CN108709863A - 基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法和测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法和测量装置，该方法是通过手机闪光灯或者环境光照射到皮肤上发生漫反射，被手机镜头接收，经过四色滤光膜分光后，形成单色光输入到手机CMOS图像传感器，获取人体皮肤图像信息，再将图像信息进行数据处理，获得与图像信息对应的皮肤表面吸收光谱数据信息，针对水分在红、绿、蓝三基色和近红外四个不同波段的吸收程度不同，利用差分光谱法对红、绿、蓝三基色波段和近红外波段的光谱数据进行计算，得到皮肤水分含量；其光谱测量装置由手机镜头透镜、镜架、四色滤光膜、手机CMOS图像传感器和线路板构成。本发明提供的皮肤含水量测量方法步骤简单，其光谱测量装置具有图像分辨率高，多光谱能量利用率高及可与手机摄像头集成的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测和医学领域，具体涉及一种基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法和集成于手机内部的光谱测量装置。
背景技术
随着智能手机的普及，将人体生理参数测量功能嵌入到手机等智能移动设备是移动健康的发展趋势。皮肤是人体的重要屏障，皮肤水分对于保护人体及皮肤有重要的意义，为了改善皮肤的含水程度，各种保湿类化妆品应运而生。皮肤含水量的测量可以作为评价人体健康状态及保湿类产品作用效果的重要参数。本发明一方面基于光谱技术通过实验测量和数据计算开展确定人体皮肤水分的测量方法。另一方面通过硬件小型化设计了内置于手机中的光谱采集系统。
目前，与本申请技术方案相近的已有技术有公开号CN105380646A的发明专利，公开了一种人体肌肤水分检测系统及方法，利用脉冲信号激励的人体皮肤容抗测量方法，公开号CN204318756U的发明专利，公开了一种蓝牙皮肤水分检测仪，是基于生物电阻抗原理来检测皮肤含水量，上述两种方法属于接触式测量，缺点是对人体皮肤会产生影响，另外对水分的较大变化有明显反应，对缓慢和微小变化则无能为力。
公开号CN104535526A的发明专利，公开了一种基于微型计算机Edison的线性渐变滤光片式手持智能光谱仪，解决了现有近红外光谱仪存在的检测功能单一，无法检测完整光谱的问题。该光谱仪将模拟信号经模数转换器转换成数字信号传输给微型计算机Edison，微型计算机Edison对数字信号进行分析处理得到光谱数据，微型计算机Edison运用WIFI模块与网络连接，上传光谱数据至网络数据库。此光学系统虽然体积小，重量轻，但还不能实现集成于手机中。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法，本发明还提出了利用上述方法的光谱测量装置，该光谱测量装置结构简单、紧凑，通过结构的巧妙设计，省去传统光谱仪中采用的准直、校准及聚焦等物镜，使光谱仪外形尺寸小，且分辨率高，光谱探测范围宽，可实现集成于手机中。
本发明的目的是这样实现的：一种基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、测定人体皮肤表面图像信息：用手机闪光灯或者环境光照射脸部或手部皮肤上发生漫反射，反射光被手机镜头接收，经过四色滤光膜分光后，形成单色光输入到手机CMOS图像传感器，获取人体皮肤表面图像信息。所述的四色滤光膜由蓝光波段(400-520nm)、绿光波段(520-600nm)、红光波段(600nm-730nm)和近红外波段(730-900nm)透光膜构成，不同波段透光膜单元的大小相等并且和手机CMOS图像传感器的像元尺寸相等，四种不同波段透光膜单元的位置关系如图4所示，左上白色是近红外透光膜，右上红色是红光透光膜，左下蓝色是蓝光透光膜，右下绿色是绿光透光膜，四个颜色构成一组重复单元，四色滤光膜由很多组这样的重复单元构成；
步骤2、图像信息转换成光谱数据信息：对手机拍摄的皮肤图像在不同波段(蓝光、绿光、红光和近红外波段)的亮度值进行提取，用亮度值作为相应波段的光强度值I0(R)，I0(B)，Io(G)和I0(IR)，即获得与图像信息对应的光谱信息(图像中颜色和亮度值分别对应光谱中的波段和光强值)。
步骤3、差分法计算皮肤含水量：针对水分在红、绿、蓝三基色和近红外四个波段的光吸收程度不同，采用差分光谱法将红、绿、蓝三基色和近红外波段光强值做差分计算，得出皮肤水分含量。
具体计算方法如下：
根据朗伯比尔定律I0(λ)＝Ii(λ)×F(λ)+Ii(λ)e(-δ(λ)·C·L) (1.1)
公式中的各参量表示如下：I0(λ)为探测光光强，由步骤2中亮度值到光强值转化获得；Ii(λ)为入射光光强；C为皮肤含水量，L为光线可以穿透进入皮肤的深度，δ(λ)为在波长λ处的吸收系数，F(λ)为表面光谱反射率；
红、绿、蓝及近红外四个波段接收到的光强均满足朗伯比尔定律，因此有：
红光波段光强I0(R)＝Ii(λ)×F(R)+Ii(λ)e(-δ(R)·C·L) (1.2)
绿光波段光强I0(G)＝Ii(λ)×F(G)+Ii(λ)e(-δ(G)·C·L) (1.3)
蓝光波段光强I0(B)＝Ii(λ)×F(B)+Ii(λ)e(-δ(B)·C·L) (1.4)
近红外波段光强I0(IR)＝Ii(λ)×F(IR)+Ii(λ)e(-δ(IR)·C·L) (1.5)
由于皮肤的结构特点，可以近似认为皮肤表面对红、绿、蓝及近红外波段光的反射率相等，即F(R)≈F(G)≈F(B)≈F(IR)，将红、绿、蓝三基色分别与近红外波段作差分，可以滤除反射光的影响，计算公式如下所示：
由公式(1.6)和(1.7)得：
由公式(1.6)和(1.8)得：
方程(1.9)和方程(1.10)右边的C和L为未知数，其他参数I0(λ)和δ(λ)均为已知数，两个方程，两个未知数，方程可解，解出的C即为皮肤含水量。
所述图像信息转换成光谱数据信息过程以及含水量计算过程可以通过后续开发手机App实现。
一种基于手机平台的皮肤含水量测量装置，该装置包括手机镜头透镜1、镜架2、四色滤光膜3、手机CMOS图像传感器4和线路板5，所述手机镜头透镜1设置在镜架2的上端，手机CMOS图像传感器4和线路板5依次设置在镜架2的下端。所述四色滤光膜3设置在手机镜头透镜1和手机CMOS图像传感器4之间。
其中，手机镜头透镜1将皮肤表面漫反射光耦合，并传送到手机镜头光学出口，镜架2用来固定透镜1和四色滤光膜3，探测光经过四色滤光膜3分光后的单色光输入到手机CMOS图像传感器4，获取人体皮肤图像信息。对皮肤图像在不同波段(蓝光、绿光、红光和近红外波段)的亮度值进行提取，用亮度值作为相应波段的光强度值，即获得与图像信息对应的光谱信息(图像中颜色和亮度值分别对应光谱中的波段和光强值)。调用计算公式(1.9)和(1.10)计算皮肤表面含水量。图像处理、水分含量计算过程及计算结果显示在可在后续开发手机App中实现。
本发明原理：本发明所述的基于光谱技术检测皮肤含水量的测量原理为皮肤和水的吸收峰都处在相同波段，但皮肤组织其他成分对于可见和近红外辐射的吸收较弱且吸收系数相同，而水分对于可见和近红外波段的光吸收系数差异很大，如图5所示。这为差分光谱法检测皮肤水分含量提供了理论依据。通过反射光谱法来检测投射到皮肤表面的漫反射光谱，从光谱中获得皮肤光谱特性信息。测量装置利用手机闪光灯或者环境光照射皮肤表面，然后将携带着皮肤表面物质信息的光耦合进手机镜头透镜1，再经四色滤光膜3分光后，入射到手机CMOS图像传感器4像面处，得到皮肤表面图像信息。对皮肤图像在不同波段(蓝光、绿光、红光和近红外波段)的亮度值进行提取，用亮度值作为相应波段的光强度值，即获得与图像信息对应的光谱信息(图像中颜色和亮度值分别对应光谱中的波段和光强值)，再经差分计算得到皮肤含水量。
本发明的有益效果为：
1、本发明基于光谱检测技术，属于非接触检测，对人体无损伤。
2、本发明基于光谱技术，包含了图像信息和光谱信息的优点，又具备光谱检测灵敏度高的特点，可实现从可见、近红外光谱波段范围的检测，能够完成对皮肤含水量的检测。
3、本发明检测方法操作简单方便，与相关数据库的建立，可提升实际检测速度及检测结果的精确性。
4、本发明采用四色滤光膜作为分光系统，避免了传统光学系统前置光路准直系统，使光学系统结构更加紧凑，实现集成于手机中。
5、本发明提供的基于手机平台皮肤含水量测量装置，具有图像分辨率高，多光谱能量利用率高及可与手机摄像头集成的优点。
附图说明
图1是本发明光谱技术测量皮肤含水量测量方法工艺流程图。
图2是本发明集成于手机中的光谱采集装置结构分解示意图。
图3是本发明集成于手机中的光谱采集装置结构剖示图。
图4是本发明四个颜色透光膜构成的一组重复单元结构示意图。
图5是本发明多组重复单元构成的四色滤光膜结构示意图。
图6是本发明水在可见‐近红外波段的吸收系数图。
具体实施方式
由附图2、3所示：该装置包括手机镜头透镜1、镜架2、四色滤光膜3、手机CMOS图像传感器4和线路板5，所述手机镜头透镜1设置在镜架2的上端，手机CMOS图像传感器4和线路板5依次设置在镜架2的下端。所述四色滤光膜3设置在手机镜头透镜1和手机CMOS图像传感器4之间。
由附图4、5所示：所述四色滤光膜(3)为集成于手机镜头组中的分光系统，它由蓝光波段(400‐520nm)、绿光波段(520‐600nm)、红光波段(600nm‐730nm)和近红外波段(730‐900nm)透光膜构成，不同波段透光膜单元的大小相等并且和手机CMOS图像传感器的像元尺寸相等，四种不同波段透光膜单元的位置关系如图4所示，左上白色是近红外透光膜，右上红色是红光透光膜，左下蓝色是蓝光透光膜，右下绿色是绿光透光膜，四个颜色构成一组重复单元，四色滤光膜由很多组这样的重复单元构成；所述图像传感器4是一般手机中原有CMOS传感器，工作波段为400nm‐900nm。
待测皮肤表面的反射光经手机镜头透镜1耦合至四色滤光膜3，经过四色滤光膜3分光后的光束至手机CMOS图像传感器4形成图像信号，通过对图像中红、绿、蓝及近红外波段的亮度值提取，用亮度值作为相应波段的光强度值，利用差分法通过计算公式(1.9)和(1.10)计算出待测皮肤表面的水分含量；本实施方式所述的四色滤光膜3作为分光系统，避免了传统光学系统前置光路准直系统，使光学系统结构更加紧凑，实现集成于手机中。
附图1所示：光谱技术测量皮肤含水量测量方法，包括以下步骤：
(1)、采集未知含水量皮肤表面照片。将光源照射待测皮肤(脸部或手背)表面，皮肤表面发生的漫反射光经手机镜头后，再经四色滤光膜分光后，照射到手机CMOS图像传感器成像；
(2)、利用皮肤表面照片，从图像信息中提取待测区域在红、绿、蓝及近红外波段亮度值，用此亮度值作为红、绿、蓝及近红外四波段光谱数据中的光强度值。
(3)、利用差分法计算皮肤含水量。针对水分在红、绿、蓝三基色和近红外四个波段的光吸收程度不同，采用差分光谱法将红、绿、蓝三基色和近红外波段光强值做差分计算，计算出皮肤水分含量，具体计算方法如下：
根据朗伯比尔定律I0(λ)＝Ii(λ)×F(λ)+Ii(λ)e(-δ(λ)·C·L) (1.1)
公式中的各参量表示如下：I0(λ)为探测光光强；Ii(λ)为入射光光强；C为皮肤含水量，L为光线可以穿透进入皮肤的深度，δ(λ)为在波长λ处的吸收系数，F(λ)为表面光谱反射率；
红、绿、蓝及近红外四个波段接收到的光强均满足朗伯比尔定律，因此有：
红光波段光强I0(R)＝Ii(λ)×F(R)+Ii(λ)e(-δ(R)·C·L) (1.2)
绿光波段光强I0(G)＝Ii(λ)×F(G)+Ii(λ)e(-δ(G)·C·L) (1.3)
蓝光波段光强I0(B)＝Ii(λ)×F(B)+Ii(λ)e(-δ(B)·C·L) (1.4)
近红外波段光强I0(IR)＝Ii(λ)×F(IR)+Ii(λ)e(-δ(IR)·C·L) (1.5)
由于皮肤的结构特点，可以近似认为皮肤表面对红、绿、蓝及近红外波段光的反射率相等，即F(R)≈F(G)≈F(B)≈F(IR)，将红、绿、蓝三基色分别与近红外波段作差分，可以滤除反射光的影响，计算公式如下所示：
由公式(1.6)和(1.7)得：
由公式(1.6)和(1.8)得：
方程(1.9)和方程(1.10)右边的C和L为未知数，其他参数I0(λ)和δ(λ)均为已知数，两个方程，两个未知数，方程可解，解出的C即为皮肤含水量。
Claims (3)
1.一种基于手机平台的皮肤含水量光谱测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、测定人体皮肤表面图像信息：采用手机闪光灯或者环境光照射脸部或手部皮肤上发生漫反射，反射光被手机镜头接收，经过四色滤光膜分光后，形成单色光输入到手机CMOS图像传感器，获取人体皮肤表面图像信息，所述的四色滤光膜由蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段透光膜构成，不同波段透光膜单元的大小相等并且和手机CMOS图像传感器的像元尺寸相等,四种不同波段透光膜单元的位置关系是：左上是近红外透光膜，右上是红光透光膜，左下是蓝光透光膜，右下是绿光透光膜，四个颜色透光膜构成一组重复单元，所述四色滤光膜由多组重复单元叠加构成；
步骤2、图像信息转换成光谱数据信息：对手机拍摄的皮肤图像在蓝光、绿光、红光和近红外波段不同波段的亮度值进行提取，用亮度值作为相应波段的光强度值I0(R)，I0(B)，Io(G)和I0(IR)，即获得与图像信息对应的光谱信息，图像中颜色和亮度值分别对应光谱中的波段和光强值；
步骤3、差分法计算皮肤含水量：针对水分在红、绿、蓝三基色和近红外四个波段的光吸收程度不同，采用差分光谱法将红、绿、蓝三基色和近红外波段光强值做差分计算，计算出皮肤水分含量，具体计算方法如下：
根据朗伯比尔定律I0(λ)＝Ii(λ)×F(λ)+Ii(λ)e(-δ(λ)·C·L) (1.1)
公式中的各参量意义如下：I0(λ)为探测光光强值，由步骤2中亮度值到光强值转化获得；Ii(λ)为入射光光强；C为皮肤含水量，L为光线可以穿透进入皮肤的深度，δ(λ)为在波长λ处的吸收系数，F(λ)为表面光谱反射率；
红、绿、蓝及近红外四个波段接收到的光强均满足朗伯比尔定律，因此有：
红光波段光强I0(R)＝Ii(λ)×F(R)+Ii(λ)e(-δ(R)·C·L) (1.2)
绿光波段光强I0(G)＝Ii(λ)×F(G)+Ii(λ)e(-δ(G)·C·L) (1.3)
蓝光波段光强I0(B)＝Ii(λ)×F(B)+Ii(λ)e(-δ(B)·C·L) (1.4)
近红外波段光强I0(IR)＝Ii(λ)×F(IR)+Ii(λ)e(-δ(IR)·C·L) (1.5)
由于皮肤的结构特点，可以近似认为皮肤表面对红、绿、蓝及近红外波段光的反射率相等，即F(R)≈F(G)≈F(B)≈F(IR)，将红、绿、蓝三基色波段分别与近红外波段光强值作差分，可以滤除反射光的影响，计算公式如下所示：
由公式(1.6)和(1.7)得：
由公式(1.6)和(1.8)得：
方程(1.9)和方程(1.10)右边的C和L为未知数，其他参数I0(λ)和δ(λ)均为已知数，两个方程，两个未知数，方程可解，解出的C即为皮肤含水量。
2.一种基于权利要求1的皮肤含水量光谱测量装置，该装置包括手机镜头透镜(1)、镜架(2)、手机CMOS图像传感器(4)和线路板(5)，其特征在于：在所述透镜(1)和CMOS传感器(4)之间设置了四色滤光膜(3)。
3.根据权利要求2所述的皮肤含水量光谱测量装置，其特征在于：所述四色滤光膜(3)为集成于手机镜头组中的分光系统，四色滤光膜(3)由蓝光波段、绿光波段、红光波段和近红外波段透光膜构成，不同波段透光膜单元的大小相等并且和手机CMOS图像传感器的像元尺寸相等，四种波段透光膜单元的位置关系是：左上白色是近红外透光膜，右上红色是红光透光膜，左下蓝色是蓝光透光膜，右下绿色是绿光透光膜，四个颜色构成一组重复单元，四色滤光膜由多组这样的重复单元构成。
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| CN109064520A (zh) * | 2018-11-02 | 2018-12-21 | 广州市皓品信息科技有限公司 | 一种皮肤肤色获取装置及其获取方法 |
| CN110338758A (zh) * | 2019-06-25 | 2019-10-18 | 歌尔科技有限公司 | 基于人体的水分状态提示方法、装置及电子设备 |
| CN110693461A (zh) * | 2019-11-06 | 2020-01-17 | 广州诠释美科技有限公司 | 一种基于光电穿透技术的皮肤软硬件复合检测系统 |
| CN110954513A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-03 | 吉林求是光谱数据科技有限公司 | 一种基于光谱调制法的光谱芯片 |
| CN111464700A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-07-28 | 吉林求是光谱数据科技有限公司 | 具有成像光谱检测功能的新型智能手机及其光谱检测方法 |
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2018
- 2018-05-11 CN CN201810445833.7A patent/CN108709863A/zh not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Application publication date: 20181026 |