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皮肤皱纹测量系统的研究与设计张庆森,张俊文,闻向斌(武汉理工大学自动化学院,湖北省武汉市430077)【摘要】人体皮肤皱纹参数的检测对实现皮肤老化的诊断有重要的指标参考意义。文中在研究国内外皮肤皱纹检测技术和光学理论的基础上,提出了皮肤皱纹的一种定量检测方法。根据这种方法,本着检测设备要求体积小、设计简单和软件操作方便的原则,选择CY7C68013作为USB控制器,选择MCM20027进行辉度检测,完成了具体的测量系统集成。着重介绍了测量系统工作原理和设计构想、CY7C68013的固件程序设计和系统软件设计,并对测量系统的测量精度进行了计算。关键词:光强度,物质固有系数,USB,驱动程序,图像传感器中图分类号:TM938.84算术平均值);最大粗糙度Rm(被切割的皮肤断面中相邻的最高峰和最凹点之间距离的最大值)。本设计选用Rz作为参考参数,它反映整个皮肤的状况。用无害硅氧烷(粒度μm级)均匀涂在待测皮肤表面,制成皱纹膜片。皮肤的皱纹深度信息存留在膜片上,皱纹越深,相应的膜片处越厚,再按测得的数值计算Rm。膜片的厚度测量运用光学原理,即伯朗定律:0引言皮肤老化和自然界其他物质的变化一样十分复杂,有些机制可能至今还不完全清楚。在对皮肤老化问题的处理中,如何遴选能特异性反映老化的指标,如何获取这些指标的定性定量信息以及如何根据这些信息挖掘出对老化程度及其危害的决策信息是极为重要、紧密关联的3条重大命题。对皮肤皱纹的检测便是皮肤衰老的检测与决策一体化智能系统的一个组成部分。最早对皮肤的诊断是采用放大镜对皮肤进行放大,然后用个人计算机进行图像分析。采用这种方法得出的结果很粗糙,很难进行数据定量分析,要靠人的直观感觉和经验。随着图像传感器技术的日益发展,人们可以利用它来做定量测量。在综合整机系统中,德国的智能产品是其代表,它能分别测量皮肤的黑色素、红色素及皮肤粗糙度等,对皮肤状况作出诊断。虽然德国的产品测试精度高,简单易用,但成本高,价格昂贵,且国内还没有这样的产品。本文在介绍国内外皮肤皱纹检测技术和光学理论的基础上,运用光学原理和USB技术,利用现有的图像传感器技术,使设计简单,检测设备体积小。-adI=Ioe式中:I为入射光强度;Io为出射光强度;a为吸收系数;d为均匀物质厚度。实验证明,这个规律在光强度变化非常大的范围(1020倍,激光不适用)内都是正确的。如果固定d值(即将膜片做成固定厚度)可测得吸收系数a。系统设计原理示意图如图1所示。图1皮肤皱纹测量系统原理2系统整体设计皮肤皱纹检测系统的整体设计直接关系着系统设计的难易程度以及测量设备的成本。本系统由光源、测量硬件电路、及PC系统软件3部分组成。这3部分都直接关系着参数测量的精度和设计实现的难度、成本,只有从整体上考虑才能把握。整体设计还包括硬件电路中芯片的选型,以及测量硬件电路和系统软件数据传输总线的考虑。从伯朗定律知道,透过膜片的光源必须是平行的可见光,这直接影响粗糙度参数测量的精度。而且,光源越接近于平行光,从图像传感器测量的数据越能反·13·1皮肤皱纹测量原理皮肤皱纹的定量检测目前很难用直接检测方法,只能用间接方法。本文设计思想属于间接测量方法。反映皮肤粗糙度的参数大致有:皮肤粗糙度Rt(皮肤断面中最高峰和最凹点之间的距离);平均粗糙度Rz(同样长度的n个连续分段测量范围内的Rt的收稿日期:2005202202;修回日期:2005203225。·测控技术·电子工程师2005年5月映皮肤整体的状况。然而,世界上绝对的可见平行光是无法实现的,连激光也无法达到绝对。在图像传感器和光源之间是2cm距离,本设计的要求是最大偏出距离为20μm(已能满足伯朗定律的要求),这个要求是相当高的。鉴于本课题组不是光学方向的专业人员,只能从现有产品中购买,以后再考虑研发。皮肤皱纹参数的测量基于图像传感器。图像传感器的选取和数据处理越简单,传感器测量电路就可设计得越简单,制作的电路板就越小。随着图像传感器技术的发展,可以把信号处理电路和光敏感元件电路等集成在一块很小的芯片上,这样,设计时不必考虑光信号的数字处理问题,使设计更简单。Motorola公司的MCM20027就是这样一款芯片。传感器测量电路和PC数据传输总线的选取,USB总线当然是首选。系统软件的设计不像硬件设计那样要考虑很多因素。系统软件要实现的功能有明确的要求,那就是要实时显示出待测皮肤的粗糙度参数的大小。开发系统软件可选择不同的开发软件,如VC++、Delphi、C++Builder等,由于对软件的要求(如运行效率、资源占用等)不很高,可从中挑选自己熟悉的开发软件。本课题的系统软件用VC++6.0开发。用USB总线传输数据,必然要有USB驱动程序。USB驱动程序的开发用DriverWorks相对DDK(驱动程序开发包)简单得多