發(fā)質(zhì)發(fā)量智能分析梳

成孝孝 李雨萱 貢健華

（西安電子科技大學(xué) 陜西省西安市 710126）

1 前言

頭發(fā)，指生長在頭部的毛發(fā)。其顏色一般是由基因決定，頭發(fā)中所含的元素在很大程度上會(huì)決定頭發(fā)的顏色以及發(fā)質(zhì)好壞，我們可知頭發(fā)缺少蛋白質(zhì)會(huì)讓頭發(fā)處于亞健康狀態(tài)，譬如非洲兒童頭發(fā)呈紅色。至少50年來，人類頭皮頭發(fā)中微量元素水平的測(cè)定一直被用于評(píng)估環(huán)境和職業(yè)接觸有毒元素的情況，頭發(fā)分析也用于估計(jì)個(gè)人的營養(yǎng)狀況。此外，與血液取樣相比，毛發(fā)取樣是一種無創(chuàng)性的方法，在流行病學(xué)研究中尤為重要。

2 正文

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法概述

2.1.1 算法機(jī)制

類比于測(cè)森林中數(shù)目個(gè)數(shù)的算法，我們提出這樣一套機(jī)制：掃描頭皮，機(jī)器學(xué)習(xí)采用遺傳算法不斷精確測(cè)定使用者頭皮的范圍、發(fā)根粗細(xì)、發(fā)量多少等個(gè)體因素，掃描頭皮完成后使用Auto CAD繪制圖紙，使用pu 命令對(duì)圖紙進(jìn)行清理，以清理掉多余的圖塊，如在頭皮中掃描到的除頭發(fā)以外的其他物質(zhì)，以減小統(tǒng)計(jì)誤差。

顏色空間測(cè)發(fā)色：基于YCbCr 顏色空間，對(duì)N 個(gè)頭發(fā)區(qū)域像素進(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果投影在Cb-Cr 平面，采用高斯混合概率模型對(duì)發(fā)色的色度概率分布進(jìn)行描述，根據(jù)Cb 和Cr 的取值范圍對(duì)當(dāng)前像素進(jìn)行顏色判斷。

2.1.2 硬件配置

包括頭發(fā)密度測(cè)算、白發(fā)量監(jiān)測(cè)、發(fā)質(zhì)檢測(cè)模塊傳感器，將各個(gè)模塊傳感器搭載在與梳子上，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)。還包括為記錄數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)提供能量的蓄電池、和實(shí)現(xiàn)梳子和手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃{(lán)牙。

2.1.3 信號(hào)傳輸機(jī)制

一個(gè)部分根據(jù)內(nèi)置傳感器變化來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，測(cè)量頭發(fā)健康狀況數(shù)據(jù)，通過無線NRF24L01 模塊發(fā)送給另一個(gè)部分，另一個(gè)部分負(fù)責(zé)顯示和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)端。在數(shù)據(jù)端和服務(wù)端建立數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。選擇支持IIC 接口的低功耗藍(lán)牙模塊的傳感器，通過低功耗藍(lán)牙模塊通信接口采集傳感器內(nèi)部的信息，然后將轉(zhuǎn)化后的信息經(jīng)由BLE 傳輸，最后通過檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。和普通信號(hào)傳輸一樣，信號(hào)的傳輸分為調(diào)諧和解調(diào)，即先將信號(hào)調(diào)諧至信道進(jìn)行編碼，然后在終端用解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，調(diào)制成我們需要的信號(hào)。

2.2 色差檢測(cè)原理

2.2.1 色差的概念

樣品與被測(cè)物質(zhì)在顏色（色度、飽和度和亮度）等方面的綜合差異，常用ΔE 表示，它表示色空間的一個(gè)綜合值。

2.2.2 色差評(píng)定不統(tǒng)一的原因

（1）客觀因素；（2）顏色空間不統(tǒng)一：現(xiàn)有不存在絕對(duì)均勻的顏色空間，包括CIELAB 也有一定程度的不均勻性。

2.2.3 色差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表1

圖1

圖2

色差的單位是NBS，ΔE=1 則為1 個(gè)NBS 單位，1 個(gè)NBS 相當(dāng)于視覺識(shí)別閾值的5 倍，具體轉(zhuǎn)化如表1。

2.3 顏色空間

色差即是兩種顏色所在的坐標(biāo)點(diǎn)在空間上的距離，用顏色空間來表示色差值的相對(duì)大小，更加具體和直觀。常見的顏色空間有RGB 顏色空間、HIS 顏色空間、YUV 顏色空間等，它們之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以下做詳細(xì)的介紹。

2.3.1 RGB 顏色空間

RGB 顏色空間是所有顏色空間之中最基礎(chǔ)、最簡單、最常用，也是最經(jīng)典的一個(gè)，在圖像處理技術(shù)里面最常用的就是RGB 顏色空間了。RGB 顏色空間有三個(gè)代表分量，即我們常說的紅綠藍(lán)。也就是Red、Green、Blue,空間每一個(gè)點(diǎn)的顏色值F 都可以用這三個(gè)量進(jìn)行合成，表達(dá)公式為：F=r[R]+g[G]+b[B]。

表2：01.png 和02.png 色差值

圖3

如圖1所示，其空間模型可用一個(gè)立方體進(jìn)行表示，XYZ 軸分別表示紅綠藍(lán)三個(gè)基礎(chǔ)色，在原點(diǎn)，R、G、B 的值均為0.即原點(diǎn)表示黑色，反之，與原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜對(duì)角線那個(gè)頂點(diǎn)的R、G、B值均為最大，該點(diǎn)為白點(diǎn)，從黑點(diǎn)到白點(diǎn)的那條對(duì)角線上面，R、G、B 三者的值均相等，意為白暗不同的單一色。

2.3.2 HSI 顏色空間

HIS 顏色空間較之RGB 會(huì)顯得更加豐富化，它的空間結(jié)構(gòu)模型也相對(duì)復(fù)雜，是由兩個(gè)底面重合的圓錐所組成的，在圓錐的表面上，R、G、B 成規(guī)律依次增加或減少。由圖2 可知，最高點(diǎn)是白色，最低點(diǎn)是黑色，中間依次過渡，重合面圓的圓心為灰色。該顏色空間主要突出體現(xiàn)樣品的明度差異。

2.3.3 YUV(Lab)顏色空間

我更愿意稱YUV 顏色空間為彩色空間，它是彩色電視機(jī)的經(jīng)典代言人，Y 表示亮度，即或黑或白，更或者灰，而U 和V 代表的是它的色度，即電視機(jī)顯示屏的分辨顏色，我們?cè)谝郧暗碾娨暀C(jī)上面可以看到電視屏幕在調(diào)解時(shí)會(huì)有YUV 這三個(gè)字母，當(dāng)我們調(diào)整U 和V 時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電視機(jī)的屏幕顯示顏色在發(fā)生變化，而當(dāng)我們調(diào)整Y 時(shí)，我們看到的只是電視機(jī)屏幕顯示亮度的變化，要么變得更亮，從而接近白，要么變得更暗，從而接近黑。它和RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換公式由下式表示：Y=0.3 R + 0.59 G + 0.11B，其空間示意圖如圖3所示。

YUV 顏色空間和RGB 顏色空間轉(zhuǎn)換公式如下：

2.4 基于CIELAB顏色空間的色差檢測(cè)算法

鑒于CIELAB 顏色空間相對(duì)而言較為均勻，故而采取這一顏色空間進(jìn)行待測(cè)物品與樣本的色差對(duì)比，算法流程為先對(duì)獲取的圖像做圖像預(yù)處理，具體包括高斯掩膜濾波（類似于卷積濾波），即以一個(gè)像素點(diǎn)為中心，把其周圍的像素值加在它上面，得到量化后的值，然后二值化處理圖像，獲取圖像的RGB 值，最后帶入色差公式進(jìn)行計(jì)算。

表2 是本實(shí)驗(yàn)以0.1png 作為參考，得到的樣品與參考值在明度、色彩等方面的色差數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)論

由以上論述，發(fā)質(zhì)發(fā)量智能分析梳基本介紹完成，對(duì)于此項(xiàng)工作，我們?cè)诎l(fā)質(zhì)對(duì)比檢測(cè)方面做了較多工作，圖像處理算法涉及較深，但在傳感器設(shè)計(jì)上面有很大的研究空間，這也是接下來我們的工作之重，我們所選擇的傳感器主要為光電分布式傳感器。智能分析梳梳過頭皮之后，會(huì)在內(nèi)部的電路中產(chǎn)生激勵(lì)，通過傳感器將這一信號(hào)轉(zhuǎn)化為較為微弱的電信號(hào)，通過前置放大電路將小電流信號(hào)放大為大電壓信號(hào)，然后用差分放大電路進(jìn)行共模抑制，最后輸出顯示，搭載顯示屏進(jìn)行觀測(cè)。