基于HSV色彩空間的OTSU色素障礙性皮膚病圖像分割

韓殿元 王國(guó)穎

摘要：基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的皮膚病診斷中，對(duì)病變圖像的準(zhǔn)確分割至關(guān)重要。HSV色彩空間中H分量具有很好的膚色聚類性，受光照、皮膚表面曲度變化等因素影響小，根據(jù)H/（S+V）采用大津法，結(jié)合濾波去燥增強(qiáng)、二值化圖像處理技術(shù)可較好地分割發(fā)生病變的皮膚圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法復(fù)雜度較小，對(duì)色素障礙性皮膚病圖像分割較準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：色素障礙性皮膚病;HSV色彩空間;OTSU;圖像分割

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）33-0213-02

在皮膚病的診斷中，發(fā)生病變的皮膚大小、顏色、形狀、位置等都是重要的診斷依據(jù)?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)的皮膚病診斷中，對(duì)病變圖像的準(zhǔn)確分割，是定量測(cè)量和分析的基礎(chǔ)。HSV色彩空間中正常皮膚的飽和度和亮度的平均值（s+v）/2與色調(diào)H相似，受光照影響較小，對(duì)光照和皮膚曲度有較好的魯棒性Ⅲ。本文對(duì)皮膚病變圖像分割的技術(shù)路線是先將圖像轉(zhuǎn)化到HSV色彩空間，對(duì)色斑圖像進(jìn)行濾波去燥，根據(jù)H/（S+v）采用OTSU對(duì)病變圖像進(jìn)行分割，再用二值形態(tài)學(xué)圖像處理。

1RGB到HSV色彩空間值轉(zhuǎn)化

目前皮膚數(shù)字圖像顏色表示主要采用RGB色彩空間。在對(duì)皮膚病變圖像進(jìn)行分割時(shí)，該色彩空間的分割效果并不理想。HSV色彩空間將RGB空間中相關(guān)性很強(qiáng)的R、G、B值轉(zhuǎn)化為相關(guān)性較弱的H、s、v值，H和S分量與人感受色彩的方式一致。HSV色彩空間中的色調(diào)H用來(lái)表示不同的顏色，皮膚顏色在H分量中分布較為集中，根據(jù)H分量對(duì)皮膚圖像進(jìn)行分割較為容易。

HSV使用色調(diào)（Hue）、飽和度（saturation）和亮度（Lightness）三個(gè)分量來(lái)定義顏色。HSV色彩空間可從RGB色彩空間轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)，且變換是可逆的，方法如下：

2圖像濾波去燥

對(duì)圖像進(jìn)行濾波去燥，主要目的是在盡量保留圖像細(xì)節(jié)特征的條件下對(duì)目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行抑制，是圖像預(yù)處理中不可缺少的操作，其處理效果的好壞將直接影響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可靠性。

本文采用中值濾波對(duì)色斑圖像進(jìn)行去燥增強(qiáng)，中值濾波采用非線性的方法，它在平滑脈沖噪聲方面非常有效，同時(shí)它可以保護(hù)色斑圖像的邊緣。

具體的方法是將HSV色彩空間中的H、s、v三個(gè)分量分別進(jìn)行3x3中值濾波處理，不對(duì)圖像的邊界做任何處理。

3皮膚顏色在HSV色彩空間的穩(wěn)定性

3.1不同強(qiáng)度光照、不同表面曲度對(duì)皮膚測(cè)量的影響

圖像成像系統(tǒng)對(duì)光照和表面曲度是很敏感的。在一定的色彩空間中，皮膚顏色的分布較為集中。皮膚顏色的差異主要是由于光照、皮膚表面曲度等因素的影響。

路毅行對(duì)不同強(qiáng)度光照對(duì)皮膚測(cè)量的影響和不同表面曲度對(duì)皮膚測(cè)量的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在膚色保持不變的情況下，一定光照范圍內(nèi)，正常皮膚的飽和度S和亮度v的均值（S+V）/2與色調(diào)H一樣，對(duì)光照和光照角度具有較好的魯棒性。當(dāng)膚色發(fā)生變化時(shí)，（S+V）/2也隨之改變，但與色調(diào)H的變化方向相反，故H/（S+V）可提高HSV色彩空間對(duì)病變的分辨力。

3.2正常皮膚和色素障礙性皮膚H/（S+V）對(duì)比

HSV色彩空間正常皮膚H/（S+V）值較為穩(wěn)定，而發(fā)生色素障礙的皮膚H/（S+V）值會(huì)發(fā)生較大的變化，如圖1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，在H/（S+V）值的三維網(wǎng)格圖中，發(fā)生病變部位的H/（S+V）值要么比正常皮膚的H/（S+V）值高，如圖2中（a）和（c），也有的病變部位的H/（S+V）值比正常皮膚的H/（S+V）值小，如圖2中（e）。概括起來(lái)，發(fā)生病變部位的H/（S+V）值比正常皮膚的H/（S+V）值有明顯變化，這樣對(duì)病變部位與正常皮膚的分割非常有利。

4基于oTSU閾值圖像分割

OTSU算法（大津法或最大類間方差法）是由日本學(xué)者OTSU于1979年提出的一種對(duì)圖像進(jìn)行二值化的高效算法。

OTSU最大類間方差法原理是利用閾值將原圖像分成前景，背景兩個(gè)圖像。當(dāng)取最佳閾值時(shí)，背景應(yīng)該與前景差別最大，其關(guān)鍵是選擇一個(gè)合適的衡量差別的標(biāo)準(zhǔn)，OTSU算法中用最大類間方差作為衡量差別的標(biāo)準(zhǔn)。

OTSU算法適合對(duì)前景和背景差距大的圖像進(jìn)行分割，且運(yùn)算速度非?？?。前面將圖像轉(zhuǎn)化到HSV色彩空間，計(jì)算出每個(gè)像素的H/（S+V）值后，將H/（S+V）值陣列看成是一個(gè)灰度圖像，就可以用OTSU算法對(duì)圖像中的病變區(qū)域進(jìn)行分割。

5二值形態(tài)學(xué)圖像處理

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)有2個(gè)基本的運(yùn)算，即腐蝕和膨脹，而腐蝕和膨脹通過(guò)結(jié)合又形成了開運(yùn)算和閉運(yùn)算。

二值形態(tài)學(xué)的腐蝕可以使目標(biāo)區(qū)域范圍“變小”，其實(shí)質(zhì)造成圖像的邊界收縮，可以用來(lái)消除小且無(wú)意義的目標(biāo)物，也可消除目標(biāo)邊界周圍的毛刺。

膨脹會(huì)使目標(biāo)區(qū)域范圍“變大”，可將目標(biāo)區(qū)域接觸的背景點(diǎn)合并到該目標(biāo)物中，使目標(biāo)邊界向外部擴(kuò)張。作用就是可以用來(lái)填補(bǔ)目標(biāo)區(qū)域中某些空洞以及消除包含在目標(biāo)區(qū)域中的小顆粒噪聲。

開運(yùn)算就是先腐蝕再膨脹，閉運(yùn)算就是先膨脹再腐蝕。開運(yùn)算可以消除噪聲點(diǎn)和小的區(qū)域，為消除稍大一點(diǎn)的區(qū)域，可以多次使用腐蝕操作、再執(zhí)行相同次數(shù)的膨脹操作。如果只保留圖像中一些大塊區(qū)域，那些零散的、小塊的區(qū)域，則可以使用形態(tài)學(xué)中的去除小區(qū)域算法（remove_small_objects）刪除掉。

6實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證算法的有效性，實(shí)驗(yàn)中使用了大量不同類別的色素障礙性皮膚病圖像，包括斑類、疹類、痣類、瘤類等，都能取得較好的效果。圖2是其中的一個(gè)分割實(shí)例。

圖2中（a）是待分割的圖像，（b）是將原圖轉(zhuǎn)化成灰度圖像后直接進(jìn)行OTSU分割的效果，看見存在較大的誤差;（c）是原圖的H/（S+V）值圖像，該圖像中的前景和背景具有較明顯的差異;（d）是對(duì)H/（S+V）值圖像用OTSU分割的圖像;（e）是用形態(tài)學(xué)的開操作后圖像，該圖是用了一次腐蝕和一次膨脹后的效果，還存在兩個(gè)較小的區(qū)域;（f）是形態(tài)學(xué)消除小區(qū)后圖像。通過(guò)這一系列操作，圖像中的病變目標(biāo)有分割出來(lái)了。

當(dāng)采集的圖像含有非皮膚的其他背景時(shí)，病變區(qū)域和正常皮膚的H/（S+V）值差值可能會(huì)變小，而背景中非皮膚物體的H/（s+v）值較大，使用OTSU算法找不到合適的閾值將病變區(qū)域和正常皮膚分開，本文算法的效果會(huì)下降甚至?xí)?，所以采集圖像時(shí)盡量離目標(biāo)近一些，讓皮膚充滿圖像的背景。算法的缺陷將在后續(xù)研究中改進(jìn)。