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CN101553819B - 用于捕捉和分析皮肤的数字图像的成像装置和方法 - Google Patents

用于捕捉和分析皮肤的数字图像的成像装置和方法 Download PDF

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CN101553819B CN2007800439197A CN200780043919A CN101553819B CN 101553819 B CN101553819 B CN 101553819B CN 2007800439197 A CN2007800439197 A CN 2007800439197A CN 200780043919 A CN200780043919 A CN 200780043919A CN 101553819 B CN101553819 B CN 101553819B
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Abstract

用于在多个照射条件下获取对象的多个数字图像并存储和分析该数字图像的成像站包括外壳，该外壳包括类似照相机和录像机的数字图像捕捉装置、用于处理图像数据的计算机和用于显示人的图像的一个或多个显示器。成像站帮助在图像捕捉期间控制照明并可用于最佳地定位对象以进行成像。计算机可被编程以进行各种图像处理功能并可被连网以允许图像共享。可设置在外壳的外部的显示器使操作员可视对象并控制成像过程。成像站可用于教示目的。

Description

用于捕捉和分析皮肤的数字图像的成像装置和方法
发明领域
本发明涉及评价和分析皮肤的装置和方法，且尤其涉及数字成像和分析获取的对象的数字照片。该分析可相对于同一对象在另一时间获取的另一照片或相对于所获取的另一人或多个人的一个或多个照片定量和比较。
发明背景
已经提出多种成像系统，它们通过照相捕捉人脸的图像用于对皮肤的健康和美学外观进行分析。在不同时间或不同照明条件下捕捉的不同图像可被使用或相互比较以获得对皮肤情况及其对治疗处理的响应的了解。这通常是通过人工操作员检查照片以识别皮肤情况的某些可视指示并确定照片之间的变化来完成的。成像系统对人工感知和手动输入较少的依赖将是有益的。例如，在分析人脸皮肤中，针对特定相关联的属性检查脸部的特定区域是有益的，因为脸部的不同区域在形式和功能上都是特定的，而且与环境不同地相互作用。某些皮肤成像系统使用经专门训练的人工操作员来识别脸部区，这些经专门训练的人工操作员通过手动触摸(触敏式输入/输出屏的输入笔)或指向(利用光标并且点击或其它方式指示)所显示的脸部图像上的基准点或在图像上绘制(利用输入笔或光标/鼠标)多边形以识别感兴趣的脸部区。尽管有效，但这些手动操作是劳动密集的且需要经专门训练的操作员。因此在图像上自动识别脸部区以增加脸部区识别的速度和一致性并减少对操作员输入的依赖性对于成像系统是有益的。
尽管数字皮肤成像分析的科学已经识别出作为各种皮肤情况参数的有用指示的各种皮肤响应，但仍然期望识别并使用指示皮肤情况的另外的特定皮肤响应。例如，有益的是识别指示光损伤并可靠地量化和测量这种指示性的皮肤响应的皮肤成像技术。皮肤情况的指示之一是颜色响应。肤色相对于化妆品的选择和设计也是重要的。在按照RGB像素强度的颜色表达方面有内在的限制。因此有益的是改进评价肤色/亮度的当前方法，例如，用于评价皮肤情况和/或用于诸如化妆品的皮肤产品的选择和设计。
因为成像是利用复杂装置的技术活动，所以目标仍然是改进数字成像和分析装置的用户友好性并促进数字成像期的容易和有效，以及增强治疗专家/临床医生和病人/客户之间在经历数字成像期时的交互。
发明内容
通过本发明克服了用于皮肤成像和分析的已知装置和方法的缺点和限制，本发明包括用于在给定的周围照明环境中捕捉对象的图像的成像站。成像站具有带孔——其中对象呈现在此处用于捕捉该对象的图像——的外壳、数字图像捕捉装置、用于在图像捕捉期间照射对象的发光体、以及用于控制图像捕捉装置和发光体的计算机。外壳包含该数字图像捕捉装置和发光体，并且在捕捉对象的数字图像时，如果环境光存在于周围照明环境中则至少部分地限制环境光。在本发明的一个实施例中，成像站具有在多种照射条件下获取对象的多个数字图像、存储、显示和分析该数字图像的能力。
附图简述
图1是根据本发明的数字成像系统的图解示图。
图2是根据本发明实施例的图像捕捉装置的立体图。
图3和4分别是从背面和侧面观看的图1的成像装置的透视图。
图5是类似图3和4的透视图，但示出本发明的替换实施例。
发明详细描述
图1图解示出具有照射光源12(例如闪光灯)和数字照相机14的数字成像装置10。对象S的图像被照相机14记录成RGB(红、绿、蓝)格式的像素值矩阵16的形式。值矩阵16通常由拜尔滤光紧密耦合显示(CCD)产生，且该信息被存储在诸如计算机17的随机存取存储器(RAM)之类的存储设备中或存储在闪存卡上。RGB数据可被分离成通道或平面R、G和B，每种颜色一个平面。相对于对象S在不同位置设置的照射光LI的多种频率可用来捕捉对象S的数字图像以捕捉关于对象皮肤的不同信息。可在光源12和照相机14上分别采用滤光器18、20以控制投射在对象S上的光LI的光频率/极性，以及控制允许进入照相机14的光LR(从对象S反射或发出)。此类型的成像在题为“利用蓝光获取皮肤图像的方法及其用途(Method of Taking Images of the SkinUsing Blue Light and the Use Thereof)”且公开为美国专利申请公开No.US2004/0146290 A1的美国专利申请S/N.10/008,753、题为“获取和查看皮肤图像的装置和方法(Apparatus for and Method of Taking and Viewing Imagesofthe Skin)”且公开为美国专利申请公开No.2005/0195316 A1的美国专利申请S/N.10/978,284、以及题为“利用探针的皮肤成像系统(Skin ImagingSystem with Probe)”且公开为美国专利申请公开No.US 2006/0092315 A1的美国专利申请S/N.11/169,813中详细地描述，以上这些申请通过引用整体结合在本文中且作为附录1-3附加于此。除非特别描述，否则如本文参照图1-4描述的本发明具有上述美国专利申请中公开的特征和功能性。上述申请公开了皮肤情况和由各种照相参数——即照射光LI、滤光器18、20等等的特定组合——产生的图像之间的各种相互关系。对不同照射频率、角度、极性等等的皮肤响应能揭示关于皮肤情况的信息，而且皮肤情况的此证据可被记录在数字图像中并被再次调用以作分析之用。
因为所记录的图像是数字形式，即数值的像素强度值的形式，所以图像本身能用于诸如通过驻留在计算机17上的一个或多个程序进行定量分析。例如，代替只是注意在时间T1拍照的对象脸颊比在时间T2拍照的此人的图像更红或不及——如熟练的人工观察者所辨别地，脸颊的特定区域中的红色像素在时间T1和T2的强度值可被定量地比较。例如，可数学处理两个值以确定该像素的红素强度的实际变化。数字图像量化可用来辨别指定区域中的皮肤的平均值，例如通过对感兴趣的特定区域中的多个像素值求和然后再除以像素数。以此方式，例如整个脸部的皮肤区域可被定量地表征。可进行各种其它量化分析，例如，可测试皮肤的成像区的像素强度的标准偏差。
本发明认识到数字成像装置10可包括诸如调制解调器之类的通信装置，例如电缆和DSL调制解调器，以将数字图像数据和相关的通信从数字成像计算机17传送到远程计算机20，该远程计算机20可在诸如临床医生、美容师、病人或化妆品顾客的感兴趣的人的家中或工作场所。接收机然后可在其计算机20的监视器22上查看图像数据和其它相关的通信。这些通信可在因特网上利用有线或无线连接来进行。除向诸如临床医生、病人等其它方发送图像数据外，成像装置10还可经由相同的通信手段从其它方接收图像和相关数据。例如，化妆品顾客可利用本地CCD照相机24捕捉他们自己的图像，并将该图像例如作为电子邮件附件经由因特网转发到成像系统计算机17。该图像可被检查且由美容师准备响应通信并发送到该客户。响应通信可包含图像，例如与客户有关的过去获取的客户图像、与化妆品有关的图像等。这些可作为电子邮件消息的附件发送。本发明还认识到蜂窝电话26可用于捕捉图像信息并在成像站10处的各方与远程各方之间传送图像信息和相关通信。
图2示出具有一般的球形外壳32的成像站30。外壳32可支承在诸如柜台或桌子的平坦表面上，或用可旋转安装件来设置，正如本领域的技术人员所已知的。腮托34位于隧道或“漏斗”36的开口端，隧道或“漏斗”36延伸到外壳32的内部。在隧道36的与腮托34相对的另一端，诸如反射镜或如平板显示器的显示器之类的自显像面板38使成像站30的用户在他们将其下颚放在腮托34上时能看到自己。在外壳32的外表面上的操作员显示器40使得诸如皮肤科医生、临床医生或美容师之类的操作员能够观察到数字图像，例如所获取的使用成像站30的对象的图像。操作员显示器40可以是用作操作员界面的触摸屏显示器，从而操作员可将输入提供给成像站，例如以命令、数据、菜单选择或通过用输入笔在显示器40上绘制的图形输入形式。在已经捕捉数字图像之后，操作员显示器40可用于向操作员和对象人显示捕捉的图像，操作员和该对象人可同时观看并讨论图像和其中所示的内容。
图3和4示出成像站30具有紧邻自显像面板38定位的用于捕捉对象人(成像站的用户)的数字图像的数码照相机42。诸如闪光灯或其它照相闪光的发光体44紧邻照相机42定位用于在获取照片时照射对象。具有相关联的位置控制电动机和位置传感器(未示出)的滤光轮46、48分别过滤从发光体44发射的光和进入照相机42的光。发光体44、照相机42和/或相关联的滤光轮46、48都可移动以实现用于成像的不同方向。计算机50——例如个人计算机(PC)——控制成像期，通过扬声器和/或在操作员显示器40上向操作员提供指令，并接收来自操作员的输入，对发光体44、滤光轮46、48和照相机42进行供电和触发。数字图像存储在照相机42中并由计算机50存储在诸如RAM和/或DVD录像机52之类的至少一个存储设备上。外壳还包括其它必需的外围设备，诸如闪光灯电源组54、用于计算机50的电源56和用于操作员显示器40的电源58。成像站30的各组件的定位由其物理包装和外壳34内的容纳来确定，且可取决于其特定的外部尺寸按需要重新定位。
在化妆和健康角度评述和评价皮肤时，光特性(例如，反射、散射、偏振、激发波长和激发频带)控制得越好，所得到的皮肤数据和分析就越好。图5和6示出光导60和62，其可用于分别控制从发光体44发出的光和由照相机42捕捉的光。这是因为离开光源(即闪光灯)的光将自然地开始散射和色散。光导60帮助维持适当的光学特性以便照射脸部或其它物体，以便使将导致光产生较差质量图像的来自表面的任何干扰、光的去偏振或所分析的脸部或物体以外的材料(物体或表面)的荧光最小化。此外，由照相机42捕捉的散射光可干扰图像的锐度。光导62帮助消除散射光。光导60、62可分别由置于发光体44和照相机42前面的一个或多个平坦或弯曲表面形成。光导60、62可形成为正方形、广口形、圆锥形、截头圆锥形或圆形罩。优选的是，光导60、62的内表面64的颜色和纹理吸收光，例如，涂绘或制造成平坦的黑色。外表面的颜色和/或纹理不会影响由照相机42捕捉的图像的质量。应该理解，图4中描绘的光导60、62可通过将发光体44和照相机42更深入地移动到外壳32内——例如在屏幕38之后——而进一步凹入外壳32。结果，光导60、62可隐藏在外壳32内。如图5所示，滤光器46′、48′可设置在公用轮47上。
成像站32可设置有如公开No.2004/0146290、2005/0195316和2006/0092315所述的所有图像捕捉和处理装置，它们包含在外壳32内。成像站优选地具有旋转至少90度的能力，例如在支承表面或可旋转平台上和/或上下旋转和/或在高度上上升和下降，以适应各种高度和坐在各种座位安排上的用户。隧道36连同腮托34和自显像面板38协作，以将对象人定位在用于成像对象人的脸部的最高位置(相对于发光体44和照相机42)。隧道36还减少在成像期间环境照明的侵入，限制在成像期间发光体44工作时投射到环境的光，并向对象人提供隐私。操作员显示器40可用于在成像之前、期间和之后显像对象人，即照相机42可在实时/视频模式下操作，以在对象人将自己置于腮托34上并且另外准备经历成像(闭上他们的眼睛等)时显示对象人的移动图像。这种实时馈送可用于在操作员显示器40上以及自显像面板38(显示器)上显示对象。以此方式，操作员显示器40可用于显示照相机42“看到”的视图。如图所示，例如，在公开No.2005/0195316 A1中，照相机45和一个或多个照射发光体44将毗邻自显像面板38定位。在反射镜型自成像面板的情形中，反射镜材料可部分或全部地由“单向”玻璃或半透明反射镜形成。当然，如果不需要或不要求对象自显像的功能，例如在不预期用于对象控制的成像站30或依赖于给对象的口头命令且不需要给对象的视觉提示的成像站的情形中，则可省略或用诸如透明玻璃或塑料之类的透明面板替换自显像面板38。关于确保对象人已经闭上他的眼睛，由于操作员显示器40可用于通知操作员这种情况，所以操作员可知道例如通过按下操作员显示器40上的虚拟按钮触发成像是安全的。
计算机50优选地设置有多个数据端口，例如，USB和/或以太网端口和/或1394“火线”、无线容量或其它接口标准，用于例如在类似因特网的网络上与其它计算机共享由成像站30捕捉的数据，并用于从其它计算机接收数据用于在成像站30上显示，例如，来自总体研究的成像数据、护肤品信息等。打印机(未示出)还可与成像站30结合使用以打印关于皮肤情况和对象人的治疗的图像、建议和/或信息。
正如在2006年10月2日提交为临时申请No.60/848,741且通过引用整体结合于此的题为“识别脸部区的方法和装置(Method and Apparatus forIdentifying Facial Regions)”的共同待审批、共同所有的专利申请中所描述的，皮肤情况的定量分析可通过识别皮肤的特定区域——例如脸部——而简化或改进。这种对感兴趣的区域的识别可通过将瞳孔或闪光闪烁识别作为绘制脸部区的基准点自动进行。
正如在2006年10月2日提交为临时申请No.60/848,768且通过引用整体结合于此的题为“利用L*a*b*彩色空间分析皮肤的装置和方法(Apparatus andMethod for Analyzing Skin Using L*a*b*Colorspace)”的共同待审批、共同所有的专利申请中所描述的，对指示皮肤情况的皮肤光响应的识别、皮肤情况的量化分析、颜色和亮度可通过将数字图像数据从RGB格式转换成L*a*b*格式而简化和改进。正如在申请No.60/848,768中所描述的，将RGB图像数据转换成L*a*b*彩色空间数据的过程对本领域的普通技术人员是已知的，例如，在Charles Poynton，数字视频的技术介绍(A Technical Introduction to DigitalVideo)(J.Wiley&Sons)第7章，“Color Science”中所描述的。申请No.60/848,768还公开了，脸部区可通过操作员用光标工具标记所显示的图像或通过有计划地分析图像数据以识别与诸如瞳孔之类的独特基准点一致的像素值来识别，该基准点可具有独特的颜色(黑色或闪光闪烁)、形状(圆)、大小、间距和方向。一旦识别瞳孔，就可根据经验确定的与瞳孔的空间/尺寸关系相对于此计算脸部区。RGB至L*a*b*转换可用于帮助从可用的化妆品颜色调色板中为个人选择化妆品，或可用于在定义由总体使用的颜色调色板时选择/设计化妆品的色调。
正如在2006年10月2日提交为临时申请No.60/848,767且通过引用整体结合于此的题为“测量对皮肤的光损伤的装置和方法(Apparatus and Method forMeasuring Photodamage to Skin)”的共同待审批、共同所有的专利申请中所描述的，皮肤对蓝光照射的绿色响应强度可用于识别和量化例如由于弹性纤维性材料的存在而对皮肤的光损伤。此外，可数值地表征并统计分析有关光损伤和/或其它皮肤情况的总体数字皮肤成像数据。皮肤响应的数字图像的定量分析——诸如作为光损伤的指示的在脸部表面上绿色信号响应的变化度——可用于评价光损伤，并得出相对于总体的皮肤情况的数字或分数。
正如在2006年10月2日提交为临时申请No.60/848,707且通过引用整体结合于此的题为“用于荧光成像的校准装置和方法(Calibration Apparatus andMethod for Fluorescent Imaging)”的共同待审批、共同所有的专利申请中所描述的，可在例如蓝色荧光照相期间的成像期间采用校准标准，以识别在不同时间获取的图像之间的照射强度的变化。在识别出照射强度已经变化的情况后，可通知成像装置的操作员改正导致照射变化的条件。或者，成像装置可通过调节照射光的强度或通过数字图像处理归一化图像来补偿该变化。
在通过引用结合的上述申请中所公开的每项发明可被利用并结合在本发明的成像站30中。这样做，通过它们的组合和相互关系实现了某些协作。例如，手动或自动识别脸部区域的能力可用于某些脸部区域——例如脸颊——的颜色确定或脸颊、前额和下颚的组合的“平均颜色”。识别某些区域的肤色的能力有助于使化妆品与这些区域或这些区域的组合相匹配。例如，在选择或设计化妆品粉底的颜色时，有益的是知晓脸部区：脸颊、前额和下颚的平均颜色并排除嘴唇、眉毛和眼睛对颜色的贡献。
脸部区的识别还可与涉及确定光损伤的申请的教义结合地在成像站30中使用，因为皮肤的特定区域由于皮肤组成和曝露的可能性而更易于受到光损伤。在与其有关的申请中教示的校准装置和技术可用于成像站30，因为可归一化任一组数字图像以补偿与归因于皮肤变化的响应强度变化区别的照射强度的变化。
成像站30提供获取关于个人皮肤的外观和光响应特性的数字图像数据信息的装置和方法。因为本发明可由很多人使用，所以从使用本发明获取的数据以及诸如由他人使用不同的装置和方法制作的数字图像之类的从其它源获取的数据可用于相对于他人分析个体。如例如在通过引用结合于此的题为“用于测量对皮肤的光损伤的装置和方法(Apparatus and Method for MeasuringPhotodamage to Skin)”的申请中所指出的，可定量分析数字图像以提供皮肤情况的离散测量。或者，用于评价皮肤情况的传统方法是通过个人基于图像的外观的判断。这些年来，已经表明有经验的临床医生可基于他们的视觉感知——例如比较在两个不同时间获取的两个图像——准确地且有效地辨别皮肤情况的变化。因此，本发明认识到在形成皮肤情况的准确评价时对皮肤情况的人感知判断的价值。这种人感知测量可与量化的自动方法并行使用以相互确认从而增加两者的可信性。
本发明包括用于训练、实现和测试对象人的图像的视觉分析的方法。更具体地，为了训练人们基于图像感知且精确判断皮肤情况，可收集图像的训练集合。训练集合可以是随时间获取的人的一组图像，示出其随时间的皮肤情况。该图像集合可分成各种类别，例如，一个类别可以是用蓝光获取的图像并对皮肤的绿色信号响应敏感以指示光损伤。该图像集合然后可被作为经训练的专业人员且已证明精通基于查看对象人的皮肤图像来确定皮肤情况的一个或多个人查看。该精通的个人然后将图像集合排序成从最差情况延伸至最佳情况的情况范围。这种排序可与量化分析结合进行。例如，可考虑六个图像并从最好至最差排列，示出由对象人表现的有关光损伤的皮肤情况的谱。在开发出这种图像的基准集合或训练集合后，向被训练的人教示要查找的视觉指示以辨别光损伤。然后向受训者示出由计算机随机选择的训练图像集合，例如一次两个图像，并要求其描述两个所显示的图像中哪一个相对于光损伤较好或较差。在呈现图像时，较好和较差的图像的位置(在显示器的右侧或左侧、上侧或下侧)是随机的，使得显示位置不会与皮肤情况有关。在受训者能够一致成功地识别较好和较差的图像后，即与具有经证实的专业技能的专业人员的结论相匹配，则可判断受训人已经了解从数字图像辨别皮肤情况的必要感知。
假设某人可获得判断皮肤情况的适当训练，则呈现多个图像并接收较好或价差判断的相同的自动技术可被应用于评价个人随时间的皮肤情况的过程。例如，如果某人已经经历一系列的成像期，例如2年的时间段中的10个成像期，则可向临床医生自动和随机地呈现从这些成像期获取的一系列图像并将它们分类成比另一个所显示图像更好或更差。可重复该过程直到清楚地建立相对排列的无偏重复模式，证明可再现的临床判断。从这一判断，可建议对象人何时其皮肤表现出其最佳情况、最差情况、改进或恶化的模式等。可应用这种类型的分析来度量治疗的成功和失效，并结合量化方法使用以提供平稳、可靠的分析。
用于训练和/或临床评价皮肤情况的上述方法可在成像站30上进行。例如，在成像期之后，临床医生可进行由对象人目睹的诊断评价。
应当理解，本文所述的实施方式仅仅是示例性的，本领域的技术人员可以在不背离本发明精神和范围的前提下进行许多改变和改进。所有的这些改变和改良都包括在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于在给定的周围照明环境中捕捉对象的图像的成像站，包括：
具有孔的外壳，其中所述对象呈现在所述孔处用于捕捉其图像；
用于捕捉数字图像的照相机；
用于在图像捕捉期间照射所述对象的发光体；
对用户可视的并置于外壳中的第一显示器，用于显示由所述照相机捕捉的所述对象的数字图像并允许所述对象在他们呈现到所述孔而出现时看到自己；
在所述外壳的外部可视的第二显示器，用于显示由所述照相机捕捉的所述对象的数字图像，所述第二显示器呈现可操作界面，通过所述界面控制所述成像站；
用于控制所述照相机、所述第一和第二显示器、和所述发光体的计算机，所述外壳包含照相机和所述发光体，并包括从所述孔朝向所述相机和所述发光体延伸的隧道，并且在捕捉所述对象的数字图像且在第一显示器上观察图像时，如果环境光存在于周围照明环境中，所述隧道至少部分地限制环境光。
2.如权利要求1所述的成像站，其特征在于，还包括第一可移动滤光器，用于影响由所述发光体发出用于照射所述对象的光，使得可利用所述成像站捕捉多种不同类型的图像。
3.如权利要求2所述的成像站，其特征在于，所述第一可移动滤光器设置在所述外壳内的滤光轮上，可在所述发光体前旋转以表现为至少两个位置，第一位置过滤来自所述发光体的光且第二位置不过滤来自所述发光体的光。
4.如权利要求3所述的成像站，其特征在于，还包括第二可移动滤光器，其相对于所述照相机具有多个位置，第一位置过滤进入所述照相机的光且第二位置不过滤进入所述照相机的光。
5.如权利要求4所述的成像站，其特征在于，所述第一和第二可移动滤光器设置在共用的滤光轮上。
6.如权利要求1所述的成像站，其特征在于，所述外壳具有紧邻所述孔设置的腮托，用于容纳所述对象的下颚，所述外壳在位置上可相对于对象调节以将所述对象的下颚定位在所述腮托上。
7.如权利要求1所述的成像站，其特征在于，还包括光导，用于引导从所述发光体发出的光以及从所述对象指向所述照相机的光中的至少一个。
8.如权利要求1所述的成像站，其特征在于，所述计算机被编程以识别多个脸部区并将所述成像站捕捉的RGB彩色空间图像转换成L*a*b*彩色空间值以便于图像处理和量化分析。
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