DE4313258A1 - Method and device for the quantitative measurement of the texture of the human skin surface by means of registration, reproduction and analysis of image information - Google Patents

Method and device for the quantitative measurement of the texture of the human skin surface by means of registration, reproduction and analysis of image information

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DE4313258A1
DE4313258A1 DE19934313258 DE4313258A DE4313258A1 DE 4313258 A1 DE4313258 A1 DE 4313258A1 DE 19934313258 DE19934313258 DE 19934313258 DE 4313258 A DE4313258 A DE 4313258A DE 4313258 A1 DE4313258 A1 DE 4313258A1
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/44Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
    • A61B5/442Evaluating skin mechanical properties, e.g. elasticity, hardness, texture, wrinkle assessment

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung der Textur der menschlichen Hautoberfläche sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for quantitative Determination of the texture of the human skin surface and an apparatus for performing the method.

Zur qualitativen Analyse der Struktur der menschlichen Hautoberfläche in Medizin und Kosmetik werden seit zwei Jahrzehnten Rauheitsparameter herangezogen, wie sie beispielsweise in DIN 4762 oder auch in ISO 4287/1 festgelegt sind. Da im allgemeinen in vivo Methoden bei der Oberflächenmeßtechnik ausscheiden, wird stellvertretend ein Replicat vermessen. Die Vermessung selbst erfolgt durch tastende Verfahren, wobei mechanische und optische Verfahren zum Einsatz kommen.For qualitative analysis of the structure of the human Skin surfaces in medicine and cosmetics have been around for two Decades of roughness parameters, like them for example in DIN 4762 or also in ISO 4287/1 are set. Since methods are generally used in vivo the surface measurement technology, will representatively measuring a replicate. The Measurement itself is done by groping, where mechanical and optical processes are used.

Bei einem bekannten mechanischen Verfahren zur Bestimmung der Kenngrößen für das Stratum Corneum wird mit einem elektrischen Tastschnittgerät in einzelnen Senkrechtschnitten das Oberflächenprofil von Replicas der Hautoberfläche mit einer Tastspitze abgetastet. Dabei werden die gegenüber einer Bezugslinie erhaltenen Profilabweichungen einem Auswertrechner zugeführt.In a known mechanical method for Determination of the parameters for the stratum corneum  with an electrical stylus device in individual Vertical cuts on the surface profile of Replicas the skin surface scanned with a probe tip. In doing so, those obtained against a reference line Profile deviations fed to an evaluation computer.

Dieser kann aus den Meßgrößen eine Bestimmung von in der dermatologischen Forschung häufig angewandten Kennwerten wie
dem arithmetischen Mittenrauhwert Rα,
dem quadratischen Mittenrauhwert Rq und
der maximalen Rauhtiefe Rmax
durchführen. In verschiedenen Untersuchungen konnte anhand der Vermessung einzelner Profilschnitte von Replicas der Hautoberfläche und der anschließenden Bestimmung von Rauheitsparametern beispielsweise die hautglättende Wirksamkeit von Kosmetika gezeigt, der Einfluß von Alterung und Krankheit auf die Rauheitskenngrößen der Haut nachgewiesen und die Charakterisierung von trockener Haut durchgeführt werden.
From the measured variables, the latter can determine characteristic values such as those frequently used in dermatological research
the arithmetic mean roughness value R α ,
the root mean square roughness R q and
the maximum roughness depth R max
carry out. In various studies, the measurement of individual profile sections of replicas of the skin surface and the subsequent determination of roughness parameters showed, for example, the skin-smoothing effectiveness of cosmetics, the influence of aging and disease on the roughness parameters of the skin was demonstrated and the characterization of dry skin was carried out.

Diese bekannte Methode ist allgemein in DIN 4768 beschrieben und bezüglich der Anwendung auf die menschliche Haut - speziell im Hinblick auf die Erkennung von Anisotropie - in der deutschen Patentschrift 27 19 341 niedergelegt.This known method is generally in DIN 4768 described and regarding the application to the human skin - especially with regard to the Detection of anisotropy - in German Patent specification 27 19 341 laid down.

Typisch für eine solche mikrotopographische Vermessung mit einem elektrischen Tastschnittgerät ist, daß nur einzelne Profilschnitte ausgewertet werden, also lediglich eine linienhafte und keine flächenhafte Information vorliegt. Typical for such a microtopographic measurement with an electrical stylus is that only individual profile sections are evaluated, so just a linear one and not a flat one Information is available.  

In einigen neueren Arbeiten wurden auch bereits eine Vielzahl paralleler Profilschnitte vermessen, um einen verbesserten dreidimensionalen Eindruck des Hautreliefs zu ermitteln. Wegen des hierbei mit mechanischem Abtasten verbundenen hohen Zeitaufwandes wurde in jüngster Zeit auch erstmals die Laser-Profilometrie eingesetzt. Doch auch in diesem Fall ist die für eine genaue 3D-Vermessung eines Hautareals eine nicht unbeträchtliche Meßzeit zu veranschlagen. Zudem erfolgt bei diesem Verfahren bisher eine Auswertung lediglich auf der Grundlage der für einzelne Profilschnitte definierten Rauheitskenngrößen, in denen schon definitionsgemäß keine Informationen über die Hauttextur enthalten ist.In some recent works, one has already been Measure a large number of parallel profile cuts by one improved three-dimensional impression of the skin relief to investigate. Because of the mechanical Sampling was associated with the high expenditure of time Laser Profilometry for the first time recently used. But even in this case it is for one accurate 3D measurement of a skin area a not to estimate unimportant measuring time. Also done So far only an evaluation with this method based on that for individual profile cuts defined roughness parameters, in which already by definition, no information about the Skin texture is included.

Auch bildanalytische Verfahren wurden bereits vereinzelt zur Beschreibung der menschlichen Haut herangezogen, wobei Grauwertbilder von Replikaten als Grundlage für sich anschließende Auswertverfahren dienten. Insbesondere Corcuff (Corcuff, P.; de Rigal, J.; Leveque, J.L.: Skin Relief and Aging; Journal of the Society of Cosmetic Chemists 34; 177-190; 7/1983) entwickelte eine Methode, um die mechanische Rauheitsmessung zu substituieren. Die Methode basiert auf der Tatsache, daß bei Beleuchtung eines Replikats unter einem definierten Beleuchtungswinkel aus der Länge des Schattenwurfes der Profilkuppen eine Höheninformation aus den Grauwertbildern errechnet werden kann. Eine signifikante Korrelation zwischen bildanalytischen und profilmetrischen Rauheitsgrößen konnte allerdings bisher nicht gezeigt werden. Auch bestand keine Veranlassung die in den Grauwertbildern enthaltene Information über die Hautfelderung bei diesem bildverarbeitenden Verfahren zu einer weitergehenden Analyse zu nutzen, da die Auswertung an Hand von Binärbildern, also von Bildern, die lediglich die Werte Schwarz und Weiß annehmen können, erfolgte. Eine weitergehende Analyse wurde daher nicht genutzt.Image analytical processes have also already been used isolated to describe the human skin used, with gray scale images of replicas as Basis for subsequent evaluation procedures served. In particular Corcuff (Corcuff, P .; de Rigal, J .; Leveque, J.L .: Skin Relief and Aging; Journal of the Society of Cosmetic Chemists 34; 177-190; 7/1983) developed a method to mechanical To substitute roughness measurement. The method is based on the fact that when lighting a replica at a defined angle of illumination from the Length of the shadows of the profile tips one Height information calculated from the gray scale images can be. A significant correlation between image analytical and profilometric roughness values could not yet be shown. Also there was no reason to do so in the grayscale images contained information about the skin field this image processing method to a to use further analysis, since the evaluation Hand of binary images, that is, images that are only  the values black and white can take place. A further analysis was therefore not used.

Aus den genannten bekannten Meßmethoden resultieren somit Parameter (irgendwelche integrale Mittelwerte), welche grundsätzlich nicht in der Lage sind, eine punktuelle Beschreibung eines festen Meßortes auf einer Hautoberfläche vorzunehmen, d. h. sie scheiden zur Texturerkennung und Texturbeschreibung grundsätzlich aus.Result from the known measuring methods mentioned hence parameters (any integral means), which are fundamentally unable to selective description of a fixed measuring point on a Skin surface d. H. they are leaving Basically texture recognition and texture description out.

Keine Informationen kann auch das in dem deutschen Patent 34 33 195 beschriebenen bildanalytische Verfahren liefern, in welchem die Tiefe der Hautfalten sowie des Sulcus cutis unter Verwendung einer Videokamera bestimmt werden. Denn das von dem opto-elektronischen Wandler erzeugte Videosignal der zu beurteilenden Oberfläche wird durch Wahl geeigneter Schwellen binärisiert.No information can also do that in the German Patent 34 33 195 described image analytical Deliver procedures in which the depth of skin folds and the sulcus cutis using a Video camera can be determined. Because of that opto-electronic converter generated video signal too evaluating surface is made by choosing more suitable Thresholds binarized.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren von Corcuff weiterzuentwickeln, um Rauheitskenngrößen bei der bildanalytischen Mikrotopographie der Hautoberfläche zu ermitteln, welche die flächige Ausdehnung des Stratum Corneums berücksichtigen.The invention is therefore based on the object Corcuff's method mentioned at the beginning to further develop the roughness parameters at image-analytical microtopography of the skin surface determine the areal extent of the stratum Consider corneums.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches durch den Inhalt der Ansprüche gekennzeichnet ist. Der Inhalt der Ansprüche ist auch Teil dieser Beschreibung.A method is used to solve this problem proposed by the content of the claims is marked. The content of the claims is too Part of this description.

Bei der Betrachtung sowohl von natürlichen Bildszenen als auch von Grauwertbildern vermag das menschliche Auge bestimmte Bereiche, die verschiedene Strukturen und Muster enthalten, zu erkennen. Auch die menschliche Hautoberfläche mit ihrer charakteristischen Felderung weist eine solche mehr oder weniger stark ausgeprägte Strukturierung auf. Das Auftreten solcher Muster wird im allgemeinen als Textur bezeichnet. Im folgenden wird daher als wesentliche Eigenschaft einer Textur innerhalb eines Bildes die Wiederholung von kleinen Bereichen, die eine bestimmte Struktur beinhalten, verstanden.When considering both natural picture scenes human as well as gray-scale images Eye certain areas that have different structures and contain patterns. Human too  Skin surface with its characteristic field exhibits such a more or less pronounced Structuring on. The appearance of such patterns will commonly referred to as texture. The following will hence as an essential property of a texture the repetition of small within a picture Areas that contain a particular structure Understood.

Die Weiterbildung der Erfindung geht von einer Texturanalyse aus, bei welcher man sich wiederum der Grauwertbilder der Haut oder der Replicas von der menschlichen Hautoberfläche bedient, wobei allerdings wiederum lediglich Binärbilder ausgewertet und damit einige wenige Texturkenngrößen bestimmt werden. Die erfindungsgemäßen Schritte a) und b) hingegen liefern Kenngrößen und Parameter, welche Aufschluß über die Zusammenhänge und Abhängigkeiten, die zwischen benachbarten Grauwerten oder auch Grauwertregionen bestehen liefern. Sie basieren im wesentlichen auf der Entwicklung der in der Erfindung dargestellten Methoden der Texturanalyse der menschlichen Haut, der Bestimmung der Parameter der Co-Occurence-Matrix(9) und der Run-Length-Matrix(10).The development of the invention is based on a Texture analysis, in which one turns the Grayscale images of the skin or replicas from the served human skin surface, however again only evaluated binary images and thus a few texture parameters can be determined. The Step a) and b) according to the invention, however, deliver Characteristics and parameters, which provide information about the Connections and dependencies between neighboring gray values or also gray value regions deliver deliver. They are essentially based on the Development of the methods presented in the invention the texture analysis of human skin, the determination the parameters of the co-occurrence matrix (9) and the Run-length matrix (10).

Herstellung der GrauwertbilderProduction of gray scale images

Die im folgenden untersuchten Grauwertbilder sind von der Haut oder Replicas (Material: Silikonkautschukmasse Silflo® des Herstellers Flexico, zur Kontrastanreicherung vermischt mit feinstem Eisenpulver) der menschlichen Haut über ein Mikroskop und eine CCD-Kamera aufgenommen. Die Replica wird dabei von einer Kaltlichtquelle beleuchtet, wobei die Position der Lichtquelle gegenüber der Replica gemäß Abb. 1 festgelegt ist. Als α, dem Lichteinfallswinkel, ist, ausgehend von der Replicamitte, der Winkel zwischen der Horizontalebene und der Beleuchtungsquelle definiert; mit β, dem Beleuchtungswinkel, wird der Winkel zwischen einer gewählten Bezugslinie in der Horizontalebene und der Projektion der Beleuchtungsquelle auf diese bezeichnet. Über ein Bildverarbeitungssystem werden die Grauwertbilder der Replicas der menschlichen Hautoberfläche oder Haut einem Auswerterechner zugeführt und in einer quadratischen Matrix G = [g(iz,is)], mit dem Laufindizes iz in Zeilen- bzw. is in Spaltenrichtung, abgelegt.The gray value images examined below are taken from the skin or replicas (material: silicone rubber compound Silflo® from the manufacturer Flexico, for contrast enhancement mixed with the finest iron powder) of the human skin via a microscope and a CCD camera. The replica is illuminated by a cold light source, the position of the light source relative to the replica according to Fig. 1 being fixed. Starting from the center of the replica, the angle between the horizontal plane and the illumination source is defined as α, the angle of incidence; β, the illumination angle, denotes the angle between a selected reference line in the horizontal plane and the projection of the illumination source onto it. The gray-scale images of the replicas of the human skin surface or skin are fed to an evaluation computer via an image processing system and stored in a square matrix G = [g (i z , i s )] with the running indices i z in the row or i s in the column direction .

Das Format der Matrix beträgt (N,N). Die Matrixelemente g(iz,is) sind dabei die quantisierten Grauwerte gw der N² Bildpunkte. Typischerweise werden in der digitalen Bildverarbeitung 256 verschiedene Grauwertstufen verwendet, d. h. die Grauwerte liegen im Intervall [O,Ng] Ng bezeichnet dabei den maximal auftretenden Grauwert. Der Grauwert gw=0 wird als Schwarz, der Grauwert gw=255 als Weiß interpretiert.The format of the matrix is (N, N). The matrix elements g (i z , i s ) are the quantized gray values g w of the N² pixels. Typically 256 different gray value levels are used in digital image processing, ie the gray values lie in the interval [O, N g ] N g denotes the maximum gray value that occurs. The gray value g w = 0 is interpreted as black, the gray value g w = 255 as white.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung der Grauwertbilder und zur Bestimmung der Hauttextur ist in der Abb. 1 beschrieben und besteht aus einer Kaltlichtquelle zur Beleuchtung der Probe (Haut, Replica), einem Mikroskop und einer C′C′D-Kamera zur Aufnahme der Grauwertbilder und einem Bildverarbeitungssystem und einen Auswerterechner für die Grauwertbilder. Die Geräte sind im Handel erhältlich.A device according to the invention for producing the gray scale images and for determining the skin texture is described in Fig. 1 and consists of a cold light source for illuminating the sample (skin, replica), a microscope and a C'C'D camera for recording the gray scale images and an image processing system and an evaluation computer for the gray value images. The devices are commercially available.

Statistische KennwerteStatistical parameters

Aus der Statistik sind verschiedene Parameter bekannt, die in allgemeiner Form auf die vorliegenden zweidimensionalen und diskreten Bildvorlagen angewendet werden können. Ausgehend von den Definitionen für die Momente einer Verteilung können diese Kennwerte für ein Grauwertbild der Hautoberfläche bestimmt werden:Various parameters are known from the statistics, which in general terms to the present two-dimensional and discrete image templates applied can be. Based on the definitions for the Moments of a distribution can use these parameters for a gray scale image of the skin surface can be determined:

Nullmomente n-ter Ordnung:Zero-order moments:

Zentralmomente n-ter Ordnung:Central moments of the nth order:

Folgende statistische Kennwerte werden zur Charakterisierung von Verteilungen genutzt:The following statistical parameters become Characterization of distributions used:

Wie schon an der Definition dieser Kenngrößen ersichtlich wird, ist hieraus keinerlei Information über die Zuordnung einzelner Bildpunkte zueinander in der Bildebene abzulesen, so wie es die im folgenden vorgestellten Parameter ermöglichen. So wie auch die Anwendung der nur für einzelne Profilschnitte definierten Rauheitsparameter für ein 3D-Relief nur eine begrenzte Aussagefähigkeit über die Struktur einer Oberfläche liefert, erhält man mit der Verwendung dieser statistischen Kennwerte noch keine Aussagen über Zuordnungen einzelner Grauwerte zueinander in der Fläche. Sie sind lediglich gut geeignet, um einen Eindruck über die Verteilung aller im Bild vorkommenden Grauwerte zu liefern.As with the definition of these parameters there is no information about the assignment of individual pixels to each other in the image plane, as shown below allow presented parameters. Just like that Use of only for individual profile cuts defined roughness parameters for a 3D relief only a limited meaningfulness about the structure of a You get surface with the use of these statistical parameters yet no statements about Allocations of individual gray values to each other in the Area. They are only well suited to one Impression about the distribution of all that occur in the picture To deliver gray values.

Derartige, statistisch ermittelten Parameter sind daher nicht zur Definition der flächigen Ausdehnung des Stratum Corneums geeignet, da sie nur Aussagen über die Grauwertverteilung machen. Zur Ermittlung der gesamten Textur bedarf es daher weiterer, erfindungsgemäßer Kenngrößen, wie sie von der sog. Co-Occurence-Matrix (a) und der Run-Length-Matrix geliefert werden. Such statistically determined parameters are therefore not to define the areal extent of the Suitable for stratum corneums as they only make statements about the Make gray value distribution. To determine the entire texture, therefore, further, Parameters according to the invention, as they are known from the so-called. Co-Occurrence-Matrix (a) and the Run-Length-Matrix to be delivered.  

Kennwerte der Co-Occurence-MatrixCharacteristic values of the co-occurrence matrix

Bei der erfindungsgemäßen Bestimmung der Kenngrößen der Co-Occurence-Matrix werden die Zusammenhänge, die zwischen dem einzelnen Punkt einer Textur und seiner Umgebung bestehen, verwendet, um beschreibende Parameter der Textur herauszufiltern. Haralick erarbeitete Grundzüge dieses Verfahrens und wandte es auf ein Problem der Auswertung von Luftbildaufnahmen an (Haralick, R.M.; Shanuga, K.; Dinstein, I. : Texture Features for Image Classification; IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics 3; 610-621; 1979).When determining the parameters of the invention Co-occurrence matrix will be the relationships that between the single point of a texture and its Environment exist, used to be descriptive Filter out texture parameters. Haralick developed the basic principles of this procedure and applied it to a problem with the evaluation of aerial photographs (Haralick, R.M .; Shanuga, K .; Dinstein, I.: Texture Features for Image Classification; IEEE transactions on Systems, Man and Cybernetics 3; 610-621; 1979).

Inhalt der Untersuchung mit Hilfe der Co-Occurence-Matrix ist der Grauwertübergang. Darunter wird die Kombination verstanden, die durch zwei Bildpunkte innerhalb einer Grauwertmatrix gebildet wird. Anhand der Sequenz [00012] soll dieses verdeutlicht werden. Es treten dabei als Grauwertübergänge zum rechten Nachbar die Kombinationen [0,0] zweimal und die Kombinationen [0,1] und [1,2] jeweils einmal auf. Die Co-Occurence-Matrix CΦ ,l beinhaltet nun die Anzahl aller Kombinationen der Grauwertübergänge zwischen zwei Bildpunkten der Grauwertmatrix G. Die einzelnen Elemente cΦ ,l(i, j) der Co-Occurence-Matrix werden dann wie folgt errechnet:The content of the investigation using the co-occurrence matrix is the gray value transition. This is understood to mean the combination that is formed by two pixels within a gray value matrix. This is to be illustrated using the sequence [00012]. The combinations [0,0] appear twice and the combinations [0,1] and [1,2] each as gray value transitions to the right neighbor. The co-occurrence matrix C Φ , l now contains the number of all combinations of the gray value transitions between two pixels of the gray value matrix G. The individual elements c Φ , l (i, j) of the co-occurrence matrix are then calculated as follows:

Der Grauwert gw1 eines ersten Bildpunktes der Grauwertmatrix sei i, der Grauwert gw2 eines anderen Bildpunktes der Grauwertmatrix sei j. Das Matrixelement cΦ ,l(i,j) beinhaltet die Anzahl der Grauwertkombinationen [i,j], die in G auftreten. Die Lagebeziehung, die zwischen den beiden untersuchten Bildpunkten besteht wird durch die Indizes Φ und l der Co-Occurence Matrix CΦ ,l ausgedrückt. Der Verschiebungswinkel Φ ist der Winkel, der zwischen der Verbindung der beiden betrachteten Bildpunkte und der Spaltenrichtung in der Grauwertmatrix G liegt. Dabei werden vier Richtungen der quadratischen Grauwertmatrix betrachtet: Zeilen- und Spaltenrichtung und die beiden Diagonalrichtungen. Die Verschiebungslänge 1 bezeichnet den Abstand, der zwischen den Bildpunkten liegt. Let the gray value g w1 of a first pixel of the gray value matrix be i, the gray value g w2 of another pixel of the gray value matrix be j. The matrix element c Φ , l (i, j) contains the number of gray value combinations [i, j] that occur in G. The positional relationship between the two examined pixels is expressed by the indices Φ and l of the co-occurrence matrix C Φ , l . The displacement angle Φ is the angle that lies between the connection of the two pixels under consideration and the column direction in the gray value matrix G. Four directions of the square gray value matrix are considered: row and column directions and the two diagonal directions. The displacement length 1 denotes the distance that lies between the pixels.

Betrachtet man nun ein Grauwertbild, das mit 256 Grauwertstufen gebildet wird, so wird die Co-Occurence-Matrix das Format 256,256) besitzen. Um den Rechenaufwand so gering wie möglich zu halten, werden daher die Grauwerte neu quantisiert. Üblich ist dabei eine Reduzierung auf 32 oder 64 Grauwerte, so daß die dann entstehenden Co-Occurence-Matrizen das Format (32,32) bzw. (64,64) besitzen.If you now consider a gray-scale image with 256 Grayscale levels is formed, so the Co-Occurrence Matrix have the format 256.256). Around keep the computing effort as low as possible, the gray values are therefore re-quantized. Is common a reduction to 32 or 64 gray values, so that the co-occurrence matrices then created the format (32.32) or (64.64).

Ein Bild mit einer großflächigen, kontrastarmen Struktur erzeugt eine Co-Occurence-Matrix, deren Elemente stark entlang der Hauptdiagonalen ausgerichtet sind. Eine feine, kontrastreiche Struktur bewirkt dagegen eine weite Verteilung der Elemente in der Co-Occurence-Matrix.An image with a large, low-contrast Structure creates a co-occurrence matrix whose Elements strongly aligned along the main diagonals are. A fine, high-contrast structure creates in contrast, a wide distribution of the elements in the Co-Occurrence Matrix.

Aus der gebildeten Co-Occurence-Matrix kann man nun verschiedene Kennwerte berechnen, die Rückschlüsse auf die Art der Textur, z. B. grob oder fein, erlauben oder auch Ausrichtungen einer Textur erkennen lassen und so eine Unterscheidung der einzelnen Texturen ermöglichen. Im folgenden sollen die Kennwerte kurz vorgestellt werden, die im weiteren zur Untersuchung der Grauwertbilder der menschlichen Haut herangezogen werden. Die Elemente der Co-Occurence-Matrix werden dabei zunächst durch die Summe aller Eintragungen in der Matrix normiert.You can now use the co-occurrence matrix calculate various parameters, the conclusions on the type of texture, e.g. B. coarse or fine, allow or also show orientations of a texture and such allow a differentiation of the individual textures. The characteristic values are briefly presented below be used for the investigation of the Grayscale images of human skin are used become. The elements of the co-occurrence matrix are  first by the sum of all entries in of the matrix normalized.

Dabei beinhaltet das Element c(i,j) von C Φ ,l die Anzahl der Grauwertkombinationen [i,j], die in G auftreten.
Kontrast:
The element c (i, j) of C Φ , l contains the number of gray value combinations [i, j] that occur in G.
Contrast:

Der Kontrast ist ein Maß für die Variation von Grauwerten in einem Bild. Für ein kontrastarmes Bild wird also ein kleinerer Wert errechnet als für ein Bild mit vielen Grauwertänderungen. Es werden die Elemente der Co-Occurence-Matrix stärker betont, die weiter entfernt von der Hauptachse liegen.
Entropie:
The contrast is a measure of the variation of gray values in an image. A lower value is therefore calculated for a low-contrast image than for an image with many gray value changes. The elements of the co-occurrence matrix that are further away from the main axis are emphasized.
Entropy:

Das Verhalten dieses Kennwertes ähnelt dem des Kontrastes, d. h. für ein homogenes Bild wird ein geringerer Entropiewert errechnet als für ein feinstrukturiertes.
Zweites Winkelmoment:
The behavior of this characteristic value is similar to that of the contrast, ie a lower entropy value is calculated for a homogeneous image than for a finely structured one.
Second angular moment:

Dieser Kennwert ist ein Maß für die Homogenität eines Bildes. So wird für ein homogenes Bild ein größerer Kennwert errechnet als für ein inhomogenes Bild. This characteristic value is a measure of the homogeneity of an image. A larger characteristic value is calculated for a homogeneous image than for an inhomogeneous image.

Die Korrelation ist ein Maß für die Abhängigkeit der Zeilen und Spalten der Co-Occurence-Matrix untereinander. Ein inhomogenes Bild besitzt demnach eine kleine Korrelation.The correlation is a measure of the dependency of the Rows and columns of the co-occurrence matrix among themselves. An inhomogeneous picture therefore has a little correlation.

Kennwerte der Run-Length-MatrixCharacteristic values of the run-length matrix

Eine Möglichkeit, Kennwerte von Grauwertbildern aufgrund der Zusammenhänge und Abhängigkeiten, die zwischen einzelnen Bildpunkten bestehen, zu berechnen, stellen die Kennwerte der Run-Length-Matrix dar. Erste Ansätze zu dieser Methode wurden durch Galloway (Galloway, M.M.: Texture Analysis Using Gray Level Run Matrices; Computer Graphics and Image Processing 4, 172-179, 1975) vorgestellt.One way to get characteristic values of grayscale images because of the relationships and dependencies that exist between individual pixels, to calculate represent the characteristic values of the run-length matrix. First Approaches to this method have been developed by Galloway (Galloway, M.M .: Texture Analysis Using Gray Level Run Matrices; Computer Graphics and Image Processing 4, 172-179, 1975).

Untersucht wird in dem Verfahren die Grauwertmatrix G nach den Lauflängen eines Grauwertes. Dabei wird die Anzahl an aufeinanderfolgenden Bildpunkten, die innerhalb einer Untersuchungsrichtung denselben Grauwert besitzen, als Lauflänge lg verstanden. An der Sequenz [2223322] soll dieses kurz verdeutlicht werden. Für den Grauwert gw=2 erhält man einmal die Lauflänge lg=3 und einmal die Lauflänge lg=2, der Grauwert gw : 3 tritt hier mit der Lauflänge lg=2 auf.The gray value matrix G is examined in the method according to the run lengths of a gray value. The number of successive image points that have the same gray value within an examination direction is understood as the run length l g . This should be briefly illustrated using the sequence [2223322]. For the gray value g w = 2, one gets the barrel length l g = 3 and once the barrel length l g = 2, the gray scale value g w : 3 occurs here with the barrel length l g = 2.

Die Elemente rΦ(gw,lg) der Run-Length-Matrix RΦ für eine Grauwertmatrix G beinhalten dann die Anzahl, mit der ein Grauwert gw mit der Lauflänge lg auftritt. Der Index Φ gibt hier die Untersuchungsrichtung an, in der die einzelnen Lauflängen bestimmt werden sollen. Wie auch schon bei der Co-Occurence-Matrix werden zur Hautanalyse die Zeilen-, Spalten- sowie die beiden Diagonalrichtungen der Grauwertmatrix untersucht. The elements r Φ (g w , l g ) of the run-length matrix R Φ for a gray value matrix G then contain the number with which a gray value g w occurs with the run length l g . The index Φ indicates the direction of examination in which the individual run lengths are to be determined. As with the co-occurrence matrix, the row, column and the two diagonal directions of the gray scale matrix are examined for skin analysis.

Für Ng verschiedene Grauwertstufen und eine Grauwertmatrix des Formats (N,N) ergibt sich für die Run-Length-Matrix RΦ als maximale Größe Ng × N. Daher werden in der Regel auch hier die Grauwerte neuquantisiert, so daß nur noch 32 oder 64 verschiedene Grauwertstufen zur Berechnung dieser Matrizen verwendet werden.For N g different grayscale levels and a grayscale matrix of the format (N, N) results for the run-length matrix R Φ as the maximum size N g × N. Therefore, the grayscale values are usually re-quantized here, so that only 32 or 64 different grayscale levels can be used to calculate these matrices.

Ein homogenes Bild wird große Elemente rΦ(gw,lg) weit rechts besitzen, dagegen wird die Run-Length-Matrix eines inhomogenen Bildes, das nur sehr kleine Lauflängen lg besitzt, als ′linkslastig′ erscheinen. Eine entlang einer Untersuchungsrichtung linienförmig ausgerichtete Textur wird in den langen Lauflängen große Matrixelemente aufweisen, dagegen wird die senkrecht zu dieser Ausrichtung durchgeführte Lauflängenuntersuchung für die kurzen Lauflängen große Elemente besitzen. So kann aufgrund dieser Analysemethode die Ausrichtung einer Textur erkannt werden.A homogeneous image will have large elements r Φ (g w , l g ) on the far right, whereas the run-length matrix of an inhomogeneous image that has only very short run lengths l g will appear as 'left-handed'. A texture aligned linearly along an examination direction will have large matrix elements in the long run lengths, whereas the run length examination carried out perpendicular to this orientation will have large elements for the short run lengths. The alignment of a texture can be recognized on the basis of this analysis method.

Auch hier werden Kennwerte berechnet, die eine weitere Unterscheidung zwischen verschiedenen Texturen ermöglichen. Im weiteren werden die neu in der Hautoberflächenanalyse verwendeten Kennwerte kurz vorgestellt. Dabei bezeichnet Nl die maximal auftretende Lauflänge in der Matrix RΦ.
Short Run Emphasis:
Here, too, characteristic values are calculated, which allow a further differentiation between different textures. The new parameters used in skin surface analysis are briefly presented below. N l denotes the maximum run length occurring in the matrix R Φ .
Short Run Emphasis:

Mit diesem Kennwert werden die kurzen Lauflängen betont. Dadurch werden für feinstrukturierte Grauwertbilder größere Kennwerte errechnet als für grobflächige.
Long Run Emphasis:
This characteristic value emphasizes the short run lengths. As a result, larger characteristic values are calculated for finely structured gray-scale images than for large-area ones.
Long run emphasis:

Dieser Kennwert verhält sich genau umgekehrt zur Short Run Empasis. Ein grobflächiges Bild erhält einen größeren Kennwert als ein feinstrukturiertes.This characteristic is exactly the opposite of the short Run empasis. A coarse picture gets one larger characteristic value than a finely structured.

Gerade der Vergleich dieser beiden Kennwerte in verschiedenen Untersuchungsrichtungen ermöglicht es, eine bevorzugte Ausrichtung der Textur zu erkennen.Just the comparison of these two parameters in different directions of investigation enables to recognize a preferred orientation of the texture.

Graylevel Nonuniformity:Gray level nonuniformity:

Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Lauflängen über alle Grauwerte wird der kleinste Wert errechnet. Durch hohe Lauflängenwerte wird der Wert des Parameters groß.
Runlength Nonuniformity:
If the run lengths are evenly distributed over all gray values, the smallest value is calculated. The value of the parameter becomes large due to high run length values.
Runlength Nonuniformity:

Hier wird bei einer gleichmäßigen Verteilung der Grauwerte über die Lauflängen der Wert dieses Parameters minimal.Here, with an even distribution of Gray values over the run lengths the value of this Parameters minimal.

Einfluß des Beleuchtungswinkels β
Untersucht wurde zunächst, inwieweit die Texturparameter der menschlichen Haut abhängig sind vom Beleuchtungswinkel β, da eine solche Abhängigkeit für die Positionierung der Replicas unter dem Mikroskop von Bedeutung ist. Aufgenommen wurden hierzu in 5°-Schritten von β=0° bis β=360° Grauwertbilder von Haut oder einer Replica, die vom volaren Unterarm eines 25jährigen, männlichen Probanden mit gesunder Haut erstellt wurde. Die Haut des volaren Unterarmes weist bereits bei der Betrachtung mit dem bloßen Auge eine ausgeprägte Hauptfaltenrichtung auf. Von Interesse sind nun die Fragestellungen:
Influence of the lighting angle β
It was first examined to what extent the texture parameters of human skin depend on the illumination angle β, since such a dependence is important for the positioning of the replicas under the microscope. This was done in 5 ° steps from β = 0 ° to β = 360 ° grayscale images of skin or a replica created from the volar forearm of a 25-year-old male subject with healthy skin. The skin of the volar forearm already shows a pronounced direction of the main fold when viewed with the naked eye. The questions are now of interest:

In welchem Wertebereich bewegen sich die Parameter typischerweise für verschiedene Beleuchtungswinkel β?
Sind Vorzugsrichtungen wie die deutlich sichtbare Hauptfaltenrichtung mittels der Texturparameter detektierbar?
Für die Untersuchung wurde der Lichteinfallswinkel α dabei auf konstant α=28° eingestellt. Für β=0° wurde die Replica, deren Grauwertbild für diese Beleuchtungsrichtung in Abb. 2 dargestellt ist, senkrecht zur deutlich erkennbaren Hauptfaltenrichtung ausgerichtet. Zur Bestimmung der Texturparameter wurden 256 × 256 Grauwerte große Bildausschnitte, die eine Größe von 5.12 × 5.12 mm² besaßen, ausgewertet.
In which value range are the parameters typically for different lighting angles β?
Can preferred directions such as the clearly visible main fold direction be detected using the texture parameters?
For the investigation, the angle of incidence α was set to constant α = 28 °. For β = 0 °, the replica, whose grayscale image for this direction of illumination is shown in Fig. 2, was aligned perpendicular to the clearly visible main fold direction. To determine the texture parameters, 256 × 256 gray-scale image sections with a size of 5.12 × 5.12 mm² were evaluated.

Exemplarisch für verschiedene Lauflängen und Untersuchungsrichtungen sind in Abb. 3 die Parameter der Co-Occurence-Matrix CΦ ,l=C90°,1 sowie einige Kennwerte der Run-Length-Matrix Ro = R90° über der Beleuchtungsrichtung β=0° bis β=360° aufgetragen, da für diesen Verschiebungswinkel Φ und diese Verschiebungslänge l der Verlauf der Texturparameter besonders prägnant ist. Zu erkennen ist eine in allen Parametern deutliche Abhängigkeit von der Beleuchtungsrichtung. Der nicht in Abb. 3 dargestellte Parameter Run Percentage RRP verhält sich dabei ähnlich wie die Short Run Emphasis RSRE, die Gray Level Nonuniformity RGLN wie die Run Length Nonuniformity RRLN. Sehr gut wird eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Periodizität der Texturparameter sichtbar, wobei Extremwerte der Texturkenngrößen je nach ihrer Definition durchweg bei β = 0°, 90°, 180°, 270°, also entweder bei Beleuchtung senkrecht zur Hauptfaltenrichtung oder aber in Hauptfaltenrichtung auftraten. Eine Vorzugsrichtung ist demnach anhand einer Änderung der Beleuchtungsrichtung mit allen Texturparametern einfach quantifizierbar. The parameters of the co-occurrence matrix C Φ , l = C 90 °, 1 and some parameters of the run length matrix R o = R 90 ° above the direction of illumination β = 0 are shown in Fig. 3 as examples for different run lengths and directions of investigation ° to β = 360 °, because the course of the texture parameters is particularly concise for this shift angle Φ and this shift length l. A clear dependency in all parameters on the direction of illumination can be seen. The parameter Run Percentage R RP , not shown in Fig. 3, behaves similarly to the Short Run Emphasis R SRE , the Gray Level Nonuniformity R GLN and the Run Length Nonuniformity R RLN . A more or less pronounced periodicity of the texture parameters is very clearly visible, whereby extreme values of the texture parameters, depending on their definition, consistently occurred at β = 0 °, 90 °, 180 °, 270 °, either when illuminated perpendicular to the main fold direction or in the main fold direction . A preferred direction can therefore be easily quantified on the basis of a change in the direction of illumination with all texture parameters.

Anhand eines Parameters, dem Kontrast CCON, soll dies exemplarisch verdeutlicht werden. Für den Beleuchtungswinkel β = 0°, also senkrecht zur Hauptfaltenrichtung, weist CCON in Richtung Φ=90°, d. h. parallel zur Hauptfaltenrichtung, ein Minimum auf. Geht man in dieser Untersuchungsrichtung, also entlang der Hauptfaltenrichtung vor, so werden die Grauwertübergänge in der Co-Occurence-Matrix C90°,1 durch eine Vielzahl von Kombinationen gleicher oder nahe beieinanderliegender Grauwerte geprägt, wie man anhand von Abb. 2 unschwer nachvollziehen kann. Die Elemente der Co-Occurence-Matrix liegen demnach eng um deren Hauptdiagonale, der Parameter Kontrast CCON wird ergo klein, da gemäß der Definitionsgleichung (8) der Abstand zur Hauptdiagonalen quadratisch in diese Kenngröße eingeht. Im Gegensatz dazu werden bei Beleuchtung aus der Richtung β=90°, also entlang der Hauptfaltenrichtung, auch kleinere Hautunebenheiten in Faltenrichtung hervorgehoben; die Grauwertübergänge enthalten dann mehr Kombinationen auch weiter auseinanderliegender Grauwerte. Damit ist die Co-Occurence-Matrix entlang der Hauptdiagonalen in einem breiteren Band belegt und der Kontrast CCON erreicht für Beleuchtung in Hauptfaltenrichtung β = 90° für den Verschiebungswinkel Φ=90° ein Maximum.This should be illustrated using a parameter, the contrast C CON . For the illumination angle β = 0 °, ie perpendicular to the main fold direction, C CON has a minimum in the direction Φ = 90 °, ie parallel to the main fold direction. If one proceeds in this direction of investigation, i.e. along the main fold direction, the gray value transitions in the co-occurrence matrix C 90 °, 1 are characterized by a large number of combinations of the same or closely spaced gray values, as can be easily understood from Fig. 2 . The elements of the co-occurrence matrix therefore lie closely around their main diagonal, the parameter contrast C CON is ergo small, since according to the definition equation (8) the distance to the main diagonal is squared in this parameter. In contrast to this, when the illumination is from the direction β = 90 °, that is, along the main fold direction, even minor skin irregularities in the fold direction are emphasized; the gray value transitions then contain more combinations of gray values that are further apart. The co-occurrence matrix along the main diagonals is thus covered in a wider band and the contrast C CON reaches a maximum for illumination in the main fold direction β = 90 ° for the displacement angle Φ = 90 °.

Für die weiteren Untersuchungen wurden alle Replicas mit einer Marke versehen, die die Ausrichtung der Replica zur Körperachse festlegt, da anhand von Abb. 3 deutlich erkennbar ist, daß alle Texturparameter bei Variation des Beleuchtungswinkels β einen mehr oder weniger großen Wertebereich überstreichen. Anhand dieser Marke wurden dann die Replicas unter dem Mikroskop ausgerichtet. For the further examinations, all replicas were provided with a mark, which determines the orientation of the replica to the body axis, since it can be clearly seen from Fig. 3 that all texture parameters cover a more or less large value range when the illumination angle β is varied. The Replicas were then aligned under the microscope using this mark.

Charakterisierung der Hautoberfläche verschiedener KörperpartienCharacterization of the skin surface different Body parts

Weiter ermittelt wurden nun Texturparameter von acht verschiedenen Hautarealen eines 24jährigen, männlichen Probanden mit gesunder Haut, wobei Abdrücke gemäß Abb. 4 an folgenden acht Stellen genommen werden:Texture parameters of eight different skin areas of a 24-year-old male subject with healthy skin were also determined, whereby impressions according to Fig. 4 are taken at the following eight places:

  • a. Gesicht (sogenannte Krähenfüße im Bereich der Schläfen),a. Face (so-called crow's feet in the area of the Temples),
  • b. Nacken,b. Neck,
  • d. Oberarm,d. Upper arm,
  • e. Unterarm, volar,e. Forearm, volar,
  • f. Abdomen,f. Abdomen,
  • c. Lumbalregion,c. Lumbar region,
  • g. Oberschenkel, ventral,G. Thigh, ventral,
  • h. Unterschenkel, dorsal.H. Lower leg, dorsal.

Die typische, teilweise sich stark unterscheidende Hautstruktur dieser einzelnen Hautareale ist ebenfalls in Abb. 4 dokumentiert. Die Replicas wurden in einer Größe (ca. 10 cm²) erstellt, daß eine Auswertung an jeweils sechs unterschiedlichen Meßfeldern auf ihnen erfolgen konnte. Aus diesen Meßfeldern wurden die Texturparameter bestimmt, aus den so erhaltenen Kenngrößen wurden dann jeweils der Mittelwert sowie der größte und der kleinste vorkommende Wert der Texturparameter einer jeden Körperpartie bestimmt.The typical, sometimes very different skin structure of these individual skin areas is also documented in Fig. 4. The replicas were created in a size (approx. 10 cm²) so that they could be evaluated on six different measuring fields. The texture parameters were determined from these measurement fields, and the mean values, the largest and the smallest occurring value of the texture parameters of each body part were then determined from the parameters thus obtained.

Einige besonders aussagekräftige Texturkenngrößen sollen im folgenden diskutiert werden. Dargestellt für die acht Hautpartien sind in Abb. 5 als BalkendiagrammeSome particularly meaningful texture parameters are discussed below. Fig. 5 shows the eight skin areas as bar graphs

  • - von den statistischen Kennwerten der Mittelwert Mgw und der Exzeßγ₂ der Grauwertverteilung, - of the statistical characteristic values, the mean value M gw and the excess γ ₂ of the gray value distribution,
  • - von den Parametern der Co-Occurence-Matrix G0°,1 die Kenngrößen Zweites Winkelmoment CASM, Korrelation und Kontrast als nicht ausgefüllte Balken zusätzlich sind einige Parameter der Co-Occurence-Matrix G135°,1 als ausgefüllte und der Matrix G90°,1 als gepunktete Balken aufgetragen,- From the parameters of the co-occurrence matrix G 0 °, 1 the parameters second angular moment C ASM , correlation and contrast as open bars are also some parameters of the co-occurrence matrix G 135 °, 1 as filled and the matrix G 90 °, 1 plotted as dotted bars,
  • - von den Parametern der Run-Length-Matrix R die Kenngrößen Short Run Emphasis RSRE, Long Run Emphasis RLRE und Run Length Nonuniformity RRLN.- from the parameters of the run length matrix R 0 ° the parameters Short Run Emphasis R SRE , Long Run Emphasis R LRE and Run Length Nonuniformity R RLN .

Aufgetragen ist in Abb. 5 als Balken das Band, in dem die an sechs verschiedenen Meßfeldern eines Hautareals ermittelte jeweilige Kenngröße liegt. Der Mittelwert dieser sechs Werte ist durch einen horizontalen Strich durch den Balken gekennzeichnet.In Fig. 5, the band is plotted as a bar, in which the respective parameter determined on six different measuring fields of a skin area is located. The average of these six values is indicated by a horizontal line through the bar.

Für einen Betrachter ist es anhand der acht verschiedenen Grauwertbilder in Abb. 4 möglich, eine Unterscheidung der Hautareale durchzuführen, obwohl die Rauheitsparameter der betrachteten Hautpartien teilweise sehr dicht beieinander liegen. Die Texturparameter lassen im Gegensatz zu den Rauheitskenngrößen eine verhältnismäßig einfache Klassifizierung der einzelnen Hautareale zu.Using the eight different gray-scale images in Fig. 4, it is possible for a viewer to differentiate between the skin areas, although the roughness parameters of the skin areas under consideration are sometimes very close to one another. In contrast to the roughness parameters, the texture parameters allow a relatively simple classification of the individual skin areas.

Schon die Auswertung der statistischen Kennwerte in Abb. 5 läßt erkennen, daß die einzelnen Hautareale mit diesen Parametern grob zu unterscheiden sind. Der mittlere Grauwert mgw der Grauwertverteilung weist in den einzelnen Hautarealen erhebliche Unterschiede auf. Dies ist auf die unterschiedlich starke Ausprägung der Hautfalten, die wiederum eine mehr oder weniger starke Schattierung durch die Beleuchtung bewirkt, zurückzuführen. Ungünstig für eine Charakterisierung unterschiedlicher Hautareale ist allerdings, daß das Band, in dem sich die sechs Kennwerte einer Hautpartie befinden, teilweise recht groß ist. Der Exzeß der Grauwertverteilung ist für eine Unterscheidung der Hautareale hingegen der von den statistischen Kennwerten bestgeeigneste Parameter, da hier überwiegend ein sehr schmales Band der sechs Kennwerte vorliegt. Für die Wertebereiche einiger Hautareale, beispielsweise bei Nacken und Abdomen oder bei Ober- und Unterschenkel reichen die statistischen Kennwerte zur Unterscheidung der Hautareale noch nicht aus. Hier ist eine erfindungsgemäße weitere Information aus den Kennwerten der Co-Occurence-Matrix und der Run-Length-Matrix für eine Klassifizierung erforderlich.Even the evaluation of the statistical parameters in Fig. 5 shows that the individual skin areas can be roughly differentiated with these parameters. The mean gray scale value m gw of the gray scale distribution shows considerable differences in the individual skin areas. This is due to the different degrees of expression of the skin folds, which in turn causes more or less shading from the lighting. It is unfavorable for a characterization of different skin areas, however, that the band in which the six characteristic values of a skin area are located is sometimes quite large. In contrast, the excess of the gray value distribution is the most suitable parameter for differentiating the skin areas from the statistical characteristic values, since here there is predominantly a very narrow band of the six characteristic values. The statistical parameters for differentiating the skin areas are not yet sufficient for the value ranges of some areas of the skin, for example in the neck and abdomen or in the upper and lower legs. Here, further information according to the invention from the characteristic values of the co-occurrence matrix and the run-length matrix is required for a classification.

Anhand der Parameter der Co-Occurence-Matrix C0°,1 lassen sich direkt Unterscheidungen für fast alle betrachteten Hautareale erstellen. Beispielsweise lassen sich schon allein mittels des Kontrastes CCON die Bereiche Oberarm, Unterschenkel, Unterschenkel und Lumbalregion sicher detektieren. Für die Bereiche Unter- und Oberschenkel sowie für den Oberarm erhält man kleine Werte dieser Kenngröße. Hier wird eine durch wenig tiefe Falten ausgewiesene Struktur herausgefunden. Ein starker Kontrast bestimmt hingegen in der Richtung Φ = 0° die Bilder von Nacken und Abdomen, da die Hautfaltenrichtung senkrecht zu dieser Richtung liegt; für Φ = 90° ist der Kontrast bei diesen beiden Hautarealen daher deutlich geringer ausgeprägt, in Abb. 5 als gepunkteter Balken dargestellt.Using the parameters of the co-occurrence matrix C 0 °, 1 , distinctions can be made directly for almost all skin areas under consideration. For example, the areas of the upper arm, lower leg, lower leg and lumbar region can be reliably detected using the contrast C CON alone. Small values of this parameter are obtained for the lower and upper thighs and for the upper arm. A structure identified by folds that are not deep is found here. In contrast, a strong contrast determines the images of the neck and abdomen in the direction Φ = 0 °, since the skin fold direction is perpendicular to this direction; For Φ = 90 ° the contrast in these two skin areas is therefore significantly less pronounced, shown in Fig. 5 as a dotted bar.

Zieht man die Information aus dem Zweiten Winkelmoment CASM zusätzlich hinzu, so ist bis auf die Unterscheidung zwischen Gesicht und Unterarm sowie Nacken und Abdomen, die jeweils ähnliche Kenngrößenbereiche umfassen, eine weitgehende Klassifizierung der Hautareale möglich. Für die letztgenannten Kombinationen ist die dargestellte Information aus einem Verschiebungswinkel Φ und einer Verschiebungslänge l nicht ausreichend. Wertet man aber eine weitere Verschiebungslänge aus, wie in Abb. 5 beim Kontrast für Φ = 135° als ausgefüllte Balken bei einigen Hautarealen dargestellt, so ist anhand dessen eine vollständige Klassifizierung aller Hautareale anhand der verwendeten Co-Occurence-Parameter gegeben.If the information from the second angular moment C ASM is also added, a broad classification of the skin areas is possible apart from the distinction between face and forearm as well as neck and abdomen, which each include similar parameter ranges. The information shown from a displacement angle aus and a displacement length l is not sufficient for the latter combinations. If, however, a further displacement length is evaluated, as shown in Fig. 5 for the contrast for Φ = 135 ° as a solid bar in some skin areas, a complete classification of all skin areas based on the co-occurrence parameters used is given.

Gleiche Tendenzen wie der Kontrast weist die nicht dargestellte Entropie auf; die jeweils sechs Werte sind aber in einem etwas schmaleren Band zu finden, können also ebenfalls sinnvoll zur Unterscheidung der einzelnen Hautareale eingesetzt werden. Die Korrelation zeigt für Φ=0° für die einzelne Hautareale keine sehr starken Unterschiede; für andere Verschiebungswinkel Φ werden aber deutlichere Differenzierungen möglich.It does not show the same tendencies as the contrast shown entropy; which are each six values but can be found in a slightly narrower volume also useful to differentiate the individual skin areas can be used. The correlation shows very little for Φ = 0 ° for the individual skin areas strong differences; for other displacement angles Φ but clearer differentiations are possible.

Auch die Kenngrößen der Run-Length-Matrix können sinnvoll zur Charakterisierung der Hautoberfläche herangezogen werden. Short Run Emphasis RSRE und Long Emphasis RLRE bewegen sich gegenläufig, wie es definitionsgemäß zu erwarten war. Insbesondere die Short Run Emphasis liegt mit ihren sechs Werten aus den verschiedenen Meßfeldern immer in einem sehr schmalen Band und grenzt so einzelne Hautareale gut ab. Eine gleichartige Tendenz wie die Short Run Emphasis weist die Run Percentage auf. Die Run Length Nonuniformity RRLB zeigt bei den Replicas von Nacken und Abdomen in Richtung Φ = 0° ganz charakteristisch größte Werte an, d. h., senkrecht zur Hauptfaltenrichtung besitzt kein Grauwert eine ausgeprägt hohe Lauflänge. Diese Kenngröße zeigt demnach ein sowohl dem Co-Occurence-Parameter CCON als auch der nicht dargestellten Gray Level Nonuniformity RGLN umgekehrt proportionales Verhalten. Die Run Percentage RRP verläuft ähnlich wie RRLN.The parameters of the run-length matrix can also be used to characterize the skin surface. Short Run Emphasis R SRE and Long Emphasis R LRE move in opposite directions, as was to be expected by definition. The Short Run Emphasis in particular, with its six values from the various measuring fields, is always in a very narrow band and thus delimits individual skin areas well. The run percentage shows a similar trend to the short run emphasis. The run length non-uniformity R RLB characteristically shows the greatest values for the replicas of the neck and abdomen in the direction Φ = 0 °. This parameter accordingly shows a behavior which is inversely proportional to both the co-occurrence parameter C CON and the gray level non-uniformity R GLN ( not shown). The run percentage R RP is similar to R RLN .

Nachdem für die acht Hautareale eine Charakterisierung anhand der Texturparameter vorgenommen werden konnte, ist es möglich, umgekehrt auch eine Klassifikation der verschiedenen Hautareale vorzunehmen, also aus einem beliebigen Hautareal einen Satz von Texturparametern zu bestimmen und dann damit das Hautareal einer Körperpartie zuzuordnen. Dieses erscheint insbesondere im Hinblick auf die Einordnung von Krankheitsbildern der menschlichen Haut von Interesse.After a characterization for the eight skin areas based on the texture parameters, it is possible to reverse the classification of different skin areas, so from one add a set of texture parameters to any skin area determine and then the skin area of one Assign part of the body. This appears in particular with regard to the classification of clinical pictures of human skin of interest.

Untersuchung des Effektes kosmetischer BehandlungInvestigation of the effect of cosmetic treatment

Die Beeinflussung der menschlichen Haut durch Kosmetika konnte von verschiedenen Autoren anhand von Rauheitskenngrößen nachgewiesen werden. Es wurde anhand einer vergleichenden Untersuchung zwischen Profilometrie und Texturanalyse untersucht, ob eine Applikation von Kosmetika auf die Haut anhand der Texturparameter gezeigt werden kann. Hierzu wurden von einer 25jährigen Probandin 3 Wochen lang täglich Replicas vom Oberschenkel oberhalb des rechten Knies erstellt und sowohl Profilometrisch als auch texturanalytisch ausgewertet. Während der ersten sieben Tage fand keine kosmetische Behandlung statt; die darauffolgenden 15 Tage wurde die Haut täglich mit der handelsüblichen W/O-Creme pH5-Eucerin® (Hersteller: Beiersdorf AG, Hamburg) behandelt.The influence of cosmetics on human skin could by different authors based on Roughness parameters can be demonstrated. It was based on a comparative investigation between Profilometry and texture analysis examined whether a Application of cosmetics to the skin using the Texture parameters can be shown. For this purpose, a 25-year-old female subject daily for 3 weeks Replicas from the thigh above the right knee created and both profilometric as well evaluated by texture analysis. During the first seven There was no cosmetic treatment for days; the the following 15 days the skin was treated daily with the commercial W / O cream pH5-Eucerin® (manufacturer: Beiersdorf AG, Hamburg).

Zur laserprofilometrischen Vermessung, vgl. auch Saur (Saur, R.; Schramm, U.; Steinhoff, R.; Wolff, H.H.: Strukturanalyse der Hautoberfläche durch computergestützte Laser-Profilometrie; Der Hautarzt 42; 499-506; 1991) wurde ein Areal von 5.12 × 5.12 mm² bei einer Auflösung von 20 µm in 256 Parallelschnitten vermessen und daraus der arithmetische Mittenrauhwert Ra gemäß DIN 4762: Oberflächenrauheit, Begriffe, Oberfläche und ihre Kenngrößen; Beuth Verlag, Berlin; 1/1989, ermittelt. In Abb. 6 sind die ermittelten Ra-Werte über dem Behandlungszeitraum aufgetragen, wobei eine Abnahme des Mittenrauhwertes zu erkennen ist. Zum Ende der Behandlung hin stellte sich ein geringfügiges Nachlassen der hautglättenden Wirkung des Präparates ein, welches sich in einem leichten Wiederanstieg der Ra-Werte äußerte, wobei der arithmetische Mittenrauhwert allerdings nach wie vor deutlich unter den vor der Applikation von pH5-Eucerin® ermittelten Werten lag.For laser profilometric measurement, cf. also Saur (Saur, R .; Schramm, U .; Steinhoff, R .; Wolff, HH: structural analysis of the skin surface by computer-aided laser profilometry; dermatologist 42; 499-506; 1991) was an area of 5.12 × 5.12 mm² measured a resolution of 20 µm in 256 parallel sections and from this the arithmetic mean roughness R a according to DIN 4762: surface roughness, terms, surface and their parameters; Beuth Verlag, Berlin; 1/1989. Fig. 6 shows the R a values determined over the treatment period, whereby a decrease in the mean roughness value can be seen. Towards the end of the treatment, there was a slight decrease in the skin-smoothing effect of the preparation, which was expressed in a slight increase in the R a values, although the arithmetic mean roughness still determined significantly below that before the application of pH5-Eucerin® Values.

Vergleichend zur Abb. 6 ist für die Texturparameter festzustellen: Einige Texturparameter weisen ein dem Verlauf des arithmetischen Mittenrauhwertes ähnliches Verhalten auf, sind also offensichtlich sensitiv zur Detektion einer kosmetischen Behandlung. Andere Texturkenngrößen werden durch Applikation eines kosmetischen Präparates nicht in ihrem Kurvenverlauf beeinflußt. Im einzelnen gilt:Comparing to Fig. 6, the following can be determined for the texture parameters: Some texture parameters have a behavior similar to the course of the arithmetic mean roughness value, so they are obviously sensitive to the detection of a cosmetic treatment. The application of a cosmetic preparation does not affect the curve shape of other texture parameters. The following applies in particular:

Deutlich sichtbar war ein Behandlungseffekt anhand der ParameterA treatment effect was clearly visible on the basis of the parameter

  • - Korrelation CCOR,- correlation C COR ,
  • - Konstrast CCON,- Contrast C CON ,
  • - Run Length Nonuniformity RRLN;- Run Length Nonuniformity R RLN ;

diese Kenngrößen sind in Abb. 7 aufgetragen. Während die Korrelation eine dem Ra-Wert entsprechende Abnahme durch Applikation des kosmetischen Präparates sowie eine leicht ansteigende Tendenz zum Ende der Behandlung hin aufweist, verhält sich der Kontrast umgekehrt proportional dem arithmetischen Mittenrauhwert; letztgenannten Verlauf weist auch die Run Length Nonuniformity auf.these parameters are plotted in Fig. 7. While the correlation shows a decrease corresponding to the R a value due to application of the cosmetic preparation and a slightly increasing tendency towards the end of the treatment, the contrast is inversely proportional to the arithmetic mean roughness; the latter course also shows the run length non-uniformity.

Schwach, aber nicht signifikant erkennbar war der Behandlungseffekt anhand der Kenngrößen Zweites Winkelmoment CASM, Entropie CENT, Run Percentage RRP, Short Run Emphasis RSRE, Long run Emphasis RLRE und Gray Level Nonuniformity RGLN.The treatment effect was weak but not significantly recognizable on the basis of the parameters second angular moment C ASM , entropy C ENT , run percentage R RP , short run emphasis R SRE , long run emphasis R LRE and gray level nonuniformity R GLN .

Keine ausgeprägte Tendenz in der Veränderung der Parameter bei kosmetischer Behandlung zeigten die statistischen Kennwerte.No pronounced tendency in changing the The parameters of cosmetic treatment showed statistical parameters.

Festzuhalten ist, daß in allen hier angegebenen Parametern von Co-Occurence-Matrix und Run-Length-Matrix eine mehr oder weniger ausgeprägte Veränderung aufgrund einer kosmetischen Behandlung gegenüber der unbehandelten Haut zu erkennen ist, während die Parameter der Grauwertverteilung keine Eignung aufweisen. Die Korrelation verläuft dabei proportional dem arithmetischen Mittenrauhwert, die Werte von Kontrast und Run Length Nonuniformity haben hingegen dein zu Ra umgekehrt proportionales Verhalten. Die Veränderung der Texturparameter durch eine Behandlung weist in ihren Zahlenwerten eine Höhe auf, die etwas größer ist, als die Höhe des Bandes ist, in dem die sechs auf verschiedenen Meßfeldern eines Hautareals erhaltenen Kenngrößen liegen; die Veränderung ist aber deutlich kleiner als es die Unterschiede zwischen einzelnen Hautarealen sind. Ein Behandlungseffekt kann demnach durch das beschriebene einfache bildanalytische Verfahren charakterisiert werden. It should be noted that in all of the parameters of co-occurrence matrix and run-length matrix given here, a more or less pronounced change due to cosmetic treatment compared to the untreated skin can be seen, while the parameters of the gray value distribution are unsuitable. The correlation is proportional to the arithmetic mean roughness, while the values of contrast and run length non-uniformity have the behavior that is inversely proportional to R a . The change in the texture parameters due to a treatment has a numerical value that is somewhat greater than the height of the band in which the six parameters obtained on different measuring fields of a skin area lie; however, the change is significantly smaller than the differences between individual skin areas. A treatment effect can therefore be characterized by the simple image analysis method described.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein in der quantitativen Hautuntersuchung neuer Parametersatz vorgestellt, der es ermöglicht, eine recht differenzierte Charakterisierung der menschlichen Hautoberfläche vorzunehmen. Kenngrößen der Co-Occurence-Matrix und der Run-Length-Matrix sowie auch statistische Kennwerte der Grauwertverteilung stellen zu den bisher überwiegend verwendeten Rauheitsparametern eine sinnvolle Alternative dar. Einerseits besitzt das vorgestellte Verfahren einen deutlich geringeren Zeitaufwand für eine Messung mit anschließender Auswertung als eine Bestimmung von Rauheitskenngrößen, andererseits kann durch die Vielzahl von einfach zu ermittelnden Texturkenngrößen eine stärkere Unterscheidung einzelner Hautcharakteristika erfolgen. Die Beschreibung von acht unterschiedlichen Hautarealen mit Hilfe von Texturparametern ist ein erster Schritt in Richtung einer gesamtheitlichen mathematischen Beschreibung der Hautoberfläche des menschlichen Körpers.With the method according to the invention a quantitative skin examination new parameter set presented, which enables a right differentiated characterization of human Skin surface. Characteristics of the Co-Occurrence Matrix and the Run-Length Matrix as well also statistical parameters of the gray value distribution to the predominantly used so far Roughness parameters are a sensible alternative. On the one hand, the method presented has one significantly less time required for a measurement with subsequent evaluation as a determination of Roughness parameters, on the other hand, can be determined by the Variety of easy-to-determine texture parameters a stronger distinction between individuals Skin characteristics occur. The description of eight different skin areas with the help of Texture parameters is a first step in the direction a comprehensive mathematical description of the Skin surface of the human body.

Die Möglichkeiten, verhältnismäßig leichte Veränderungen der Hautoberfläche durch Einflüsse wie kosmetische Behandlung mittels bildanalytischer Texturuntersuchungen zu charakterisieren, sind in dieser Erfindung vorgestellt worden. Aufgrund dieser Resultate konnten einige Texturparameter angegeben werden, die einen Behandlungseffekt deutlich aufzeigten, und Parameter, in denen nur leichte Trends erkennbar waren. Ganz sicher können durch eine Texturanalyse aber mehr oder weniger ausgeprägte, gegebenenfalls auch pathologische Veränderungen der Hautoberfläche detektiert werden. The possibilities are relatively easy Changes in the skin surface due to influences such as cosmetic treatment by means of image analysis To characterize texture studies are in of this invention. Based on these Results were able to give some texture parameters that have a treatment effect clearly and parameters in which only slight trends were recognizable. Certainly can by Texture analysis but more or less pronounced, possibly also pathological changes in the Skin surface can be detected.  

Entscheidend ist dieses insbesondere im Hinblick auf zukünftig wesentlich vereinfachte quantitative Untersuchungsverfahren der menschlichen Hautoberfläche.This is particularly important with regard to Quantitatively simplified in the future Examination procedure of the human skin surface.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es direkt an der lebenden Haut angewendet werden kann, da die Messungen schnell erfolgen können. Es ist also nicht erforderlich, in einem aufwendigen Zwischenschritt, Replicate der Hautoberflächen herzustellen.A particular advantage of the method according to the invention is that it is directly on the living skin can be applied because the measurements are fast can be done. So it is not necessary in an elaborate intermediate step, replicate the To produce skin surfaces.

Claims (5)

1. Verfahren zur meßtechnischen quantitativen Bestimmung der Textur der menschlichen Hautoberfläche durch Registrierung, Wiedergabe und Analysierung von Bildinformationen, dadurch gekennzeichnet, daß man Grauwertbilder von der Haut oder einem Abdruck der Hautoberfläche (Replica) unter gezielter Beleuchtung der Haut oder Replica unter einem definiertem Beleuchtungswinkel anfertigt und mathematische Kenngrößen über die Grauwertverteilung über digitale Bildverarbeitung ermittelt und daß man a) zusätzlich Bilder von unterschiedlich kontrastierter flächiger Struktur herstellt und Kenngrößen über die Grauwertübergänge ermittelt und/oder b) die Lauflängen eines Grauwertes hinsichtlich ihrer Normverteilung und ihrer Verteilungsfunktionen sowie signifikanter Abweichungen analysiert.1. A method for the quantitative measurement of the texture of the human skin surface by registration, reproduction and analysis of image information, characterized in that gray-scale images of the skin or an imprint of the skin surface (replica) are produced with targeted illumination of the skin or replica at a defined illumination angle and mathematical parameters via the gray value distribution via digital image processing and that a) additional images of differently contrasted flat structures are produced and parameters via the gray value transitions are determined and / or b) the run lengths of a gray value are analyzed with regard to their standard distribution and their distribution functions as well as significant deviations. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Kennwerte oder Kenngrößen der Co-Occurence-Matrix und/oder der Run-Length-Matrix verwendet.2. The method according to claim 1, characterized characterized that you have characteristic values or parameters the co-occurrence matrix and / or the Run-length matrix used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kenngrößen oder Parameter die Korrelation CCOR, den Kontrast CCON und/oder die Run Length Nonuniformity RRLN verwendet.3. The method according to claim 1, characterized in that the correlation C COR , the contrast C CON and / or the run length non-uniformity R RLN is used as parameters or parameters. 4. Verfahren nach Anspruch 1 zur meßtechnischen Bestimmung der Textur vor und/oder nach Behandlung der menschlichen Hautoberfläche mit kosmetischen oder pharmazeutischen Mitteln. 4. The method according to claim 1 for metrological Determination of the texture before and / or after treatment the human skin surface with cosmetic or pharmaceutical agents.   5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Kaltlichtquelle zur Beleuchtung der Probe (Haut, Replica), einem Mikroskop und einer CCD-Kamera zur Aufnahme der Grauwertbilder und einem Bildverarbeitungssystem und einem Auswerterechner mit dem beschriebenen Rechenprogramm für die Grauwertbilder besteht.5. Device for performing the method according to Claim 1, characterized in that it consists of a cold light source for illuminating the sample (Skin, replica), a microscope and one CCD camera for recording the gray scale images and an image processing system and one Evaluation computer with the described Computer program for the gray scale images exists.
DE19934313258 1993-04-23 1993-04-23 Method and device for the quantitative measurement of the texture of the human skin surface by means of registration, reproduction and analysis of image information Withdrawn DE4313258A1 (en)

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