计算机技术提取木材纹理特征，分类识别方法

2023-11-19 理论教育版权反馈

【摘要】：然而，到目前为止还没有相关木材表面纹理的国家标准或行业标准。此外，在基于纹理特征木材表面缺陷分割与识别的研究方面以及有关木材表面纹理加工等方面，也需要一套能有效描述木材表面纹理的参数。王克奇教授与白雪冰副教授从模式识别角度出发对木材表面纹理进行了研究，并验证了所建立参数体系的有效性，使木材表面纹理的自动化分类识别向可实现方向迈进了关

自古以来，人类生活就与木材息息相关。随着人们生活质量的提高和回归自然的追求，人们对木材的喜爱有增无减，木材是室内装饰、家具制作的首选材料。从使用方面来看，木材具有令人愉悦的视觉特性、触觉特性、嗅觉特性和调湿特性，是良好的室内环境材料和生活用具材料，给人以舒适感；木材富有悦目的花纹、光泽和颜色，具有良好的装饰性，用作室内装饰装修材料，给人温馨感；木材具有电热绝缘性，是良好的电绝缘、热绝缘材料；木材对声波具有良好的共振性，是制作乐器的优良材料；木材是弹塑性体，具有破坏先兆性，给人以安全感。木材表面纹理正是自然纹理的典型代表。木材表面纹理在自然生长中形成，它由生长轮、木射线、轴向薄壁组织等解剖分子相互交织而产生，其主要表现形式来自由导管、管胞、木纤维、射线薄壁组织等的细胞排列所构成的生长轮。无论从任何角度进行切削，都产生非交叉的、近于平行的直线或曲线图形，而在不同的切面又呈现不同的纹理图案，具有独特的美感。通常，木材的横切面上呈现同心圆状花纹，径切面上呈现平行的条形带状花纹，弦切面上呈现抛物线状花纹。木材表面纹理还具有尺度性，在不同分辨率下，木材表面纹理依然呈现出细微而复杂的结构，不同尺度之间的纹理常常表现出形态上的相似性。木材学的研究表明，木材表面纹理能给观察者以良好的心理感觉。由此可见，木材表面纹理丰富、精细、独特的图案正是区别于其他自然纹理的主要特征，而木材表面纹理所给予人类的舒适的视觉和心理感受更是其他人造纹理所无法实现的，这些正是木材这种自然纹理最显著的特点。

纹理是木材表面的天然属性，直接关系到木制品的感观效果和经济效益，可以作为区分不同树种和材性的重要依据，并被木材物理学与木质环境学作为重要内容进行研究。与密度、强度、颜色等指标一样，木材表面纹理已在木材质量检验工作中日益受到重视，例如美国、法国、日本等发达国家已将它作为评价木材质量和决定木材产品商品价值的一个重要参考，并作为重要的材质性状指标对珍贵装饰和家具用材进行选择。在木材加工企业的生产过程中，经常需要按木材表面纹理对木材进行分类，如木质地板块加工生产、家具生产等。传统的方法是人工分类，效率很低，劳动强度大，分类结果受人为因素影响很大。如果没有定量的指标作为参考而仅靠人工直观感性地评价木材表面的纹理特征，其结果将失去客观性和实用性。因此研究准确、高效的木材表面纹理自动化分类方法具有重要的现实意义。然而，到目前为止还没有相关木材表面纹理的国家标准或行业标准。此外，在基于纹理特征木材表面缺陷分割与识别的研究方面以及有关木材表面纹理加工等方面，也需要一套能有效描述木材表面纹理的参数。因此，迫切需要建立一套参数体系来有效描述木材表面纹理，这也正是我们的主要目的之一。而纹理又是图像的重要视觉特征，在图像分析、对象识别和机器视觉中起着重要的作用，甚至起关键性的作用。纹理反映了物体表面颜色或亮度规律性变化或分布的性质，在人们对图像长期认知中形成了纹理的概念，但目前在数学上还没有确切的定义，也没有恰当、准确的数学描述方法。在实际应用方面，纹理作为图像的重要属性，被广泛应用到图像分类与识别、图像分割、图像检索、图像纹理合成以及基于纹理特征图像三维形状分析等方面。然而，由于自然纹理的随机性和复杂性，使它成为是图像处理中一个很难处理的案例。到目前为止，还没有十分成熟的方法来分析自然纹理图像，而木材表面纹理恰恰是自然纹理的典型代表，它具有自然纹理的全部特点，因此，对其进行分类识别研究同时也就是丰富了自然纹理的分类识别方法。以往的研究已表明，木材表面纹理与人的感观心理具有很强的耦合关系，如果没有定量指标作为参考，而仅凭人的直观感觉进行纹理分析评定，对木材视觉环境学特性的分析结果将失去客观性和科学性。因此，木材表面纹理研究的首要问题是确立表征木材表面纹理特征的理论方法和技术手段，并据此建立木材表面纹理的指标体系，其结果将填补国内、国际木材科学研究领域的空白，为木材学的研究提供更科学先进的手段。此外，纹理作为计算机视觉与模式识别领域的重要研究内容，应当说，纹理分析与识别是计算机视觉和模式识别领域的一个根本性问题。然而，目前纹理（尤其是自然纹理）分析与识别方法还不够成熟，需要我们对其进行深入研究。

国内外部分学者对该问题进行了研究，日本京都大学的增田稔博士对木材的平行条纹、涡形条纹、放射状等条纹进行了考察，发现当完成了类似于一个周期的深浅变化以后，以平均值横线分界的波形阴影总是能够全部或部分地重合，开创了木材表面纹理研究的先河。仲村匡司采用计算机图形处理模拟制作了各种木材径切面纹理模型图片，并调查分析了“自然感”心理量与其他心理量以及纹理图形数字化参数之间的关系。伏劲松引用电磁学中等电位面的概念，以线电荷的作用，推导出一个适合于表现木材表面纹理的体纹理函数，克服了共轴圆柱法产生的纹理单调性，解决了点电荷等电位面法中对纹理效果不易控制的缺陷，能够较为贴近地描绘自然界中木材表面纹理。东北林业大学刘一星教授、王克奇教授、马岩教授、白雪冰副教授、于海鹏博士也在该领域进行了研究，他们主要采用计算机图像处理技术和建立数学模型的方法来探索木材表面纹理分布的规律，取得了一些成果。其中，马岩教授主要采用建立数学模型的方法对木材端面纹理进行了探索，指出利用木材端面纹理往往可以显现的特点来识别木材年轮宽度、锯材在原木中的下锯位置、原木椭圆度等参数，并且为木材几何参数识别数学模型的建立提供了工具。马岩教授为船舶、乐器等特殊行业需要的弦切板数控加工提供数学描述理论，实现了对原木锯割弦切板材板面尺寸的数学描述。刘一星教授与于海鹏博士在充分分析木材表面纹理的特点和变化规律的基础之上，采用图像处理技术对木材表面纹理进行了详细的研究，建立起一套木材表面纹理特征参数，使木材表面纹理的研究实现了定量化，尤其在木材表面纹理的空域统计分析上研究比较深入，有许多值得借鉴之处。王克奇教授与白雪冰副教授从模式识别角度出发对木材表面纹理进行了研究，并验证了所建立参数体系的有效性，使木材表面纹理的自动化分类识别向可实现方向迈进了关键的一步。此外，东北林业大学的任洪娥教授、合肥工业大学的江巨浪副教授、中国林业科学研究院木材工业研究所的江泽慧教授、安徽农业大学的邵卓平教授也在木材表面纹理的相关领域进行了研究。传统的纹理分析主要集中在灰度级纹理分析的研究上，有必要通过增加颜色信息对灰度级纹理分析进行改进。此外，近年来，彩色纹理图像分析成为研究的热点。彩色纹理图像可以认为是纹理图像的色彩和结构分布之间的关系。尽管彩色纹理图像分析具有优越性，但如何很好地把颜色和纹理特征整合成为一个有机模型还是一个挑战。(www.chuimin.cn)

综上所述，目前对木材表面颜色和纹理的综合测量主要靠人工目测，人为因素影响大，测量速度慢，精度低，如何表征木材表面纹理以及对木材表面纹理的分类识别不但是一个木材学的前沿课题，也是计算机视觉与模式识别领域的一个重要研究方向。无论是从科学研究的角度还是人们日常生产和生活的需要，对木材表面纹理进行分类识别研究都具有十分重要的意义。

计算机技术提取木材纹理特征，分类识别方法

相关推荐