基于圖像處理的色斑檢測系統(tǒng)

劉臨亮

摘要：如今，走在街道上，你會發(fā)現(xiàn)許多色斑患者，它們的皮膚難以讓人認(rèn)同，并且這種群體的數(shù)量日益增多，在二三十歲的人群中，比例已經(jīng)超過80%，這不得不引起人們的重視。而患有色斑的人群，它們將面臨前所未有的危機(jī)，他們在與人交往中會顯得不自信，有的甚至?xí)皇柽h(yuǎn)，這給色斑患者帶來身體上和心理上的巨大傷害，所以用科學(xué)的色斑檢測技術(shù)檢測色斑問題已經(jīng)刻不容緩。提出了一種數(shù)字圖像處理色斑檢測方法，包括利用二值化根據(jù)灰度圖像設(shè)定閾值將色斑圖像提取特征，然后利用中值濾波消除噪聲，解決光照不均勻的影響，最后利用閾值分割、圖像分割將色斑圖像提取并分割，便于最終的檢測結(jié)果。

關(guān)鍵詞：圖像增強(qiáng);中值濾波;閾值分割

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.07.099

1引言

1.1色斑檢測的重要性

在當(dāng)今社會有著這樣一種群體，他們的臉上長著色斑，這使他們失去了光潔亮麗的皮膚，影響著他們的形象。若只是過不去自己的這道坎也就罷了，可是當(dāng)它們在人群中行走時(shí)也經(jīng)常受到人們的指指點(diǎn)點(diǎn)，令很多患者十分痛心。據(jù)統(tǒng)計(jì)，尤其是在26歲以上的人群中，色斑比例高達(dá)80%。這的確是個(gè)令人感到可怕的數(shù)字，所以我們應(yīng)該采取措施去測色斑。色斑對人們的身體和心理造成極大困擾，它使人們在交往談話中顯得不自信，甚至不愿與人交往，還會對人們的身體帶來危害，還會使女性年齡表面看起來過大，影響與異性朋友的交往，所以及時(shí)利用圖像檢測色斑并加以處理已經(jīng)刻不容緩。

不過現(xiàn)在的色斑檢測技術(shù)并未有多高端，這與檢測技術(shù)發(fā)展較晚有關(guān)，所以我們?nèi)缃竦纳邫z測技術(shù)并未有多完善。所以我們也應(yīng)盡快更新技術(shù)。俗話說得好，“工欲善其事，必先利其器”，我們要想改變色斑患者較多這個(gè)現(xiàn)狀，關(guān)鍵要從檢測技術(shù)抓起，所以完善檢測技術(shù)是非常重要的。對于色斑檢測技術(shù)，我們應(yīng)持有的態(tài)度是既要利用色斑檢測技術(shù)幫助色斑患者 ，又要不斷完善這項(xiàng)技術(shù)，使用與創(chuàng)造一樣重要，色斑檢測技術(shù)已與我們的生活相關(guān)聯(lián)，重要性不言而喻。

1.2色斑檢測的現(xiàn)狀與弊端

色斑檢測主要是通過圖像對色斑進(jìn)行提取的過程。該檢測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大系統(tǒng)，其中圖像是檢測目標(biāo)的載體。不過在此之前，檢測目標(biāo)需要進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、歸納，最終通過相應(yīng)算法分離出來?，F(xiàn)如今，色斑檢測技術(shù)有著許多創(chuàng)新方法，主要有以下兩種方法。

一種叫作光學(xué)測量法，它的分析系統(tǒng)包括一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的圖像處理系統(tǒng)以及一個(gè)高分辨率的黑白攝像機(jī)，在進(jìn)行測量時(shí)，用一束平行光傾斜照射目標(biāo)色斑，然后用攝像機(jī)提取它的灰度圖像并用顯示器顯示出來，然后就可以利用計(jì)算機(jī)的功能將色斑的長度和寬度計(jì)算出來。這種方法的效率很高，不過它的測量范圍太小，操作較復(fù)雜。

還有一種叫作透射測量法，一般情況下，光源是很難透過皮膚的，不過有了硅膠復(fù)膜后，這個(gè)問題就迎刃而解了。硅膠復(fù)膜是一種新制產(chǎn)品，它的特點(diǎn)就是薄。當(dāng)光源照射在硅膠復(fù)膜上時(shí)，光線透過色斑在攝像機(jī)上清晰成像，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，便能得到色斑的相關(guān)數(shù)據(jù)這種方法的確簡單方便，不過硅膠復(fù)膜的制作成本太高，所以要慎重考慮。

不過，目前的技術(shù)也有他的弊端。作為一種新型高科技，它的費(fèi)用肯定十分不菲，普通的家庭想要體驗(yàn)是十分困難的，不過本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)拍照獲取色斑圖像，使得普通家庭能夠方便地使用這項(xiàng)技術(shù)，并且可以免除前往美容院和醫(yī)院的麻煩。

1.3創(chuàng)新點(diǎn)

本文利用圖像增強(qiáng)技術(shù)，將特征色斑通過亮度變換在原始圖像中凸顯出來，避免了特征不明顯等弊端，而且這種技術(shù)在圖像處理時(shí)更加簡便，只需將原圖像的亮度進(jìn)行調(diào)整，不影響其余部分，便于圖像的進(jìn)一步處理，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小，能凸顯出感興趣的目標(biāo)的輪廓。而其中的中值濾波技術(shù)，可以將冗雜的噪聲污染適當(dāng)?shù)臏p少，避免了檢測色斑中可能出現(xiàn)小光斑的現(xiàn)象，而利用圖像分割技術(shù)可以將色斑圖像有目的的提取，提高檢測的精準(zhǔn)度，利用這種技術(shù)可以提取清晰色斑，從而可以將我們檢測的色斑得到合理的分析。

2色斑檢測

2.1圖像采集

首先用普通的照相工具近距離拍攝人臉皮膚，可以是整張臉，也可以為臉部的一部分。然后將圖片傳入攝像機(jī)，即可得到圖像，這種方法既經(jīng)濟(jì)又快捷，為常用之法。

2.2預(yù)處理

由于獲取圖像的工具或手段的影響，原始圖像受到種種聲音或其他因素的干擾，因此原始圖像不能被直接檢測，必須在圖像處理的早期就對原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過濾等圖像預(yù)處理技術(shù)使獲取圖像更能突出想要體現(xiàn)的內(nèi)容。因此，圖像預(yù)處理就在這時(shí)顯現(xiàn)出重要作用。

在本系統(tǒng)中，對色斑等進(jìn)行研究時(shí)，主要通過圖像增強(qiáng)，中值濾波，圖像分割等預(yù)處理方法進(jìn)行處理。

2.2.1圖像增強(qiáng)

由于臉部圖像顏色分布不均勻，造成了色斑圖像的模糊。所以為了能準(zhǔn)確獲取色斑圖像，使圖像更加鮮明，我們需要采用圖像增強(qiáng)技術(shù)提高色斑亮度和對比度。

我們得到的圖像往往成像時(shí)曝光不足或過度，再加上成像設(shè)備的動態(tài)范圍太窄等弊端，使得圖像出現(xiàn)對比度不足的毛病。這會影響色斑圖像的清晰度，使我們不易觀察色斑。本系統(tǒng)采用灰度變換來增強(qiáng)對比度，使得色斑在圖像中更加突出?；叶茸儞Q分為線性變換、指數(shù)變換、對數(shù)變換，而本系統(tǒng)采用線性變換，因?yàn)楸容^容易操作。設(shè)原圖像f（x，y）灰度范圍為[a，b]，將變換后圖像g（x，y）灰度范圍擴(kuò)展至[c，d]，b和a分別是輸入圖像亮度分量的最大值和最小值，c和d分別是輸出圖像亮度分量的最大值和最小值，經(jīng)過線性灰度變換法，使圖像亮度分量的線性范圍從[a，b]變化到[c，d]。再將它應(yīng)用到色斑圖像上，即可將色斑圖像在整個(gè)圖像中明顯區(qū)別開來，獲取更具特征的圖像。

2.2.2中值濾波

我們在生活中拍攝色斑圖像時(shí)，往往會有很多因素影響圖像的清晰度。例如，我們在拍照時(shí)如果光照太強(qiáng)或太弱，都會使色斑圖像出現(xiàn)模糊或陰影的情況，我們在拍照時(shí)還可能受到噪聲影響，如果在戶外時(shí)這種情況經(jīng)常發(fā)生，它會使色斑圖像出現(xiàn)許多小光雜點(diǎn)。如果直接使用這種圖像，那么色斑檢測無疑難上加難，會使檢測精準(zhǔn)度大幅下降。這時(shí)我們常常使用中值濾波技術(shù)消除小光雜點(diǎn)，將模糊的圖像變清晰，便于色斑的檢測。

我們在使用中值濾波時(shí)首先要確定一個(gè)以某個(gè)像素為中心點(diǎn)的領(lǐng)域，一般為方形領(lǐng)域;然后將領(lǐng)域中的各個(gè)像素的灰度值進(jìn)行排序，取其中間值作為中心點(diǎn)像素灰度的新值，這里的領(lǐng)域通常被稱為窗口;當(dāng)窗口在圖像中上下左右進(jìn)行移動后，利用中值濾波算法取一個(gè)數(shù)代替原先的像素值，便可得到較為清晰的色斑圖像。

中值濾波之所以能消除光雜點(diǎn)是因?yàn)橹兄禐V波的輸出像素是由領(lǐng)域圖像的中間值決定的，因而中值濾波對極限像素值（與周圍像素灰度值差別較大的像素）遠(yuǎn)不如平均值那么敏感，從而可以消除孤立的噪聲點(diǎn)，又可以使圖像產(chǎn)生較少的模糊。

2.2.3圖像分割

在一幅圖片中所有物體的像素都是類似的，所以我們很難去輕松辨別哪個(gè)是色斑，所以在這種情況下我們會采取圖像分割的方法，這種方法可以將圖像的像素進(jìn)行分類，從而得到有顯著特征的色斑圖像，便于后續(xù)的檢測。

對于圖像分割的辦法有很多種，這里使用的閾值分割是一種非常古老的方法，不過它卻非常簡單且實(shí)用。在色斑圖像中，不同區(qū)域也就是色斑與其他區(qū)域的灰度值差距還是蠻大的，所以我們可以利用灰度的均一性來進(jìn)行分割。閾值分割說到底就是設(shè)置閾值來使色斑與其他部分區(qū)別開，不過設(shè)置閾值也是最難的，因?yàn)樗茈y去判斷，稍微一不小心，可能出現(xiàn)較大偏差。

最常用的閾值方法是基于灰度直方圖的方法，如最大類間方差法、最小誤差法、最大熵法等。此類方法通常對整幅圖像使用固定的全局閾值，不過如果圖像中有陰影或亮度分布不均等現(xiàn)象，分割效果會受到影響，所以這種方法需慎重?；诰植块撝档姆指罘椒▽D像中的不同區(qū)域采用不同的閾值，相對于全局閾值方法而言具有更好的分割效果，該方法又稱為自適應(yīng)閾值方法。其中閾值的選取一般是基于圖像的局部統(tǒng)計(jì)信息，如局部方差、局部對比度以及曲面擬合閾值等。由于色斑圖像的亮度一般不均勻，所以本系統(tǒng)還是使用自適應(yīng)閾值方法，因?yàn)閳D像的質(zhì)量首先是第一位的，其次再去追求速度。我們要根據(jù)灰度參數(shù)去選擇合理的閾值，在這里我們采用均值，即把每一點(diǎn)單獨(dú)設(shè)定閾值，提高自適應(yīng)閾值的精準(zhǔn)度。

無論是基于全局閾值還是局部閾值，閾值方法通常受噪聲影響較大。為了得到較好的分割結(jié)果，通常還需要與其他圖像處理技術(shù)結(jié)合使用，如上文提到的中值濾波。

2.3特征提取

特征提取顧名思義，就是將圖片中的顯著特征提取出來。因?yàn)樯邎D像區(qū)域過大，檢測系統(tǒng)并沒有想象中那么精確，所以我們需要先將色斑圖像提取出來。

首先，我們要先用高斯模糊核將色斑圖像在尺度空間中平滑，此后通過局部導(dǎo)數(shù)運(yùn)算來計(jì)算圖像的一個(gè)或多個(gè)特征，便于色斑圖像的提取。另外，由于色斑圖像的顏色對圖像的變化不明顯，所以在這里我們使用顏色直方圖的方法。之所以使用顏色直方圖是因?yàn)樗诓僮髦锌梢圆皇苌邎D像平移或旋轉(zhuǎn)的影響，關(guān)鍵是不受圖像尺度影響。在使用過程中，它能描述色斑圖像的顏色分布，而且由于色斑圖像難以自動分割，所以顏色直方圖在這里再合適不過。顏色直方圖分為RGB空間和HSV空間。RGB空間是最為常用的，RGB顏色空間以R（Red：紅）、G（Green：綠）、B（Blue：藍(lán)）三種顏色為基礎(chǔ)的空間立方體模型。因RGB顏色多與自然色相近，故也被稱為自然色彩模型。RGB顏色空間以八種顏色為立方體的八個(gè)頂點(diǎn)，紅綠藍(lán)三基色位于三維空間的三個(gè)坐標(biāo)軸而構(gòu)成的。其中參數(shù)的取值范圍可以從0取到255，這使得RGB空間能夠辨別成千上萬的顏色，方便顏色的處理。HSV顏色空間就是將RGB顏色空間中的顏色倒在圓錐形模型中，它的三個(gè)基本參數(shù)為色調(diào)（H），飽和度（S），明度（V）。其中色調(diào)有角度衡量，范圍從0至360度，由紅色向逆時(shí)針方向遞增;而飽和度代表顏色的純凈度;明度簡而言之就是亮度，它表示物體透射或反射光線的能力，取值范圍為0.0（黑色）～1.0（白色）。圓錐體的頂面對應(yīng)于V=1.它包含RGB模型中的R=1，G=1，B=1 三個(gè)面，所代表的顏色較為鮮艷，而頂面中點(diǎn)處S=0，V=1，H無定義，故代表為白色。而在圓錐體的頂點(diǎn)（即原點(diǎn)）處，V=0，H和S無定義，顏色為黑色。從該點(diǎn)到原點(diǎn)代表亮度漸暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。對于這些點(diǎn)，S=0，H的值無定義。但由于RGB顏色空間不直觀，不符合人們的視覺感受，所以本系統(tǒng)使用用HSV空間模型，因?yàn)镠SV顏色空間較為立體，較符合

3可實(shí)現(xiàn)功能

該系統(tǒng)推動色斑檢測技術(shù)進(jìn)入大眾家庭，眾所周知，進(jìn)入美容院進(jìn)行色斑檢測價(jià)格十分昂貴，普通家庭是根本承受不起的。且美容院的醫(yī)生為了經(jīng)濟(jì)效益有可能欺騙顧客，而顧客也因缺少知識接受醫(yī)院的治療。而在本系統(tǒng)只需你用手機(jī)拍攝臉部圖像，便可以對皮膚進(jìn)行色斑檢測，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地了解皮膚情況。免于美容院等機(jī)構(gòu)的欺騙而且價(jià)格便宜，適宜在大眾家庭中推廣。而且這種技術(shù)不接觸皮膚，安全可靠。

該系統(tǒng)不只是對色斑圖像的粗略提取，使得人們在檢測質(zhì)量上擔(dān)憂，而選擇去美容院等權(quán)威場所。因?yàn)橛辛藞D像增強(qiáng)、中值濾波以及圖像分割技術(shù)的處理，我們檢測出的色斑圖像是非常清晰的，使顧客從中獲益。

總而言之，本系統(tǒng)主要是出于經(jīng)濟(jì)和便利的考慮，實(shí)現(xiàn)科技便利人們的生活。

4結(jié)語與展望

該方式有一定的創(chuàng)新性，通過手機(jī)進(jìn)行拍攝，獲取人臉圖片，然后通過圖像增強(qiáng)、中值濾波、圖像分割等進(jìn)行圖像預(yù)處理，最后通過顏色特征進(jìn)行色斑的識別，將多種處理技術(shù)用于色斑檢測，使這些技術(shù)各展所長。但該系統(tǒng)仍然還有著很大的進(jìn)步空間，例如我們可以在獲取圖像后，就能檢測出整個(gè)臉部的色斑，能得出色斑的統(tǒng)計(jì)信息，還能檢測出不同顏色深度的色斑，實(shí)現(xiàn)對色斑的分類。還有我們在使用閾值分割時(shí)，會出現(xiàn)使用全局域值不精確，使用多個(gè)閾值不方便的情況，所以更加快速的使色斑與其他部分區(qū)別開是一項(xiàng)需要改進(jìn)的技術(shù)。假如我們能既準(zhǔn)確又快速地提取特征色斑，那就再好不過了。不過該方式是否有漏洞還需要實(shí)際操作才能知曉，不過我相信本系統(tǒng)在操作過程中會發(fā)揮他的實(shí)用性。希望這種技術(shù)能夠得到推廣，以便它能夠更好地檢測色斑，也希望色斑患者早日康復(fù)。

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