文算法合成的各类纹理图 图5 1 0 ：纹理传输例子 图5 1 1 ：多图拼接例子7 5 图5 1 2 ：雀斑去除过程中寻找最佳匹配像素 图5 1 3 ：雀斑去除效果图 图5 1 4 ：算法验证 7 6 7 7 7 8 图6 - 1 ：g m m e m 和k - m e a n s 聚类结果8 4 图6 - 2 ：颜色传输伪代码 图6 - 3 ：和w e l s h 算法的比较 图6 4 ：和r e i n h a r d 算法的比较。 图6 5 ：利用本文算法生成的效果图 图6 - 6 ：人体肤色分布图 图6 7 ： 图6 8 ： 图6 9 ： 8 4 8 6 依掘光学属性合成的皮肤颜色表 利用颜色传输合成皮肤图像 改变色素密度合成皮肤图像 图6 1 0 ：高精度图像的全局性合成。 图6 1 1 ：局部合成图 图7 - 1 ：皮肤图像处理平台软件 图7 2 ：酒糟皮肤图像的分析 图7 3 ：血栓图像的分析 i v 9 2 9 3 9 5 9 6 9 7 1 0 0 1 0 1 浙江大学博士学位论文 表目录 表2 1 ： 表2 2 ： 表5 1 ： 表目录 皮肤的微观到宏观结构体系 相关参数及其变量名列表 相关符号以及说明 v 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 在介绍研究背景之前，让我们首先来看一组数据： 近年来，全球男士美容护肤品的销售涨幅超过5 0 。在欧美国家，男士护理 用品的市场份额已占到整个化妆品市场的3 0 以上。法国有约4 成男人使用高档 护肤品，市场份额占全部美容市场份额的1 0 以上，英国男性每年化妆品的消费 额达1 亿英镑，美国男士化妆品年消费额高达2 3 亿美元。 1 9 8 2 年，中国的化妆品市场销售额只有2 亿元，2 0 0 1 年这个数字变为了4 0 0 亿。 2 0 0 2 年中国化妆品销售增长速度为1 4 1 5 ，实际销售总额大约为4 5 0 4 6 0 亿。 2 0 0 3 年中国化妆品行业全年销售总额达7 6 0 亿。而我国城镇成年女性年人均购买 化妆品的比例己由1 9 9 8 年的2 3 6 上升到2 0 0 4 年的9 3 5 ，人均年消费额由1 9 9 8 年的1 2 1 元上升到2 0 0 4 年的3 8 6 元。 上述数据和本文有什么关系呢? 作为化妆品中重要的组成部分，护肤品需要 和人体皮肤直接接触，而本文的研究对象就是人体皮肤。在人们的日常生活中， 会在视觉上或者触觉上频繁地接触到人体皮肤。现代男性或女性，对于自己的皮 肤都越来越重视，光每年花在皮肤上的费用就很可观。庞大的消费人群与巨额的 消费市场促使科研人员对人体皮肤的研究越来越多，越来越深入。除了经济利益 的驱动，人们对自身健康的关注也是一个重大因素。皮肤疾病种类繁多，成因各 异，目前人类还不可能应付所有可能和皮肤相关的疾病。皮肤护理和皮肤疾病治 疗只是我们日常生活中接触到最多的和皮肤相关的主题，实际上，在很多科研领 域和应用领域，都涉及到对人体皮肤的研究工作( 参见图1 1 ) 。 我们概括性的将涉及皮肤研究的领域分为四大块，包括化妆品领域、计算机 视觉领域，医学领域和一些涉及到皮肤图像、图形或者视频编辑的领域。 1 ) 化妆品领域：人们都希望拥有细嫩、光滑并且健康的皮肤。化妆品的功能就 是使人体皮肤达到人们理想的状态。而和皮肤有关的化妆品的整个需求、研发、 功能测试以及使用效果反馈过程中，都需要对活体皮肤或者皮肤图像进行研究。 现如今非常流行的和皮肤相关的美容咨询以及美容手术也都需要对人体皮肤有 深刻和完整的认识。 医学分析与治疗领域：皮肤研究在医学中的重要性不言而喻。除了基于活体 浙江大学博十学位论文第1 章绪论 皮肤的研究，由于无需直接接触皮肤，基于皮肤图像的研究受到青睐。对皮肤图 像进行定量分析不但可以辅助医生诊断病情，而且无需活体采样，因此应用广泛 【1 】。另外，在医学领域广泛研究的方向还包括：疾病皮肤区域的检测和定位，对 特定皮肤区域的定量分析，药品疗效分析以及新药品的研发。甚至在远程医学中， 由于皮肤颜色能在一定程度上反映皮肤疾病，为了使传输的图像不失真，也需要 进行一定的研究【2 】。 3 ) 计算机视觉领域：在计算机视觉领域，研究的主要对象常常是人脸图像或者 人体某部分的皮肤图像。代表性的研究工作包括人脸识n 3 - 5 、指纹认证6 8 1 、 掌纹识别【9 - l o 】等，其中不少研究成果已经广泛用于身份认证领域。另外，还可 以根据皮肤固有特征( 颜色特征、纹理特征等) 检测特定场景中是否有人存在， 图像中是否含有裸体区域等。 4 ) 图像图形视频编辑领域：这一部分的应用比较杂，主要包括对二维图像的编 辑，三维场景中的人体皮肤渲染，皮肤生理现象的模拟以及动画视频领域的有关 人体皮肤的编辑等。 图卜1 ：涉及人体皮肤研究的相关领域。 1 1 1 研究对象和研究内容 在所有和人体皮肤相关的研究领域中，研究对象大致上可以分为以下四类： 2 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 ) 活体皮肤样本； 2 ) 配合非接触式仪器使用的人体某部分的皮肤； 3 ) 二维数据( 皮肤图像) 和三维模型； 钔其它可能的研究对象。 在化妆品和医学领域，可能需要活体皮肤样本来做实验。在其它几个领域， 则大部分以后面几类研究对象为主。比如：测量人体皮肤某处的反射率，需要相 关硬件( 大部分是非接触式的仪器) 的配合。而皮肤图像和三维模型则是最简单， 最方便( 只需要相关图像、模型等数据和计算机) ，对皮肤损害最小的，因此这 方面的研究也越来越多。其它可能的研究对象包括模拟数据等等，比如利用蒙特 卡罗算法模拟皮肤和入射光之间的交互。当然，在实际应用和科研中，并没有规 定某些领域一定要用某类研究对象。比如，在医学美容领域流行使用激光去除雀 斑，这里的研究对象就是上面说的第二类。而在化妆品领域同样需要对皮肤图像 进行研究，研究对象不一定就是皮肤的活体样本。鉴于第三类研究对象的优点， 本文也将重点放在了对皮肤图像的研究上，并在此基础上分析皮肤的属性和特 征，最后介绍我们的研究成果以及在各方面的应用。 不论以上述哪一类作为研究对象，其研究内容总是有限的。我们将所有研究 内容分为以下四个部分( 参见图1 - 2 ) ： 1 ) 对皮肤物理属性的研究； 对皮肤光学属性的研究； 3 ) 对皮肤生理属性的研究； 其它方面的研究。 第一部分的物理属性，包括皮肤的纹理、颜色等等。其中纹理属性包括皮肤 的光滑度、紧致度、均匀性等。第二部分的光学属性包括皮肤的漫反射率、表面 镜面反射率、吸收率、色素浓度等。由于皮肤厚度和光学属性密切相关，我们把 皮肤各层的厚度也作为光学属性。第三部分的生理属性包括皮肤类型( 干燥、油 腻或者混合型等) 、皮肤水分含量( 干燥、持久性缺水或者季节性缺水等) 、皮肤 老化程度( 是否出现下垂，皮肤疏松程度) 等等。实际上，上述内容也并不都是 独立的。例如皮肤纹理的紧致度在一定程度上能反映皮肤的老化状态。皮肤褶皱 越多越松弛，紧致度越小，老化越严重。反之，年纪大的人皮肤弹性差，紧致度 一般比年轻人小。再如，皮肤的光学属性在很大程度上决定了皮肤的颜色。特别 是皮肤中的色素对入射光的吸收，是影响皮肤成色的主要因素。 3 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 圉圊回日 图卜2 ：皮肤研究内容的分类。 1 2 相关研究工作介绍 虽然本文的研究对象以皮肤图像为主，但正如上文所述，各个研究内容之间 是相互交叉的。我们不但需要研究作为图像最基本的特征的颜色、纹理( 属于皮 肤物理属性) ，还必须了解皮肤的光学属性和生理属性。在参考了大量与人体皮 肤研究相关的工作后，我们把和本文研究比较相关的研究工作划分为如图1 - 3 所 示的几个部分。以下分别给出这些工作的简单介绍。 1 2 1 研究对象和研究内容 和已有的工作一样，本文的工作中最基础的理论部分同样是基于人体皮肤的 组织结构，即图1 - 3 中的2 a 部分，以及和皮肤组织结构紧密相关的皮肤光学属 性，即2 b 部分。 第一部分一2 a ：皮肤是一个复杂的多层结构体，是人体最大的器官。简单说 来，皮肤可以分为三层：角质层、表皮层和真皮层。而位于真皮层下面的皮下组 织一般认为不属于皮肤。入射光在进入皮肤下表面到达皮下组织时，大部分会被 反射而无法继续深入。如果细分，表皮层和真皮层还可以内分为多层结构。特别 是真皮层，由于光学属性不同，真皮层内还可细分为网状层和乳突层。在皮肤的 多层结构中，含有多种不同的色素以及纤维、血管等其它物质。正是由于皮肤的 多层结构以及各层中含有的不同物质，使得皮肤的光学属性变得复杂，而相关研 究也变得更加困难。 第一部分- - 2 b ：皮肤的组织结构和皮肤的光学属性( 图1 3 中2 b 部分) 有很 大的关系。如图1 2 所示，本文认为的光学属性包括皮肤的吸收率、反射率、透 射率、色素浓度、皮肤各层的厚度等参数。其中，皮肤的吸收率基本上由皮肤各 4 回回回回回回回团园回 国 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 层中的色素在各个波段的吸收率决定。而在皮肤层中的色素包括血色素、黑色素、 胆红素、b 胡萝h 素等，这些色素的消光系数和浓度决定了皮肤对光的吸收。特 别是黑色素和血色素的吸收，是本文研究的重点。皮肤的反射率、透射率等由皮 肤表面和内部各层组织的生理结构决定。丽皮肤各层的厚度直接影响光线在皮肤 中的运行路线，因此也间接影响了皮肤对入射光的吸收、散射和透射等物理现象。 总的说来，2 a 和2 b 部分可以归纳为认识皮肤和皮肤光学属性，这是很多研究皮 肤的工作的基础，也是本文的理论基础，本文将在第二章中进行详细介绍。 图1 - 3 ：和本文内容相关的研究工作分类。 1 2 2 基于光学过程的建模和模拟 由于皮肤多层结构的复杂性，当入射光穿透皮肤表面的角质层进入皮肤