皮肤区域检测成像设备的制作方法

专利名称：皮肤区域检测成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种皮肤区域检测成像设备，并且特别地涉及一种用于根据 将被成像的目标的图像，来检测包含在被近红外范围的光照射的目标内的人 体皮肤区域的皮肤区域检测成像设备。
背景技术：
当被近红外范围的光照射时，人体(人类)的皮肤(肉体)区域对不同波长的光具有不同的反射比(例如，对850nrn的光大约为45%，对950nm 的光大约为40%)。传统地，这些特性例如被用于监视照相机中来检测人体。 例如，日本特开2006-47067号公开了一种人体检测设备，其安装了两个发光 二极管，以发射两个不同波长的近红外光。在这个人体检测设备中，所述两 个发光二极管依次地发光以对将被成像的目标成像为两个图像，以从所述两 个图像中提取像素值的幅度(magnitude)关系。根据由此提取出的像素值的 幅度关系是否与皮肤区域的参考反射特性匹配或对应，来检测人体的皮肤区 域。日本特开2006-47067号所述的人体检测设备具有一组光学透镜系统和 用于对将被成像的目标成像的成像元件。因此，为了获得用于比较的两个图 像，需要两步处理，其中，发射一种波长光的一个发光二极管被打开又关上 以获得被这种波长光照射的目标的图像，并且在那之后，发出另外一种波长 光的另一发光二极管被打开又关上以获得被另外这种波长的光所照射的目 标的图像。这使得在短时间内检测人体的皮肤区域很困难。如在日本特开平5-196989号中所揭示，还公知一种照相机，其中，红外 光被照射到将被成像的目标(包括人体)上，并且将通过红外照射获得的目 标的主要候选(candidate)区域的反射比与预先通过实验获得的目标的肉体 (皮肤)区域的反射比进行比较，从而检测目标的肉体区域。然而，在用于 检测目标肉体区域的这个专利公开的照相机中，所述目标被分成预定数量的光测量区域，从光源发出的红外光被依次地照射到所述光测量区域上。从所述目标的光测量区域反射的红外光的反射比被依次测量。根据依次 测量的反射红外光的反射比，所述目标的各个光测量区域被确定是否为肉体 区域。因此，在此传统的照相机中，很难获得目标的被测量肉体区域的高分 辨率(或轮廓形状)，这是由预定数量的光测量区域确定的。另外，原则上， 对于传统的照相机需要很长的时间去检测目标的皮肤区域，因为所述目标的 光测量区域需要被依次测量以确定。发明内容本发明的目的在于提供一种皮肤区域检测成像设备，其用于根据将被成 像的目标的图像，检测在被近红外范围的光照射的目标内包含的人体的皮肤 区域，其中所述检测能在短时间内被完成。根据本发明，达到上述目的是通过一种皮肤区域检测成像设备，其包括 多个光学透镜，用于从将被成像的目标收集光，所述目标包括具有皮肤区域 的人体；固态成像元件，用于对通过所述光学透镜形成的图像进行成像；快 门装置，用于依次读取通过所述多个光学透镜分别在所述固态成像元件上形 成的多个图像；不同图像形成装置，用于使用包含近红外范围内的两种不同 波长的光(此后称为"不同波长光")的光线，以在所述固态成像元件上形成 在所述皮肤区域的亮度上彼此不同的两个图像；存储装置，用于将通过所述 不同图像形成装置形成在所述固态成像元件上、以及通过所述快门装置的一 次成像操作读取和获得的两个图像存储为两个图像信息；以及皮肤区域检测 装置，用于比较存储在所述存储装置中的所述两个图像信息，以将亮度差大 于预定值的区域检测为皮肤区域。根据通过快门装置的一次成像操作获得的两个图像信息，所述皮肤区域 检测成像设备检测人体的皮肤区域。因此，与在日本特开2006-47067号中公 开的检测设备(其需要两步处理以获得被一种波长光照射的目标的图像，其 后获得被另外一种波长光照射的所述目标的图像)相比，本发明的皮肤区域 检测成像设备能够在短时间内检测皮肤区域。可能的是，皮肤检测成像设备中的不同图像形成装置包括闪光源，用 于按照时间切换及发出不同波长光来照射所述目标；以及切换控制装置，用于控制所述闪光源的不同波长光的切换定时，以与由所述快门装置读取的图 像的切换定时同步。同样可能的是，在皮肤检测成像设备中的不同图像形成装置包括闪光 源，用于以包含近红外范围的宽波长光照射所述目标；以及两个带通滤波器， 其置于所述多个光学透镜的光收集路径中，分别为所述各个光收集路径选择 性地传输近红外范围内两种不同波长的光。优选地，所述两个带通滤波器分别选择性地传输近红外范围内不同波长 的光，并且还传输可见光范围内的光。这使得能够获得将被成像的目标的例 如具有正常颜色的正常图像。虽然本发明的新颖性特征在所附权利要求中被阐明，但是本发明根据下 面结合附图的具体描述将会被更好地理解。


以下，本发明将会参照附图被描述。要注意的是，所有附图都是为了解 释本发明的技术概念或其实施例的目的而被显示的，其中图1是根据本发明第一实施例的皮肤区域检测成像设备的示意方块图， 也显示了其中包含的光学透镜系统的横截面示意图；图2是在皮肤区域检测成像设备中的光学透镜系统的正面示意图；图3是在皮肤区域检测成像设备中的固态成像元件的正面示意图，所述 固态成像元件具有方框形式的控制电路；图4是用于解释读取单元图像的次序和两个LED发射的切换定时 (switching timing )的示意图；图5是通过皮肤区域检测成像设备完成皮肤区域检测处理的流程图；图6A是在皮肤区域检测成像设备中将被成像的目标的单元图像的例子 的示意图，其中所述目标由以850nm波长为中心波长的近红外光照射；图6B是在皮肤区域检测成像设备中将被成像的目标的单元图像的例子 的示意图，其中所述目标由以940nm波长为中心波长的近红外光照射；图6C是具有检测到的皮肤区域的图像的例子的示意图；图7是显示皮肤区域对近红外光范围内多种波长的光的反射比的曲线图；图8是根据本发明第二实施例的具有带通滤波器的皮肤区域检测成像设 备的示意性方块图；图9是显示带通滤波器的传输特性的曲线图；图10是显示皮肤区域检测成像设备中的另一带通滤波器的传输特性的 曲线图；图11是显示改进的带通滤波器的传输特性的曲线图，其中所述改进的 带通滤波器传输以约850nm波长为中心波长的近红外光以及从360nm到 660nm范围内的可见光；以及图12是显示另一改进的带通滤波器的传输特性的曲线图，其中所述改进 的带通滤波器传输以约940nm波长为中心波长的近红外光以及从360nm到 660nm范围内的可见光。
具体实施方式
本发明的实施例作为实施本发明的最佳方式，将会在下文中参照附图被 描述。需要理解的是，在这里实施例并不是要限制或包括本发明的整个范围。 注意在所有附图中，类似的部件用类似的标号或符号指示。第一实施例参照图1到图7，根据本发明第一实施例的皮肤区域检测成像设备1将 会被描述。图l是皮肤区域检测成像设备l的示意方块图，也显示了其中包 含的光学透镜系统3的横截面图，而图2是光学透镜系统3的正面示意图。 图3是在皮肤区域检测成像设备1中的固态成像元件2的正面示意图，所述 固态成像元件2具有方框形式的控制电路。如在图1到图3中所示，皮肤区 域检测成像设备1包括光学透镜系统3，其用于在焦点处收集来自将被成像 的目标的光线，以在置于焦点处的固态成像元件(光电检测器阵列)2上形 成上下两个图像(在下文中称为"单元图像")A和B。皮肤区域检测成像设备1还包括电子电路4，用于对在固态成像元件 2上形成的两个单元图像A和B进行电子处理，以检测皮肤区域；闪光源5， 其具有两个LED (发光二极管)5a和5b，所述两个LED分别以近红外光区 域内的两个不同波长作为中心波长，以根据来自电子电路4的定时信号Sa 和Sb，依次地(交替地)发射出具有两种不同波长的近红外光；显示单元6，由例如液晶面板构成，用于显示由电子电路4检测到的皮肤区域的图像等； 以及外部单元7，由例如个人计算机构成，例如用于输入控制数据和捕获图像数据。在本实施例中的所述两个LED5a和5b发射出两种不同波长的光， 其中LED 5a发射出将850nm波长作为中心波长的近红外光，而另外一个 LED 5b发射出将940nm波长作为中心波长的近红外光。如在图1和图2中所示，光学透镜系统3包括两个光学透镜8，其被 相互垂直地放置，以具有相互平行的光轴L;以及光阑孔径(st叩aperture)ll， 其在支撑框架9内形成，以支撑光学透镜8。光学系统3还包括隔离壁12， 其用于防止从各个光学透镜8发向固态成像元件2的光相互干扰；以及光学 滤波器13，其放置在固态成像元件2的前面。光学滤波器13是让在近红外 范围内的光通过的滤波器。固态成像元件2形成在半导体衬底14上作为 CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感器，并且在行和列的方向(在稍 后描述的图3和图4中所示的方向X和Y)上具有大量的像素15。各个光学透镜8将光收集到固态成像元件2上，以分别形成如在图3中 由圆表示的单元图像A和B。各个单元图像A和B由固态成像元件2转换 成模拟图像信息(存储在像素内的电荷的电压)，并且通过稍后描述的滚动 快门(rolling shutter)按单元图像A和单元图像B的顺序依次读取。定时脉 冲发生器(timing generator) 18被设置在形成有固态成像元件2的衬底14 上，该定时脉冲发生器18用于将定时信号Sc输出到固态成像元件2的垂直 扫描电路16和水平扫描电路17。根据定时信号Sc，固态成像元件2的像素 15按后面具体描述的预定顺序被读取，由此，单元图像A和单元图像B按 照这个顺序被读取。定时脉冲发生器18与垂直扫描电路16及水平扫描电路 17的组合形成了滚动快门19 (所要求保护的"快门装置")。再参考图l，电子电路4将会被描述。所述电子电路4包括图像处理 器22，其用于将从固态成像元件2输出的模拟图像信息经过A/D (模拟到数 字)转换器21后捕获作为数字信号；以及RAM (随机存取存储器)23 (所 要求保护的"存储装置")，用于暂时存储被图像处理器22捕获的图像信息。 电子电路4还包括微处理器24 (所要求保护的"切换控制装置"和"皮肤区 域检测装置")，其用于根据后面描述的过程来处理被图像处理器22捕获的 图像信息，以检测皮肤区域；以及RAM (随机存取存储器)25，其用于暂时存储检测到的皮肤区域的图像信息。图像处理器22输出控制信号到固态 成像元件2，以执行例如曝光控制和增益控制的多种控制，并且还将捕获到的图像信息进行图像处理，例如珈玛校正和白平衡校正。微处理器24被连 接到定时脉冲发生器(timing generator) 18，并且被设计为根据从定时脉冲 发生器18输出的水平同步信号Sd，在预定的定时(timing)将定时信号Sa 和Sb输出到闪光源5。现在参照图4，接下来描述利用滚动快门19来读取固态成像元件2上的 单元图像A和B的过程，以及作为闪光源5的两个LED 5a和5b的发射切 换定时。图4是用于解释读取单元图像A和B的次序和两个LED 5a和5b 的发射的切换定时的示意图。根据下面的描述清楚的是，微处理器24(所要 求保护的"切换控制装置")与LED 5a和5b (闪光源5)的组合形成了根据 第一实施例所要求保护的"不同图像形成装置"。首先，读取在固态成像元件 2上的单元图像A和B的过程将会被描述。在行和列(rows and columns) 的矩阵中的第一行的像素15在从原点So开始的行方向(X方向)上被首先 读取。在那之后，在随后的行(在包括原点So的第一行之后，沿列方向或Y 方向的第二行、第三行等)中的像素15被依次读取。结果，所有的像素15 被读取，由此，单元图像A和B按照这个顺序被读取。在图4中，箭头Ra、 Rb和Rc示意性地表示了读取像素15的顺序。每次在每一行的像素15的读取完成时，用于控制上述读取顺序(也就 是，定时)的定时脉冲发生器18都输出水平同步信号Sd到微处理器24。微 处理器24对水平同步信号Sd计数，以识别读取单元图像A和读取单元图像 B的开始及结束的定时。微处理器24输出开命令(on-command)信号以及 关命令(off-command)信号到LED5a，并且分别与读取单元图像A的开始 和结束同步,而所述微处理器24输出开命令信号以及关命令信号到LED 5b， 并且分别与读取单元图像B的开始和结束同步。图4显示分别上下变化(go up to down)(沿Y方向向下)的脉冲波形 Pa和Pb，并且所述两个脉冲波形分别代表LED 5a的开/关定时以及LED 5b 的开/关定时。假设在原点So的第一像素15的读取开始时t=0，并且在最后 一个像素15的读取结束时t=T。在这种假设下，所述脉冲波形Pa和Pb显示 LED5a在单元图像A的读取开始时(tl)被切换为开，LED5a在单元图像A的读取结束时(t2)被切换为关，并且LED 5b在单元图像B的读取开始 时(t3)被切换为开，LED 5b在单元图像B的读取结束时(t4)被切换为关。 因此，所述两个LED5a和5b (闪光源5)按照时间切换(timewise switch) 并且发射出在近红外范围内的两种不同波长的光，以照射将被成像的目标。现在参考图5的流程图，由本实施例的皮肤区域检测成像设备1执行的 皮肤区域检测处理将会被描述。当成像开始时，滚动快门19工作以依次读 取在固态成像元件2上形成的单元图像A和B。图像处理器22获得所述单 元图像A和B的图像信息(SI)，并且以预定的矩形形状提取或切掉单元 图像A和B的各个图像信息(S2)。这里，所述单元图像A是将被成像的 目标的图像，所述目标被从LED5a发射出来的以850nm波长为中心波长的 近红外光照射。另一方面，所述单元图像B是将被成像的目标的图像，所述 目标被从LED 5b发射出来的以940nm波长为中心波长的近红外光照射。图6A和图6B的组合显示了所述单元图像A和所述单元图像B的特定 例子。更特别地，在皮肤区域检测成像设备1中，图6A是将被成像的目标 的单元图像A的例子的示意图，所述目标被以850nm波长为中心波长的近 红外光照射，而图6B是将被成像的目标的单元图像B的例子的示意图，所 述目标被以940nm波长为中心波长的近红外光照射。如在图6A和图6B中 所示，皮肤区域Ja，例如作为成像目标的人体(人类)J的脸，在由LED5a 照射的单元图像A (图6A)中比在由LED 5b照射的单元图像B (图6B) 中显示得更加明亮(更浅)。相反，例如人体J的头发和衣服这样的非皮肤区域Jb，在由LED5a照 射的单元图像A (图6A)和由LED 5b照射的单元图像B (图6B)之间不 会存在很多不同之处，因为它们对于不同波长的近红外光基本具有相同的反 射比。图7是显示皮肤区域对近红外光范围内多种波长的光的反射比的曲线 图。如在图7中所示，对波长为850nm的近红外光的反射比大约为45。/c)，而 对波长为940nm的近红外光的反射比大约为40%。应注意的是，比850nm 小的波长范围是可见光的红光范围，而且固态成像元件2的灵敏度在波长大 于940nm的范围内急剧减小。再次参照图5的流程图，接下来，对于在整个区域中的每个像素15，微 处理器24比较单元图像A的亮度和单元图像B的亮度(S3)，以确定在单元图像A和B之间每个像素15的亮度差是否大于预定值。所述微处理器24 确定在单元图像A和B之间每个像素15的亮度差大于预定值的区域为皮肤 区域，从而检测出皮肤区域(S4)。在这里给出的特定实例中，人体J的没 有被衣服覆盖住的脸和手的部位，由所述微处理器24确定为皮肤区域Ja。 然后，所述微处理器24在显示单元6上显示由此确定和检测到的皮肤区域 Ja的图像(S5)。图6C是具有检测到的皮肤区域Ja的图像的例子的示意图。 如前面所述，根据本实施例的皮肤区域检测成像设备l，皮肤区域Ja的亮度 差大于预定值的两个不同图像(单元图像A和B)可以通过滚动快门19的 一次成像操作来得到。因此，将被成像的目标的皮肤区域可以在短时间内被 检测到。第二实施例参照图8到图10,根据本发明第二实施例的皮肤区域检测成像设备1将 会被描述。图8是具有带通滤波器31a和31b的皮肤区域检测成像设备1的 示意性方块图。第二实施例的皮肤区域检测成像设备1基本上和第一实施例 的设备相同，除了在第一实施例中形成闪光源5的两个LED5a和5b在这里 被一个卤素灯5c (其也用作闪光源5)代替以发射包含近红外范围的宽波长 光，并且在第一实施例中的光学滤波器13在这里被两个带通滤波器31a和 31b代替以分别选择性地传输近红外范围内的两个不同波长的光，分别用于 由两个光学透镜8形成的两个光收集路径30a和30b。在第一和第二实施例 之间的这些区别下面将会被详细描述。卤素灯5c是发射包含近红外光范围和可见光范围的宽波长光的光源。 与能以预定的定时在开和关之间切换的LED 5a和5b相反，卤素灯5c被设 计为当对将被成像的目标成像时连续发光。应注意的是，卤素灯5c可以被 发射宽波长光的一个LED代替。根据下面描述清楚的是，带通滤波器31a 和31b与卣素灯5c (闪光源5)的组合形成了根据第二实施例所要求保护的 "不同图像形成装置"。所述带通滤波器31a和31b被分别置于光收集路径30a 和30b内，所述光收集路径30a和30b分别专用于两个光学透镜8。所述带 通滤波器31a是传输以约850nm波长为中心波长的近红外光的滤波器，而所 述带通滤波器31b是传输以约940nm波长为中心波长的近红外光的滤波器。 图9是显示带通滤波器31a的传输特性的曲线图，而图10是显示第二实施例的皮肤区域检测成像设备1中的带通滤波器31b的传输特性的曲线图。与在第一实施例的皮肤区域检测成像设备1中相似，皮肤区域Ja在由通 过带通滤波器31a选择性地传输的近红外光形成的单元图像A(图6A)中显 示得更亮(更浅)，而皮肤区域Ja在由通过带通滤波器31b选择性地传输的 近红外光形成的单元图像B (图6B)中显示得更暗。与在由第一实施例的皮 肤区域检测成像设备1完成的皮肤区域检测处理中相似，第二实施例的皮肤 区域检测成像设备1以下面的顺序执行皮肤区域检测处理获得图像信息 (Sl)，以预定形状提取单元图像(S2)，比较单元图像(S3)，检测皮肤 区域(S4)以及图像显示(S5)。与在第一实施例中相似，根据第二实施例 的皮肤区域检测成像设备1，皮肤区域Ja的亮度差大于预定值的两个不同图 像(单元图像A和B)可以通过滚动快门19的一次成像操作来得到。因此， 将被成像的目标的皮肤区域Ja可以在短时间内被检测到。需要注意的是，本发明不被限制于上述实施例，多种改动是可能的。例 如，在第二实施例中，所述带通滤波器31a和31b可以被那些包括可见光范 围作为光传输范围的滤波器代替。参照图11和图12，如此改动的例子将会 被描述。更具体而言，所述带通滤波器31a可以被这样一个滤波器代替，其 既传输以约850nm波长为中心波长的近红外光，也传输从360nm到660nm 范围的可见光，如在图11中所示。另一方面，所述带通滤波器31b可以被 这样一个滤波器代替，其既传输以约940nm波长为中心波长的近红外光，也 传输从360nm到660nm范围的可见光，如在图12中所示。这种情况的一个 优点就是，将被成像的目标的单元图像A和B本身可以作为例如具有正常颜 色的正常图像被容易地获得。此外，用户可以观看显示在显示单元6上的所 获得的图像，并且所述皮肤区域检测成像设备1可以被用作监视照相机设备。虽然本发明已经利用当前的优选实施例被描述如上，但是上述说明并不 应被解释为限制本发明。对于已经阅读上述说明的本领域技术人员而言，多 种改动将会是显而易见、明显或清楚的。因此，所附权利要求应该涵盖在本 发明的精神和范围内的所有改动和变更。本申请是基于在2007年1月23日提交的日本专利申请2007-012921，其内容作为参考被合并于此。
权利要求
1.一种皮肤区域检测成像设备，包括多个光学透镜，用于从将被成像的目标收集光，所述目标包括具有皮肤区域的人体；固态成像元件，用于对通过所述光学透镜形成的图像进行成像；快门装置，用于依次读取通过所述多个光学透镜分别在所述固态成像元件上形成的多个图像；不同图像形成装置，用于使用包含近红外范围内的两种不同波长的光(此后称为“不同波长光”)的光线，在所述固态成像元件上形成皮肤区域亮度不同的两个图像；存储装置，用于将通过所述不同图像形成装置形成在所述固态成像元件上、并且通过所述快门装置的一次成像操作读取和获得的两个图像存储为两个图像信息；以及皮肤区域检测装置，用于比较存储在所述存储装置中的所述两个图像信息，以将亮度差大于预定值的区域检测为皮肤区域。
2. 根据权利要求1所述的皮肤区域检测成像设备，其中所述不同图像形 成装置包括闪光源，用于按照时间切换及发出不同波长光来照射所述目标；以及 切换控制装置，用于控制所述闪光源的不同波长光的切换定时，以与由 所述快门装置读取的图像的切换定时同步。
3. 根据权利要求1所述的皮肤区域检测成像设备，其中所述不同图像形 成装置包括闪光源，用于以包含近红外范围的宽波长光照射所述目标；以及 两个带通滤波器，其置于所述多个光学透镜的光收集路径中，分别为所 述各个光收集路径选择性地传输近红外范围内两种不同波长的光。
4. 根据权利要求3所述的皮肤区域检测成像设备，其中所述两个带通滤 波器分别选择性地传输近红外范围内不同波长的光，并且还传输可见光范围 内的光。
全文摘要
一种用于检测目标人体的皮肤区域的皮肤区域检测成像设备，包括两个光学透镜，其通过收集来自由近红外光照射的目标的光而在成像元件上形成两个单元图像；滚动快门，用于依次读取所述单元图像；以及两个LED，用于发射近红外范围内的不同波长(850nm和940nm)的光。在读取所述两个单元图像时，微处理器分别打开所述两个LED。根据对近红外光的不同波长的反射比的差异，以不同亮度显示一个被读取的单元图像的皮肤区域与另一单元图像的皮肤区域。所述微处理器比较所述两个单元图像，以将亮度差大于预定值的区域确定为皮肤区域。这使得能够在短时间内检测出皮肤区域。
文档编号A61B5/00GK101229055SQ200810005130
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月22日 优先权日2007年1月23日
发明者中尾良纯, 久后耕一, 政木康生, 豊田孝 申请人:船井电机株式会社