嫦娥科研速报｜人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法-发明概述

专利名称：人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法

专利号：ZL 2018 1 0131619.4

专利摘要：本发明公开了人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法，本发明设计了一种二层非负矩阵分解方法和混合矩阵有效性判定约束条件，解决了现有黑色素和血色素分离方法中，由于混合矩阵的不稳定性所导致的分离结果鲁棒性差的技术问题。

专利核心：非负矩阵分解；混合矩阵；鲁棒性；分离与浓度调控

专利介绍：

一、技术领域

本发明属于数字图像处理技术领域，更具体地，涉及一种基于非负矩阵分解的人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法。

二、背景技术

人体皮肤由表至里可分为三大层面：表皮层、真皮层和皮下脂肪组织层。并且，通过通用的RGB摄像头拍摄的人体皮肤片图像的颜色主要受表皮层的黑色素和真皮层的血色素以及背景轮廓决定。其中，背景轮廓对皮肤图像的彩色呈现效果影响较黑色素和血色素小得多。因此，若能将皮肤中的黑色素和血色素浓度分离出来，将有助于深层次的观察人体皮肤的受损情况，对皮肤的针对性护理或治疗起到极大的帮助，具有很强的实用价值。

现有的黑色素和血色素浓度提取方法主要采用独立成分分析算法进行，如：采用经典的fastICA算法进行黑色素和血色素分离。但由于此类算法所分离出的独立成分并不具有唯一性和保序性，并且独立成分的符号可能发逆转(即：正、负无法确定)，导致结果不够稳定，如：每次运行的结果都可能不一致，或者，得到的多个独立成分会发生调换，等等。再者，目前的方法对拍摄照片的要求较高，通常会要求采用偏振光环境下进行拍摄，很少有白光环境下的公开方法。最后，目前的方法均针对整个人脸进行分析，算法复杂度较高，通常应用于专用大型设备，难以应用于小型的嵌入式设备中运用。因此，对于黑色素和血色素分离问题，还存在较大的改进提升空间。

三、发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于非负矩阵分解的人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法，其目的在于，通过运用非负矩阵分解算法，从在正常白光环境下(或偏振光环境下) 获取的人体皮肤片RGB彩色图像中分离出黑色素和血色素浓度分布结果，实现对黑色素和血色素浓度的按需调控，从而自由的构建浓度可调的黑色素和血色素浓度分布图像以及人体皮肤片综合合成图像。着重地，在本发明中，设计了二层级联非负矩阵分解方法和混合矩阵变换方法，并制定了混合矩阵有效性判定约束条件，实现了对混合矩阵的操控和有效性判断，解决了现有黑色素和血色素分离方法中，由于混合矩阵的不稳定性所导致的分离结果鲁棒性差的技术问题。同时，由于本发明中的方法复杂度较低，因而，本发明应用于小型嵌入式设备中。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于非负矩阵分解的人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法，包括以下步骤：

(1)获取人体皮肤片RGB彩色图像；

(2)对所得人体皮肤片图像的R/G/B三通道信号进行主成分分析，并保留2个最大特征值对应的主成分信号，从而得到一个二维信号；

(3)将步骤(2)中所得的二维信号，进行二层级联非负矩阵分解，得到混合矩阵，并对其做升维及统计变换处理；

(4)根据光线在人体皮肤中的传播特性，设计混合矩阵有效性判定约束条件，以判断分离的有效性，若无效，则中止处理过程；

(5)运用以上步骤所得到的混合矩阵及原输入的人体皮肤片RGB彩色图像，结合人体皮肤成分构造原理，并设计混合矩阵的权重调控因子，分别构建浓度可调的人体皮肤片黑色素或血色素浓度分布图像和综合合成图像。

四、发明优点

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明运用了二层级联非负矩阵分解算法并设计了混合矩阵变换处理方法以及混合矩阵有效性判定约束条件，解决了现有黑色素和血色素分离方法中，由于混合矩阵的不稳定性所导致的分离结果鲁棒性差的技术问题；相比现有方法，本发明可获得更加稳定的黑色素和血色素浓度分离结果，并且，本发明的分离结果具有更高的准确性和一致性，因而，具有更强的实用性。

(2)本发明设计的混合矩阵变换处理方法和有效性判定约束条件，充分的考虑了皮肤组成结构原理以及皮肤光照成像特性，能够克服非负矩阵分解算法直接输出的混合矩阵的不唯一性所带来的负面影响，并且，本方法有能力排除掉非皮肤片图像，而不至于造成后续分离与合成的无效操作或无意义合成；相比现有方法，本发明的变换处理方法和约束条件使得本发明的方法更具鲁棒性。

(3)相对于现有的黑色素和血色素分离方法，本发明的方法可应用于白光环境，并且，由于本方法的计算复杂度较低，本发明的方法可部署于小型的嵌入式设备中，因此，本发明对相关机构或普通用户均更强的具有实用价值以及更好的易用性。

五、附图说明

图1是本发明基于非负矩阵分解的人体皮肤片图像黑色素和血色素分离与浓度调控方法的流程图；

图2a是本发明黑色素和血色素浓度分布图中原输入的人体皮肤片RGB彩色图像；

图2b是本发明黑色素和血色素浓度分布图中合成的黑色素浓度分布图；

图2c是本发明黑色素和血色素浓度分布图中合成的血色素浓度分布图；

图3a是本发明人体皮肤片综合合成图像的黑色素浓度乘3的综合合成图像；

图3b是本发明人体皮肤片综合合成图像的血色素浓度乘3的综合合成图像。

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