用于使用L*a*b*色空间来分析皮肤的装置和方法

专利名称：用于使用L*a*b*色空间来分析皮肤的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于分析人的皮肤的数字成像系统和方法，尤其涉及用于使用其 数字图像来执行肤色的量化分析的系统和方法。
背景技术：
已使用色度计和分光光度计通过在对象的较小(例如，2-10 mm2)面积上执 行"点"或"点状"测量来测量对象的颜色。例如，美国专利No. 5，945，112公开 了一种用于通过用分光光度计/色度计分析用户皮肤的较小面积以获得L*、 ^和 M单位的色调值来向化妆品用户提供定制面部粉底的方法。点状测量适用于较小对 象和/或其颜色跨其表面不变动的对象，但要测量颜色在各点之间会变动的大面积 皮肤的颜色就需要多重色度计/分光光度计测量。色度计和分光光度计是专业器械， 其典型地要求对皮肤表面应用该器械。
除了用于确定肤色的器械以外，已提出摄影地捕捉人的图像以供皮肤分析的 各种成像系统，诸如在本申请人的共同待决的公开为美国专利申请公开No. US 2005/0195316 Al ("美国公开No. 2005/0195316")的题为"Apparatus for and Method of Taking and Viewing Images of the Skin (用于拍摄和査看皮肤图像的装置和方 法)"的美国专利申请S/N, 10/978,284、以及公开为美国申请公开No. US 2006/0092315 Al ("美国公开No. 2006/0092315")的题为"Skin Imaging System wkh Probe (带有探测器的皮肤成像系统)"的申请S/R 11/169,813中所公开的那些系 统，以上申请通过援引纳入于此。前述申请公开了使用数字摄影术以获得红、绿、 蓝(RGB)格式的皮肤图像。应理解，除RGB以外还有本发明将等同地适用的诸 如Raw (原始图像格式)或YC-tiff (标签图像文件格式)等其他获得的格式。
RGB色空间对于分析图像具有局限性，因为像素的亮度不是独立于颜色来表 示的。RGB色空间是非线性的并且单位变动与人类感知不匹配，从而使得R、 G、 或B值中一个单位的改变有时不会为人类视觉所感知。出于这些原因，RGB色空 间中的图像一一诸如通过RGB相机获得的那些——在用于执行肤色的量化分析的某些实例中不是最优的，例如这在针对化妆品用户的肤色配制、选择和搭配化妆品 时或者测量肤色响应或肤色随时间推移的改变时将是可取的。
发明概述
本发明克服了与在肤色分析以及诸如化妆品设计和选择之类的相关过程中使
用的常规装置和方法相关联的问题的缺点，本发明将定义用户皮肤的图像的RGB 色空间像素值转换成1^*^1)*色空间数据以达成肤色的替换性量化和表征，其可以 用于各种各样的目的。例如，本发明的实施例可以用于为个人选择化妆品或为用户 群体设计化妆品的颜色调色板。本发明的实施例可以用于确定皮肤状况以及跟踪皮 肤状况的改变。本方面的其他方面、特征、和优点根据以下本发明的详细描述将变 得显而易见。
附图简要描述


图1是根据本发明的数字成像系统的图解视图。
图2是具体色平面——例如数字图像的绿色平面——中对象图像的图解视图。 图3是在RGB和L^n^色空间中标绘数字图像的片断的图解视图。 图4是在不同时间拍摄的数字图像的比较、数字图像与化妆品调色板的比较 以及从群体成像开发化妆品调色板的图解视图。 图5是根据本发明的过程的流程图。
发明详细说明
图1图表地图解具有照明光源12 (例如，照相闪光灯)和数字相机14的数字 成像装置IO。通过相机14以红、绿和蓝像素值的矩阵16的形式(RGB格式)来 记录对象S的图像。典型地通过Bayer滤光紧密耦合的显示CCD来产生值矩阵16 并且将该信息存储在诸如计算机17的随机存取存储器(RAM)之类的存储器设备 中或闪存卡上。可以将RGB数据分成数个通道或平面R、 G和B，每种颜色对应 一个平面。可以使用相对于对象S布置在不同位置的各种频率的照明光Lt来捕捉 对象S的数字图像，从而捕捉关于该对象的皮肤的不同信息。可以分别在光源12 和相机14上采用滤光器18、 20来控制投射到对象S上的光的光频率/极性，以 及控制被允许进入相机14的(从对象S反射或发射的)光LR。这种类型的成像在 美国公开No. 2005/0195316和美国公开No. 2006/0092315中作了详细描述，这两者皆通过援引纳入于此。前述申请公开了皮肤状况与各种摄影参数——即照明光Lj、
滤光器18、 20等的具体组合——所产生的图像之间的各种相关性。皮肤对不同照
明频率、角度、极性等的响应可以揭示关于皮肤状况的信息，并且可以在数字图像 中记录和调用皮肤状况的此凭证以用于分析目的。
由于所记录的图像是数字形式的，即以数值像素强度值计的，因此这些图像
使他们自己适于诸如通过计算机17来进行量化分析。例如，不是仅注意到如熟练 人士观察者所能辨别的，在时间T,时拍摄其图像的对象的脸颊比起此人在时间T2 时被拍摄的图像中的在颜色上要更红或没那么红，而是可以代之以量化地比较在时 间T和T2下脸颊的具体区域中的红色像素的强度值。可以使用数字图像量化来例 如通过将感兴趣的具体部位中的像素值求和并随后除以像素数目来辨别指定部位 中的皮肤的平均值。以此方式，就可以量化地表征例如脸部的整个皮肤区域。可以 进行各种其他量化分析，例如，可以针对像素强度的标准偏差来测试皮肤的成像区域。
图2示出对象SI的位于RGB图像的一个色平面或通道(例如，绿色)中的 图像的图表视图。该图像是通过像素矩阵在X-Y平面中延伸来形成的，且每一像 素具有x,y定位。示出了三个样本像素的定位，即，位于(xl,yl)、 (x2，y2)和(x3,y3)。
图3示出缘于在RGB色空间和！^a叶f色空间中标绘图像片断IF的每一像素 所得的两张三维图Gi和G2。对于例如来自数字照片的图像SI中的所有像素，相 关联的像素强度是根据感光元件的光-响应——例如CCD阵列的电容器元件中感 生的电压——来确定。可以将此电压电平数字化为数值值并存储。当在RGB空间 中标绘数字图像的每一RGB三元组的光强时，就得到三維点云PCrgb。可以使用 此标绘和潜在的强度数据来量化地评估在图像SI中捕捉其图像的对象S的皮肤的 各种状态和参数。
包括红、绿、和蓝(RGB)平面中的多个像素强度值的数字图像可以经历量 化分析以用于各种各样的目的。本发明认识到，在某些实例中可以通过先将RGB 图像数据转换成1^*^1)*格式来改进对皮肤的数字图像的量化分析。在1^^M色空 间中，1^*分量代表明度或亮度(即，明对暗或白对黑)，并且与&*和1)*颜色分量 分开和相互独立。&*分量是对图像中红度和绿度的量的量度(即，红-绿色连续统 上的值)。M分量是对图像中黄度和蓝度的量的量度(即，黄-蓝色连续统上的值)。 1^an^色空间的L515、 3*和15*分量分别由明-暗轴、红-绿轴和蓝-黄轴来表示，从而 形成三维空间。对图像中的任一像素、或像素群的颜色测量由此可以用其在L*a*b*色空间中的r^、 &*和1 *坐标的形式来表示。
LHc^bHc色空间的益处包括其对于在分析像素颜色值时的线性计算以及独立于
亮度改变来评估颜色改变的可控制性。！^^M色空间还与人类视觉感知(即，心 里光度量)相统一和一致，使得整个！^^M色空间中亮度或颜色的一个单位的改 变通常是可察觉的。本发明认识到，利用将例如从数字相机、扫描仪等在RGB色 空间中获取的图像转换到1^^M色空间来对颜色或亮度的改变作出量化测量—— 其或许与产品功效或功能相关，或更简单地遵循对象的(肤)色随时间推移的改变。
将RGB图像数据转换到1^&*1 *色空间被很好地定义并且为本领域普通技术 人员所知。用于进行该转换的示例性计算可以在Charles Poynton， A Technical Introduction to Digital Video (数字视频的技术介绍)(J. Wiley & Sons)第7章"Color Science (颜色科学)"中找到。
图3图解图像片断IF的红、绿和蓝色强度值(在图中标绘示出)到1/^*15* 坐标的转换。在转换之后，以1^&化*坐标表达的图像数据形成点云PCLAB，可以 将其划分成子平面或通道并在三维图中进行标绘，从而表达对图像片断If中毎一 像素的每一参数(L*、 3*和1)*)的量度，或者这些1^&*1)*值可以经历数值处理或 分析。
前述从RGB到1^&*13*的转换优选是在诸如成像装置10的计算机17之类的计 算机中进行的。在编程性转换的一种实现中，将数字的RGB图像数据16被表达 成可称为"rgb"的字节型存储器阵列。定义用于执行根据上述方法的转换过程的 程序并且可以将其称为"RGB到LAB" 。 RGB到LAB对RGB图像数据16操作 以返回可被称为"lab"的新的浮点型存储器阵列。数学函数可以表示为=/ GS 象婦洲。
图4示出一对分别在时间^和T2拍摄的例如代表两个数字照片帧Fi和FJ勺 对象图像S^和Sl2。如上所述，可以将与例如(Xh yi, T,)等任何及全部定位相关联 的RGB像素数据转换成1^&*15*格式。如在美国公开2005/0195316和2006/0092315 中所描述的，皮肤对各种形式的照明光、照明定向和极性的响应可以产生在各方面 与皮肤的状况相关的信息。由于缘于数字成像的图像数据以RGB和1^a化申格式两 者被量化，因此皮肤的各种响应在经历各种形式的成像时可被量化和量化地分析。 在某些实例中，对在来自！^^M色空间的具体平面中表达的数字图像数据的量化 分析提供胜于对RGB颜色通道的类似分析的优点，例如因为像素的强度或亮度是
与颜色分开的。1/^*15*色空间的此特性允许独立于亮度来考虑和测量颜色响应。例如，在红色响应指示皮肤状况时，3*通道对于标识和/或计数图像中处于所选红 色色度(shade)中的像素的数目是理想的。例如，可以使用&*通道来标识和量化 归因于或者血色素(如在交叉极化照明中可见的)或者P卜啉(来自蓝色荧光照明) 的红度。于是更一般而言，如果具体的红色(或任何其他颜色)色度中的皮肤响应
指示某一方面的皮肤状况，则以1^3*15*坐标表达的数字图像可用于标识和量化该
具体颜色响应。图像之间的红度差可通过简单的减法来量化。
使用1^^M色空间进行分析的另一示例是使用通过以白光照明(和/或对照明 光和/或相机使用交叉或平行极化滤光器)而获得的图像的1^通道数据来评估整体 皮肤明度/暗度。还可以利用1^*通道图像数据来标识图像中代表受阻塞的毛孔对蓝 色荧光照明的响应的细微白色区域。除标识数字图像中的具体响应色度之外，响应
的强度对于评估皮肤状况也是有用的量度。如由其在a*、 M平面上的相关联坐标 所指定地给定像素的具体色度，就可以使用该像素的LM直来确定该像素的具体颜 色的强度。
由于可以独立于强度在1/^*1)*色空间定义色度，因此可以独立于照明强度从 他/她转换成！^a+M坐标的数字图像来确定对这人的皮肤的色度的测量。皮肤的颜 色可以通过采样和/或通过平均对应于脸部的像素的色度来确定。相应地，通过计 算就可以确定这人的"平均色"。替换地，可以将平均色限制在皮肤的特定(诸) 部位，例如脸颊、前额、鼻子和下巴。在任一情形中，通过图像分析确定的皮肤色 度可用于与有多种色度24的诸如粉底之类的可用化妆品的调色板22的色度作比 较。化妆品色度24可以按其在1^&*13*色空间中所表达的颜色的形式来分析和量化。 以此方式，可以将个人的"平均色"与调色板22中的可用颜色进行量化地比较并 且标识出最接近的个别色度24。除颜色匹配之外，可以将个人的I^a+M图像数据 与调色板22中的可用颜色作比较以通过所选的受控量来使皮肤变亮或变暗。
进一步针对化妆品调色板22，可以利用本发明来确定为调色板24选择的和其 中所呈现的色度24。更具体而言，如图4的底部所示的，可以拍摄不同人的多个 图像SIP!到SIPn。这群图像中的每一图像可以按该图像中出现的人的颜色或平均 色的形式来分析和量化。最优地，将获得代表包括全部人种和国籍的所有人的整个 肤色谱的对象图像的广泛基础。随后可以按I^、 &*和1 *值以升序或降序来排序例 如以1/^*1)*坐标表达的图像数据，从而产生色度及亮度值谱，其中可以从这些值 中选择这些谱上的端点，以及数值地将该谱划分成合需数目个色度/亮度梯度。该 数值划分将得到色度/亮度值(!^^1 *坐标)，其随后可用作化妆品的调色板22中的色度24的目标颜色。此过程与其中色度24是根据化妆品中的各种色素的百分比 组分来确定的已知方法的不同之处在于，本发明中标识出的色度24如实验地确定 地在真实肤色值的范围上是均匀分布的(因为1^&*13*色空间是线性的)。在通过 组分来变动化妆品颜色的实例中，色度是独立于所观察到的用户皮肤的色度/亮度 而开发的，并且因此"不自然"且在实际皮肤色调谱中是不均匀地分布的。 一旦确 定了色度24的目标颜色，随后就可以调整化妆品的组分直至实现各种目标颜色。
如以上所提及的，图4示出可以随着时间推移拍摄一个人的多幅图像来评估 和量化其对数字成像的、指示其皮肤状况的改变的响应的改变。由于转换到L*a*b* 可用于标识和量化颜色响应，增强了在不同的成像会话之间对颜色/强度响应的不 同值的比较以辨别改变和趋势，从而胜于在单独的RGB分析中可用的比较。I^a8^ 通道的球形3D坐标标绘的构造揭示了构成正被分析的图像的像素的分布。可以使 用色空间分布的改变来为个人、处理群或群体确定对皮肤红度、发黄度、色素沉着、 晒黑、色调均匀性等的改善。
图5图解根据本发明的用于利用I^^b+色空间转换来辅助显现和分析皮肤状 况的过程30。拍摄数字照片(32)，从而得到RGB图像数据34。将该RGB数据 转换(36)成L^n^数据38。随后例如通过改变该图像中所选像素的颜色或亮度 来处理(40)此1^&*1)*数据38以生成经处理1^&*1)*数据42 (可以将经修改的阵 列称为"经处理lab")。在一个实例中，标识在具体色度中响应的像素可以用于 以高亮其在图像中的存在的方式来显示该像素子集，例如举例而言通过数值地增大 其相关联的LM直来以相对更高的强度来显示所有验资像素。随后可以将经处理的 1^3*1)*数据42转换(44)成RGB数据，得到经处理的RGB数据46 (用于在RGB 色空间中表达图像的新字节型存储器阵列)。随后可以保存(48)和例如在计算机 监视器上显示(50)该RGB数据46。
本发明认识到将从诸如数字相机、扫描仪等设备获取的必然存在于RGB色空 间中的图像转换到1^&*1)*色空间提供了某些优点。例如，(1)在1/^*15*色空间中， 将像素亮度转移到其自己的通道(L*)并由此不混淆颜色测量，(2)涉及L*a*b* 色空间通道中的像素值的计算是线性的，这与非线性的RGB色空间不同，(3)在 获取时可以不受亮度(或照明)改变的影响(合理范围内)地评估颜色改变，(4)已 知I^、 &*或1)*的一个单位的改变将被人觉察到，而R、 G或B值的1单位的改变 取决于例如该改变是从50到51还是245到246可以或不会被觉察到，(5)可以方 便地将整个数字图像或其内的子区域表示成！^&*1)*三元组，这与仅从小点状或点
9区域获得的、并且需要进行多重测量来表征较大区域的色度计测量不同。代表数字 图像的1^^M值可以存储在数据库中并且经历数据挖掘技术以例如(i)从具有感 兴趣的(诸)特性的群体中选择对象，(ii)从具有合需特性的群体中监视对象，(iii) 在临床试验中监视对象以发现偏离规范，或(iv)在临床试验中分析来自对象的数 据以选择正面或负面(不良)反应者。
应理解，本文中所描述的实施例仅仅是示例性的，并且本领域技术人员可以 作出许多变形和修改而不脱离本发明的精神和范围。例如，虽然已经用面部成像的 方式解释了本发明，但是本发明还将用于成像和分析身体的其他部位。虽然已经用
将RGB数据转换成I^^M的形式解释了本发明，但是根据本发明的教导可以转换 诸如Raw或YC-tiff等其他形式的获取的数据。所有此类变形和修改都旨在涵盖于 本发明的范围之内。
权利要求
1. 一种用于分析肤色的方法，包括以下步骤(A)使用第一色空间捕捉皮肤的数字图像；(B)将所述数字图像存储为数据；(C)将所述数字图像数据转换成L*a*b*色空间数据；(D)量化地分析所述L*a*b*色空间数据。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，步骤(D)包括根据所述I^a叶4色空间数据的a化^直确定脸部的平均颜色。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，使用所述平均颜色来从化妆品调色板选择化妆品。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述化妆品是粉底。
5. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述平均颜色来选择所述化妆品以达成特定重定色目标。
6. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述平均颜色用作用于配制化妆品的目标颜色。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)包括通过分离所述I^a+M色空间数据的a吖直来确定皮肤的红色响应的强度，其中在交叉极化光中进行所述捕捉步骤(A)，并且将所述红色响应解读为对血色素的指示。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(D)包括通过分离所述1^^M色空间数据的aM直来确定皮肤的绿色响应的强度，其中在蓝光中进行所述捕捉步骤(A)，并且将所述绿色响应解读为对卟啉的指示。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)包括通过分离所述！^^W色空间数据的！^值来确定皮肤的亮度响应的强度，并且在极化光中进行所述捕捉步骤(A)。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)包括通过分离所述1^*3*1)*色空间数据的1^值来确定皮肤的亮度响应的强度，其中在蓝光中进行所述捕捉步骤(A)，并且将所述亮度响应解读为对受阻塞毛孔的指示。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括针对给定群体中的不同人多次重复步骤(A)到(C)的步骤。
12. 如权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述群体的所述I^WW色空间数据定义颜色/亮度值的范围，将所述范围除以选定数N以产生在所述范围上大致均匀地分布的有限数目个化妆品目标颜色。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括准备颜色接近所述目 标颜色的多种化妆品成分的步骤。
14. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括存储所述群体的所述 !^^M色空间数据的步骤以及在所述数据中搜索满足选定准则的实例的步骤。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述数字图像数据与所述1^&*13*色空间数据中的至少一个在适用的情况下于临床研究中包括成像对象的标识符和指示参与的标志，并且所述准则是参与所述临床研究。
16. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括分析所述群体的所述 !^WM色空间数据以标识规范化值范围的步骤，并且其中搜索期间的所述准则偏 离所述规范化值范围。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述偏离指示对所述皮肤的 处理的响应。
18. —种用于分析人的肤色的方法，包括以下步骤-(A) 使用第一色空间在时间tl捕捉所述人的皮肤的第一数字图像；(B) 将所述数字图像存储为数据；(C) 使用所述第一色空间在时间t2捕捉所述人的皮肤的第二数字图像；(D) 将所述第一和第二数字图像数据转换成1^&*1 *色空间数据；(E) 量化地比较所述第一和第二图像的所述！^^b+色空间数据以确定所述 第一和第二图像中存在的颜色/亮度差。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述步骤(E)中进行的所述 比较包括比较所述皮肤在所述第一和第二图像两者中基本相同的至少一个区域。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述比较包括所述皮肤在所 述第一和第二图像两者中基本相同的多个区域。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述比较的区域是所述人的 脸部且所述第一色空间是RGB，并且所述方法进一步包括比较所述第一和第二图 像的如根据其所对应的相应1>、*1)*色空间数据确定的平均颜色/亮度值的步骤。
全文摘要
一种成像系统和方法具有数字图像捕捉和分析能力。可以在各种各样的照明条件下拍摄数字图像，其中皮肤响应指示皮肤状况。可以将这些数字图像从RGB格式转换成L*a*b*格式并量化地分析以评估颜色和亮度。可以使用来自这些数字图像的颜色/亮度信息来评估皮肤状况及其改变，以及选择在某颜色范围中提供的化妆品。可以利用从群体的数字图像收集的颜色信息来标识用于化妆品的颜色的调色板或辅助进行临床研究。
文档编号G01J3/00GK101523169SQ200780036479
公开日2009年9月2日 申请日期2007年10月1日 优先权日2006年10月2日
发明者D·杰克逊, G·帕俑克, N·科列斯 申请人:强生消费者公司