CN104586397B

CN104586397B - 感觉等距法与聚类分析结合的中医舌色分类感知量化方法

Info

Publication number: CN104586397B
Application number: CN201510038719.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡轶珩; 林沙沙; 王立娜; 张新峰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104586397A

Abstract

感觉等距法与聚类分析结合的中医舌色分类感知量化方法属于中医望诊的客观化研究领域。使用聚类分析来确定舌色各分类的边界，以中医舌诊中舌色类型的描述规律作为心理感知评价指导依据，使用感觉等距法对各个分类建立心理感知等距量表。通过构建舌色物理量值与心理感知量值之间的数学关系模型，得到舌色物理量对应的符合中医舌色认知规律的心理感知量值。该发明的特征旨在通过二分法建立分类舌色的等距量表以提高中医舌诊描述习惯的舌色量化精确度，达到中医舌色定量及定性描述的目的。

Description

感觉等距法与聚类分析结合的中医舌色分类感知量化方法

技术领域

本发明属于中医望诊的客观化研究领域，特别涉及中医望诊中的舌色量化领域，用于提高随病症变化且符合中医认知规律的舌色量化与分级的精确度。

背景技术

中医舌诊是通过观察舌象变化了解人体生理功能和病理变化的诊察方法，在中医临床诊断中起着重要的作用。传统的舌诊方法依赖于中医的目视观察及语言描述，缺乏量化描述指标和客观记录手段，给中医舌诊描述及分类方面带来了困难。随着现代科学技术手段在中医舌诊方面的发展，舌诊客观化、标准化的研究已经成为中医舌诊重要的发展方向。

在舌色客观化的处理研究中，普遍应用数字图像处理和模式识别技术进行舌色分析。在这种模式下，每一种舌颜色都必须在某个颜色空间用多个分量表示，进而给出类别属性，但是仍缺乏一种随病症变化且符合中医认知习惯的单维量化及分级方式，对中医舌色进行定量度量和类别分析。因此建立舌色变化单维量化描述手段，并确定各类别的分类边界具有客观必要性。

发明内容

为了实现舌色在中医描述规律维度上的量化分级，需将人眼对舌色在这一变化规律下的心理感知进行量化，而心理物理学就是一门将人类感知进行量化的学科。对颜色这一主观感受进行度量的学科——色度学，也是通过心理物理学中观察者的视觉匹配实验发展而来的。由于人对物理刺激的感知具有主观性和差异性，并且感知量化的过程受到年龄、教育水平等多方面的影响，因此往往通过统计多个被试者的实验数据，得到具有一定公认度的量化描述规范。

本发明有针对性地采用了实验心理学中的视觉实验方法，解决舌色在中医描述规律维度上的分类量化问题。由于中医将舌色主要分为淡白、淡红、红、绛、紫、青6类，所以本发明采用将舌色分成5类，每个分类刻画的都是从淡红舌到各类舌色的过渡，然后再对每个分类进行量化，因此需要确定分类的边界。由于舌色的边界存在着模糊性，人对边界的感知差异性比较大，所以采用机器分类来确定舌色分类的边界——聚类分析。中医舌色的感知量化需要在量化方向的各部分具有相等的单位，采用间接方法制作等距量表的实验虽然简单易行，但是由于实验的数据量比较大，这使得实验被试者易产生疲劳，出现习惯误差与疲劳误差等，因此本发明特别提出采用感觉等距法直接制作等距量表以减少实验误差，提高实验的精确度，获得比较精确地舌色量化分级。

本发明具体方案设计如下：在舌色色域范围内，取出有代表性的舌色颜色块，作为感知刺激量值。以中医舌诊中舌色类型的描述规律作为心理感知评价指导依据，进行心理物理实验；使用聚类分析来确定舌色各分类的边界，再使用感觉等距法通过心理物理实验直接建立心理感知等距量表。通过构建舌色物理量值与心理感知量值之间的数学关系模型，得到舌色物理量对应的符合中医舌色认知规律的心理感知量值。该发明的特征旨在通过二分法建立分类舌色的等距量表以提高中医舌诊描述习惯的舌色量化精确度，达到简化中医舌色定量及定性描述的目的。依次包括如下步骤：

1.舌色域的确定：

为了提高实验过程中的精确度，剔除无效的舌色样本，本发明的物理刺激(实验颜色块)全部利用采集到的标准舌图像样本，涉及的心理物理实验均是在暗室条件下进行，通过一台经颜色矫正的LED显示器显示刺激颜色块。

(1)采集各类中医舌色标准图像样本(以标准sRGB空间描述)，需要包含淡白、淡红、红、绛、紫、青各类用例；每类用例需要包含100例以上的实例并且每个分类中的样本颜色分布均匀(即颜色不能集中在分类的某一小范围内)，由三位以上中医医师给出所属类型标定。

(2)提取所有图像样本中舌质部分的颜色物理量值(sRGB值)，并将其转换为与人类视觉相对应的CIELab颜色空间；根据所有舌色在L、a、b分量的分布范围，确定舌色域在L、a、b分量上的区间。

2.聚类分析确定舌色物理刺激量的分类范围：

中医舌色由于舌色的边界存在着模糊性，人对边界的感知差异性比较大，故本发明提出采用聚类分析的方法获取样本的三维聚类中心来对舌色感知的类别边界进行机器划分。具体步骤如下：

(1)、记录前述的6个分类中每个舌色样本(即物理刺激)在CIELab颜色空间的色度值L、a、b；

(2)、对各分类中物理刺激的色度值进行K均值聚类分析，得到淡红舌色度值分量的聚类中心L*、a*、b*，则(L*，a*，b*)就是淡红舌的聚类中心；同时又得到红舌与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r),绛舌与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr),青舌与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)。

(3)、确定各个分类的色度值范围，建立完整的舌色分类。具体做法如下：淡红色是正常的舌色，所以每个分类都是以淡红舌的聚类中心(L*，a*，b*)作为起点；而淡白舌的终点是sRGB中的标准白(L_w，a_w，b_w)；红舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r)；绛舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr)；青舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)。

3.感觉等距法建立分段等距量表

因为舌色量化需要的是量表各部分单位相等，没有绝对的零点，因此可以选用等距量表来满足要求，为了避免实验中可能存在的习惯误差和疲劳误差并且真正地反映人对舌色的心理感知，本发明选用感觉等距法(equal sense distance method)中的二分法(bisection)来制作等距量表。在心理物理实验中，被试者在每个分类的颜色范围中分别调整Lab三个分量值，调整的颜色结果以图像块的形式显示在显示器上，最终得到理想颜色块的分量值。

以把红舌划分成4等分为例具体介绍制作独立等距量表的步骤。首先确定红舌的两个边界值，即起点R1与终点R5，由上述实验第二步得到的两个点(L*，a*，b*)和(L_r，a_r，b_r)分别作为量表的起点R1与终点R5，在显示器显示边界颜色块R1和R5。被试者的任务就是把R1到R5之间的颜色块按颜色变化分成等分。设Rv为任意颜色物理刺激，可以是R1到R5之间的任意颜色。被试者通过调整Rv的L、a、b三个分量值使得R1到Rv的颜色感知距离与Rv到R5的颜色感知距离相等，在屏幕上操作的是调整Lab值，但是颜色块显示的是RGB值，其中的转换是在电脑后台进行的，通过调整之后则可以得到R1和R5的中间颜色块。为了消除时间误差，在调整过程中，有一半的次数是Rv＝R1的时候开始调整找到中间颜色块(渐增法)，另一半的次数令Rv＝R5的时候开始调整找到中间颜色块(渐减法)，本发明采用8次实验法，即4次渐增法与渐减法交叉进行。通过8次试验可以得到中间颜色块的Lab三分量的总和，以每个分量的平均值(L_avr，a_avr，b_avr)来作为平分R1和R5的颜色块R3。用相同的方法再依次求出平分R5与R3的颜色块R4，平分R1与R3的颜色块R2。由于实验是基于实验心理学方法，反映的是人类对舌色的心理感知，所以采用统计学方法通过增多实验人数来减少误差，本发明的实验次数至少24次。将24次实验的R2、R3、R4分别取平均值得到最终的颜色块值R2^*、R3^*、R4^*。

至此就完成了红舌4等分的等距量表制作。根据此法再逐个求出剩下4个类别的等距量表，完成所有分类的等距量表制作。

4.通过数学建模，得到舌色物理量值与心理感知量的函数关系

将舌色刺激物理量(L、a、b)作为输入量，等距量表心理感知量作为输出量，采用回归方法建立两者的函数关系模型。

5.中医舌色感知量化与分级

提取舌图像中需要量化的舌色sRGB值，并将其转换为Lab值，代入舌色物理量值与心理感知量的回归模型，即可得到该舌色的感知量化结果。

有益效果

舌诊是独具特色的中医诊法之一，民国以前的舌诊专著多以颜色分类来进行编写，可见色诊是舌诊的核心内容。但是由于传统中医对舌色的表述存在着模糊性(偏红、偏淡)，所以舌色的量化就显得尤为重要。由于使用传统心理物理方法间接制作等距量表不仅实验步骤过程繁琐，而且数据量大，极易产生较大误差；实验前期分类错误将直接导致实验失败。本发明针对以上缺点作了特别改变，采用直接制作等距量表的方法——二分法来实现将人对舌色的心理感知量化。针对人为对各类舌色范围确定存在的差异性和主观性，本发明提出采用聚类分析进行确定。

本发明依据中医诊断学中色诊的描述规律，运用实验心理学中的视觉实验方法实现舌诊中舌色的单维感知量化，即由舌图像中舌色像素值得到一个单维量值，其数量的大小表示舌色在舌诊渐变规律中的程度，同时确定各类舌色的分级边界。本方法首先采集各类舌色标准图像样本，需要包含淡白、淡红、红、绛、紫、青各类用例，共6类每类用例需要包含100例以上的实例，且由三位以上中医医师给出所属类型标定，经过图像预处理后得到舌色物理刺激量；依据已经分好的颜色类别，将每个类别中的颜色样本转换到Lab颜色空间计算出每个分量的值；聚类分析得到淡红舌的聚类中心以及各类舌色距离淡红舌的最远距离点；每个分类都是以淡红舌的聚类中心(L*，a*，b*)作为每个分类的起点；淡白舌的终点是sRGB中的标准白；红舌的终点是与淡红舌的最远距离点；绛舌的终点是与淡红舌的最远距离点；青舌的终点是与淡红舌的最远距离点，紫舌的终点是与淡红舌的最远距离点。依据前述得到的每个分类范围，由观察者对每个分类中的舌色刺激进行二分法的心理物理实验以得到等距量表，即各舌色刺激对应的心理感知量值，应用此法依次得到5个分类等距量表中所有舌色在等距量表中的对应量值。通过数学建模，得到舌色物理量值与心理感知量值的函数关系，从而对于任一舌色，可以得到其对应的中医认知维度上的心理感知量。

采用本方法，针对中医舌色描述规律，即淡白、淡红、红、绛、紫、青顺序建立分类量值数轴。如附图5所示，任一舌色可以通过建立的函数关系，得出在此数轴上的量值。由此，可以用一维量值简单直观地描述舌色属性以及偏离某基准色的程度。这种描述手段，将量化描述与中医认知规律相结合，突破了目前采用多维颜色空间描述舌色的局限性，实现了真正意义上的中医舌色量化表示。对于疾病程度、发展趋势同时提供定量及定性的依据，有利于推动舌诊客观化研究。

附图说明

图1：中医舌色感知量化分级方法流程

图2：6类舌色色度值在CIELab空间的分布

图3：舌色相关类别划分图

图4：淡红舌的颜色等距量表图

图5：中医舌色感知量化分级结果数据示例

具体实施方式

本发明中涉及的心理物理视觉实验均是在暗室条件下进行，通过一台经颜色校正过的LED显示器显示刺激色块，对24位以上具有正常色觉的观测者进行心理物理实验。具体实施过程参见附图1，如下：

对于舌色诊断的分析研究而言,由于CIELab系统是描述视觉感知的颜色度量体系,对颜色的描述不依赖于所用设备,因此在对舌色进行分析时,能够更加客观、真实地度量舌色。在此空间中研究舌色的色域分布及分类,也更加符合中医舌色视觉判断的实际情况,能够更准确地找到舌色定量描述和实际判断之间的联系。故本文对舌色的分析研究均是基于CIELab进行的。具体实施过程参见附图1，如下

1.舌色域的确定：

为了提高实验过程中的精确度，剔除无效的舌色样本，本发明的物理刺激(实验颜色块)全部利用采集到的标准舌图像样本。

2.聚类分析确定舌色物理刺激量的分类范围：

由中医舌色由于舌色的边界存在着模糊性，人对边界的感知差异性比较大，故本发明提出采用聚类分析的方法获取样本的三维聚类中心来对舌色感知的类别边界进行机器划分。具体步骤如下：

(2)、对各分类中物理刺激的色度值进行K均值聚类分析，得到各淡红舌色度值分量的聚类中心L*、a*、b*，则(L*，a*，b*)就是淡红舌的聚类中心；同时又得到红舌与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r),绛舌与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr),青舌与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)。例如对淡红舌色度值进行聚类分析，L*的最大值为71.86，最小值为33.80；a*的最大值为44.55,最小值为17.69；b*的取值最大值为27.00，最小值为-2.51。淡红舌的聚类中心位置的色度值为：(L*，a*，b*)＝(58.69,26.92,12.19)。

(3)、确定各个分类的色度值范围，建立完整的舌色分类。具体做法如下：淡红色是正常人的舌色，所以每个分类都是以淡红舌的聚类中心(L*，a*，b*)作为起点；而淡白舌的终点是sRGB中的标准白(L_w，a_w，b_w)；红舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r)；绛舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr)；青舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)。

3.感觉等距法建立分段独立等距量表

因为舌色量化需要的是量表各部分单位相等，没有绝对的零点。因此可以选用等距量表来满足要求，为了避免实验中可能存在的习惯误差和疲劳误差并且真正地反映人对舌色的心理感知，本发明选用感觉等距法(equal sense distance method)中的二分法(bisection)来制作等距量表。在心理物理实验中，被试者在每个分类的颜色范围中分别调整Lab三个分量值，调整的颜色结果以图像块的形式显示在显示器上，最终得到理想颜色块的分量值。

以把红舌划分成4等分为例具体介绍制作独立等距量表的步骤。首先确定红舌的两个边界值，即起点R1与终点R5，由上述实验第二步得到的两个点(L*，a*，b*)和(L_r，a_r，b_r)分别作为量表的起点R1与终点R5，则在显示器显示边界颜色块R1和R5。被试者的任务就是把R1到R5之间的颜色块按颜色变化分成等分。设Rv为任意颜色物理刺激，可以是R1到R5之间的任意颜色。被试者通过调整Rv的L、a、b三个分量值使得R1到Rv的颜色感知距离与Rv到R5的颜色感知距离相等，在屏幕上操作的是调整Lab值，但是颜色块显示的是RGB值，其中的转换是在电脑后台进行的，通过调整之后则可以得到R1和R5的中间颜色块。为了消除时间误差，在实验的调整过程中，有一半的次数在Rv＝R1的时候开始调整找到中间颜色块(渐增法)，另一半的次数令Rv＝R5的时候开始调整找到中间颜色块(渐减法)，本发明采用8次实验法，即4次渐增法与渐减法交叉进行。

表1平分颜色距离的实验记录

↓表示由R5调整到R1；↑表示由R1调整到R5

通过8次实验可以得到中间颜色块的Lab分量的总和，以每个分量的平均值(L_avr，a_avr，b_avr)来作为平分R1和R5的颜色块R3。用相同的方法再依次求出平分R5与R3的颜色块R4，平分R1与R3的颜色块R2。

由于实验是基于实验心理学方法，反映的是人类对舌色的心理感知，所以采用统计学方法通过增多试验人数来减少误差，本发明的试验次数至少24次。最后对24次中的R2、R3、R4取平均值得到最终的R2^*、R3^*、R4^*，至此就完成了红舌4等分的等距量表制作。

表2平分颜色距离的实验结果

颜色色度	R1	R2^*	R3^*	R4^*	R5
						距离单位	0	1	2	3	4

根据表2的数据，以舌色的距离为纵坐标，以色度值为横坐标，画出的曲线如图4所示。这也就是红舌的等距量表。从图4上可以查出在量表范围内的任何色度值的颜色系列来。

根据此法逐个求出剩下4个类别的等距量表，至此舌色的分段等距量表就制作完成。

5.中医舌色感知量化与分级

Claims

1.感觉等距法与聚类分析结合的中医舌色分类感知量化方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

1).舌色域的确定：

舌色样本即物理刺激全部利用采集到的标准舌图像样本，涉及的心理物理实验均是在暗室条件下进行，通过一台经颜色矫正的LED显示器显示刺激颜色块；

(1)采集各类中医舌色标准图像样本以标准sRGB空间描述，需要包含淡白、淡红、红、绛、紫、青各类用例；每类用例需要包含100例以上的实例由三位以上中医医师标定每个样本的所属分类；

(2)提取所有图像样本中舌质部分的颜色物理量值sRGB值，并将其转换为与人类视觉相对应的CIELab颜色空间；根据所有舌色在L、a、b分量的分布范围，确定舌色域在L、a、b分量上的区间；

2).聚类分析确定舌色物理刺激量的分类范围：

采用聚类分析的方法获取样本的三维聚类中心来对舌色感知的类别边界进行机器划分；具体步骤如下：

(1)、记录前述的6个分类中每个舌色样本即物理刺激在CIELab颜色空间的色度值L、a、b；

(2)、对各分类中物理刺激的色度值进行K均值聚类分析，得到淡红舌色度值分量的聚类中心L*、a*、b*，则(L*，a*，b*)就是淡红舌的聚类中心；同时又得到红舌与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r),绛舌与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr),青舌与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)；

(3)、确定各个分类的色度值范围，建立完整的舌色分类；具体做法如下：淡红色是正常的舌色，所以每个分类都是以淡红舌的聚类中心(L*，a*，b*)作为起点；而淡白舌的终点是sRGB中的标准白；红舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_r，a_r，b_r)；绛舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cr，a_cr，b_cr)；青舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_cy，a_cy，b_cy)，紫舌的终点是与淡红舌的最远距离点(L_pur，a_pur，b_pur)；

3).感觉等距法建立分段等距量表

选用感觉等距法中的二分法来制作等距量表；在心理物理实验中，被试者在每个分类的颜色范围中分别调整Lab三个分量值，调整的颜色结果以图像块的形式显示在显示器上，最终得到理想颜色块的分量值；

以把红舌划分成4等分为例具体介绍制作独立等距量表的步骤；首先确定红舌的两个边界值，即起点R1与终点R5，由上述步骤2).聚类分析确定舌色物理刺激量的分类范围中的第(2)步骤得到的两个点(L*，a*，b*)和(L_r，a_r，b_r)分别作为量表的起点R1与终点R5，在显示器显示边界颜色块R1和R5；被试者的任务就是把R1到R5之间的颜色块按颜色变化分成等分；设Rv为任意颜色物理刺激，是R1到R5之间的任意颜色；被试者通过调整Rv的L、a、b三个分量值使得R1到Rv的颜色感知距离与Rv到R5的颜色感知距离相等，在屏幕上操作的是调整Lab值，但是颜色块显示的是RGB值，其中的转换是在电脑后台进行的，通过调整之后则得到R1和R5的中间颜色块；为了消除时间误差，在调整过程中，有一半的次数是Rv＝R1的时候开始调整找到中间颜色块，另一半的次数令Rv＝R5的时候开始调整找到中间颜色块；通过试验得到中间颜色块的Lab三分量的总和，以每个分量的平均值(L_avr，a_avr，b_avr)来作为平分R1和R5的颜色块R3；用相同的方法再依次求出平分R5与R3的颜色块R4，平分R1与R3的颜色块R2；由于实验是基于实验心理学方法，反映的是人类对舌色的心理感知，所以采用统计学方法通过增多实验人数来减少误差，实验次数至少24次；将24次实验的R2、R3、R4分别取平均值得到最终的颜色块值R2^*、R3^*、R4^*；

至此就完成了红舌4等分的等距量表制作；根据此法再逐个求出剩下4个类别的等距量表，完成所有分类的等距量表制作；

4).通过数学建模，得到舌色物理量值与心理感知量的函数关系

将舌色刺激物理量(L、a、b)作为输入量，等距量表心理感知量作为输出量，采用回归方法建立两者的函数关系模型；

5).中医舌色感知量化与分级

提取舌图像中需要量化的舌色sRGB值，并将其转换为Lab值，代入舌色物理量值与心理感知量的回归模型，得到该舌色的感知量化结果。