KR20060131354A - Colorimetric analysis of digital images obtained using digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
색상 체계 혹은 색상 공간은 색을 측정하고 이해하며 재생산하는데 필수적인 요소로, 이를 이용한 피부 색의 변화에 대하여 많은 연구가 진행되어 왔다. 피부과적으로 본다면, 색상 체계에서 비교적 적합한 것은 CIELAB 즉 CIE L*a*b*로, 색의 차이에 대한 지각을 선상화 시키어 표현하여 지각적으로 균일한 색상 공간을 형성한다. 따라서, 색상 공간의 두 지점 사이의 거리는 눈으로 느끼게 되는 색의 차이에 해당 되며, 양적으로 표현이 가능하게 된다. 3개의 좌표 즉 L*, a*, b*의 세 좌표로 표현되는데, L*은 밝거나 어두움의 축을, a*는 적색에서 녹색에 이르는 축을, b*는 노란색에서 푸른색의 축을 나타낸다. 기존에는 임상적으로 이러한 피부 등의 색상 공간 좌표를 측정하기 위하여 분광광도계(spectrophotometer)를 이용해 왔으나, 기기가 매우 고가이며, 해당 부위에 접촉해야 측정이 가능하여 측정하고자 하는 부위의 모양이나 위치에 따라 측정이 곤란한 경우가 많아, 색 측정의 필요성이 많음에도 실제로 임상에서 널리 사용하기에는 어려움이 많았다.The color system or color space is an essential element for measuring, understanding, and reproducing color, and much research has been conducted on the change of skin color using the color system or color space. Dermatologically, it is CIELAB, or CIE L * a * b *, which is relatively suitable in the color system, and creates perceptually uniform color space by linearizing the perception of color difference. Therefore, the distance between the two points in the color space corresponds to the difference of the color felt by the eyes, and can be expressed quantitatively. It is represented by three coordinates, L *, a *, and b *, where L * represents the axis of light or dark, a * represents the axis from red to green, and b * represents the axis from yellow to blue. In the past, a spectrophotometer has been used to measure color space coordinates of the skin, but the device is very expensive, and it is possible to measure it by touching the area, depending on the shape or location of the area to be measured. In many cases, it is difficult to measure, and although there is a great need for color measurement, it is difficult to be widely used in clinical practice.
현재 디지털 카메라는 피부과 등 임상 현장에 광범위하게 보급되어 필름 카메라를 대체하고 있다. 고가의 기기를 따로 구비하지 않고서도 대다수의 피부과 의사에게 보급되어 있는 디지털 카메라를 이용하여, 피부과적으로 중요한 색측학적 분석을 가능하게 함으로써 환자의 피부 상태를 객관적으로 평가하고 학문적으로 유용한 자료를 용이하게 얻을 수 있도록 하고자 한다.Currently, digital cameras are widely used in clinical fields such as dermatology and replace film cameras. By using digital cameras that are widely distributed to most dermatologists without the need for expensive equipment, it is possible to perform dermatologically important colorimetric analysis to objectively assess the patient's skin condition and to easily obtain academically useful data. I hope to get it.
위와 같은 과제를 이루기 위해 어느 정도의 접사가 가능한 고해상도의 디지털 카메라로 컬러 차트의 영상을 얻도록 하되, 컬러 차트는 다양한 수십 가지의 색상 구획을 가지는 컬러 차트를 사용하도록 한다. 컬러 차트의 각각의 색상 구획은 색의 측정에 표준적인 방법으로 이용되고 있는 분광광도계를 이용하여 L*, a*, b* 수치로 측정하여 이를 참고치로 이용하기로 한다. In order to achieve the above task, the image of the color chart is obtained with a high resolution digital camera capable of a certain degree of closeness, but the color chart uses a color chart having dozens of color blocks. Each color segment of the color chart is measured by L *, a *, b * values using a spectrophotometer which is used as a standard method for measuring color, and is used as a reference value.
촬영 시의 조명은 내, 외장의 플래시는 모두 사용하지 않도록 하며, 동기(synchronization)가 필요 없으며 재현성이 잘 유지되는 텅스텐 등, 삼색 형광 등, 특수하게 제작된 LED 조명 기구 등이 사용될 수 있다. 영상의 분석을 위해선 재현성 있는 영상이 필수적이나, 플래시 사진의 경우 빛의 특성 상 표면에서 발생하는 단순 반사에 대해 영상의 결과가 매우 큰 영향을 받고, 미세한 촬영 조건의 변화에도 색의 많은 차이를 보여 준다. 플래시를 이용하여 동일한 접사 사진을 수십 장 찍을 경우 저자들의 분석에 의하면 쉽게 밝거나 어두워 지는 재현성과 일관성이 부 족한 플래시 사진의 특징을 확인할 수 있었다. 또한, 피부과학적으로는 플래시 사진은 두드러진 피부 표면의 반사로 표면 하(subsurface)의 특징을 가리게 되어 색소, 염증, 혈관확장증 등의 다양한 피부 상태를 파악하기 어려워 진다. When shooting, the internal and external flashes should not be used, and tungsten, trichromatic fluorescent lamps, etc., which are well-reproducible and well-reproducible, may be used. Reproducible images are essential for the analysis of images, but in the case of flash photography, the results of the images are greatly influenced by the simple reflections occurring on the surface due to the characteristics of light, and there are many differences in colors even under the slight changes in the shooting conditions. give. In the case of taking dozens of the same close-up photo using the flash, the authors analyzed the characteristics of the flash photography, which was easily bright or dark, with insufficient reproducibility and consistency. In addition, dermatologically, flash photography obscures subsurface features due to the prominent reflection of the skin surface, making it difficult to identify various skin conditions such as pigmentation, inflammation, and vasodilation.
실제 촬영은 다음과 같이 한다. 주위 환경의 빛으로부터 영향을 받지 않도록 하기 위해 외부 광원을 최소화 하여 어두운 방에서 촬영하도록 하고, 또한 조명, 디지털 카메라, 피사체의 배치, 거리는 항상 일정하게 유지하도록 한다. 디지털 카메라에 의해 자동으로 이루어지는 화이트 밸런스는 임의로 사전에 설정된 상태로 고정하도록 하고 노출 보정하지 않으며 플래시는 발광하지 않도록 설정한다. 여러 카메라 모드 중 디지털 카메라 내부의 프로세서에 의한 왜곡이 최소화되는 수동 즉 매뉴얼 모드로 촬영하도록 한다. 한국인의 피부를 위 조명 기구와 디지털 카메라를 이용해 자동 모드로 동일하게 접사 촬영하였을 때 흔하게 나오게 되는 조리개, 셔터 속도, 감도 등의 카메라 설정을 미리 파악하여, 해당되는 매뉴얼 모드로 항상 일정하게 촬영한다.The actual shooting is as follows. To avoid being influenced by the light from the surrounding environment, minimize the external light source to shoot in a dark room, and keep the lighting, digital camera, subject placement, and distance at all times constant. The white balance automatically made by the digital camera is set to be arbitrarily set in a preset state, no exposure compensation is set, and the flash is not set to fire. Among other camera modes, the camera takes a manual or manual mode in which distortion by the processor inside the digital camera is minimized. When taking close-up shots of Korean skin in the same auto mode using the above lighting fixtures and digital cameras, the camera's settings, such as aperture, shutter speed, and sensitivity, are common.
디지털 카메라에서 얻어지는 디지털 영상은 대부분 sRGB의 색상 공간으로 저장된다. sRGB 좌표의 CIE L*a*b*로의 변환은 다음과 같이 알려져 있다. 즉, 0에서 255에 해당하는 8비트 정수의 sRGB(8-bit integer sRGB) 값을 공식[1]을 통해 부동소수점의 비선형 sR’G’B’(floating point non-linear sR’G’B’)로 전환시킨다. 비선형의 sR’G’B’는 공식[2]를 통해 선형의 RGB 값으로 계산되며, RGB 값은 아래 공식 [3]을 통해 CIEXYZ 체계의 삼자극치 즉, X, Y, Z로 전환이 가능하다. 이어서 공식 [4]를 통해 CIE L*a*b* 좌표로 전환한다. Most digital images obtained from digital cameras are stored in the color space of sRGB. The conversion of sRGB coordinates to CIE L * a * b * is known as follows. That is, a floating-point non-linear sR'G'B '(8-bit integer sRGB) of 8-bit integers, ranging from 0 to 255, is given by the formula [1]. Switch to). The nonlinear sR'G'B 'is calculated as a linear RGB value using formula [2], and the RGB value can be converted to the tristimulus values of the CIEXYZ system, ie X, Y, and Z, using the following formula [3]: . Then convert to CIE L * a * b * coordinates using formula [4].
R'sRGB=R8bit /255.0R ' sRGB = R 8bit /255.0
G'sRGB=G8bit /255.0 [1]G ' sRGB = G 8bit /255.0 [1]
B'sRGB=B8bit /255.0B ' sRGB = B 8bit /255.0
R=R'sRGB/12.92 R = R ' sRGB /12.92
G=G'sRGB/12.92 If R'sRGB, G'sRGB, B'sRGB ≤0.04045G = G ' sRGB /12.92 If R' sRGB , G ' sRGB , B' sRGB ≤0.04045
B=B'sRGB/12.92B = B ' sRGB /12.92
[2][2]
R=((R'sRGB+0.055)/1.055)2.4 R = ((R ' sRGB +0.055) /1.055) 2.4
G=((G'sRGB+0.055)/1.055)2.4 If R'sRGB, G'sRGB, B'sRGB > 0.04045G = ((G ' sRGB +0.055) /1.055) 2.4 If R' sRGB , G ' sRGB , B' sRGB > 0.04045
B=((B'sRGB+0.055)/1.055)2.4 B = ((B ' sRGB +0.055) /1.055) 2.4
[3] [3]
L*=116(Y/Yn)1/3-16 , if (Y/Yn)> 0.01L * = 116 (Y / Y n ) 1/3 -16, if (Y / Yn) > 0.01
L*=903(Y/Yn), otherweise [4] L * = 903 (Y / Y n ), otherweise [4]
a*=500[(X/Xn)1/3-(Y/Yn)1/3]a * = 500 [(X / X n ) 1 / 3- (Y / Y n ) 1/3 ]
b*=200[(Y/Yn)1/3-(Z/Zn)1/3]b * = 200 [(Y / Y n ) 1 / 3- (Z / Z n ) 1/3 ]
Xn, Yn and Zn: X, Y and Z tristumulus of reference whiteX n , Y n and Z n : X, Y and Z tristumulus of reference white
단, 이상과 같이 영상의 sRGB에서 계산된 CIE L*a*b* 수치는 실제의 CIE L*a*b* 수치와 차이가 있으므로, 실제 CIE L*a*b*에 가깝도록 오류를 수정할 수 있는 과정이 필요하다.However, as described above, the CIE L * a * b * value calculated in the sRGB of the image is different from the actual CIE L * a * b * value, so the error can be corrected to be closer to the actual CIE L * a * b * value. It is necessary to have a process.
우선 위에서 설명한 방법과 환경대로 컬러 차트의 각각의 모든 구획을 촬영한다. 분광광도계로 측정한 컬러 차트 각각의 색상 구획의 L*,a*,b* 참고치와, 촬영된 디지털 영상에서 위의 공식들을 이용해 수치 산출된 L*,a*,b* 결과를 아래와 같이 통계학적으로 비교한다. 두 군의 데이터 간의 연관성을 확인하기 위해 Pearson 상관 계수를 구하여 상관분석을 하여 직선적 관계를 확인한 후, 단순 선형 회귀 모델(simple linear regression model)을 이용한 회기 분석을 하여 두 관계를 설명할 수 있는 아래와 같은 공식 즉, 추정 회기 직선(estimated regression line)을 구하도록 한다. 이때 결정 계수(coefficient of determination, R2)를 통해 추정 회기 직선의 설명력이 얼마나 높은지 확인 할 수 있다.First, photograph each and every section of the color chart in the manner and environment described above. The L *, a *, b * reference values of each color segment measured by the spectrophotometer, and the L *, a *, b * results calculated numerically using the above formulas in the digital image taken are statistically shown below. Compare with. In order to check the correlation between the two groups of data, Pearson correlation coefficients were obtained and correlated to confirm the linear relationship, and then the regression analysis using the simple linear regression model can be used to explain the following relationship. Find the formula, or estimated estimated regression line. In this case, it is possible to determine how high the explanatory power of the estimated session line is through the coefficient of determination (R 2 ).
[5] [5]
: estimated value of dependent variable, : explanatory variable estimated value of dependent variable, explanatory variable
, : least squares estimator of regression coefficien , least squares estimator of regression coefficien
저자들의 연구 결과에 의하면, 위와 같이 디지털 영상을 얻고 분석하였을 때, L*,a*,b*에 모두에 대해 참고치와 계산된 수치가 직선적 관계를 보여주었고 설명력이 높은 추정 회기 직선을 얻을 수 있어, 이를 통해 특정 부위의 실제 CIE L*a*b* 수치를 계산해 낼 수 있었다. 즉, 특정한 재현성 있는 조명 환경, 디지털 카메라, 카메라 설정, 촬영 거리 및 방법으로 촬영된 피부의 디지털 영상은 위 공식 [1]부터 [5]를 이용해 피부과적으로 유용한 CIE L*a*b*의 실제 값과 매우 근사한 수치로서 계산해 낼 수 있다. 이는 특별한 고가의 장비가 따로 필요하지 않으므로 임상 현장에 바로 투입되어 피부 상태의 측정과 추적 관찰에 사용할 수 있었다. According to the authors' results, when the digital images were obtained and analyzed as above, the reference values and the calculated values were linearly related to L *, a *, and b *, and the estimated explanatory line with high explanatory power was obtained. This allowed us to calculate the actual CIE L * a * b * values for specific sites. In other words, digital images of the skin taken with specific reproducible lighting conditions, digital cameras, camera settings, shooting distances, and methods can be used to derive CIE L * a * b * practically using the above formulas [1] to [5]. It can be calculated as a value very close to the value. It does not require any special expensive equipment, so it can be put directly into the clinical field and used for skin condition measurement and follow-up.
기존에 색측학적 분석을 위하여 사용되는 고가의 장비인 분광광도계와 달리 적은 비용을 필요로 하며, 측정하고 하는 부위에 접촉하지 않아도 되며 원하는 특정 부위만을 직접 선택하여 분석할 수 있으므로 기존 장비로 측정하기 어려웠던 부위도 쉽게 측정이 가능하다. 객관적이고 분석이 가능한 수치 자료를 제공할 뿐 아니라, 임상가의 육안으로 평가가 가능한 환자의 임상 사진이 동시에 얻어지므로 추후 데이터의 검증이나 임상적 평가에 이용할 수 있다. Unlike expensive spectrophotometers that are used for colorimetric analysis, they require less cost, do not have to touch the area to be measured, and can select and analyze only specific areas of interest. The site can also be easily measured. In addition to providing objective and analytical numerical data, a clinical picture of a patient that can be evaluated by the clinician's naked eye is obtained at the same time so that it can be used for later data validation or clinical evaluation.
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