橫切木材材種細(xì)胞識(shí)別試件視頻模擬理論

摘要：視頻對(duì)象的識(shí)別與檢測(cè)是計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域中的一個(gè)前沿課題， 木材材種細(xì)胞識(shí)別的計(jì)算機(jī)視頻識(shí)別與檢測(cè)是木材工業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

論述了橫切木材材種細(xì)胞識(shí)別法試件的細(xì)胞結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立與視頻再現(xiàn)的理論和方法，提出了該細(xì)胞結(jié)構(gòu)視頻識(shí)別的模擬軟件設(shè)計(jì)的總體方案，介紹了木纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)視頻檢測(cè)計(jì)算機(jī)模擬三維重建方法及再現(xiàn)軟件。給出了細(xì)胞橫斷面的空間數(shù)學(xué)模型，提出了木材材種細(xì)胞識(shí)別模擬軟件應(yīng)用的方法和意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型； 視頻識(shí)別； 板材材種； 細(xì)胞結(jié)構(gòu)

中圖法分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)01-0049-02

板材是木材工業(yè)產(chǎn)品的基本形式，是家具和建材等行業(yè)的主要原材料，板材由于材種不同引起的價(jià)格差是驚人的。以紅木為隸屬的33個(gè)樹種的板材價(jià)格可以是同規(guī)格普通楊木板材價(jià)格的百倍，同為楊木的不同種類，板材價(jià)格也是千差萬(wàn)別。本文的目的是使板材識(shí)別基礎(chǔ)理論研究達(dá)到實(shí)用化，解決嚴(yán)重影響板材價(jià)值體現(xiàn)和價(jià)格科學(xué)確定的國(guó)際難題，準(zhǔn)確地識(shí)別和判定板材材種是現(xiàn)代木材工業(yè)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義和實(shí)用價(jià)值的前沿課題。世界上有幾萬(wàn)種樹木，我國(guó)有7 000多種木本植物，經(jīng)常用于工業(yè)的板材有1 000多種。在立木狀態(tài)下，早在一百多年以前，人們就掌握了一整套識(shí)別樹木的方法[1]，但將原木加工成板材以后，特別是板材加工成木制品狀態(tài)下準(zhǔn)確地識(shí)別板材的材種是很困難的。

1橫切木材材種細(xì)胞識(shí)別法試件的細(xì)胞結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模擬理論

木材橫斷面上的細(xì)胞結(jié)構(gòu)一般呈六邊形，根據(jù)針葉材和闊葉材的不同以及生長(zhǎng)地點(diǎn)的降雨量等的影響，每個(gè)樹種的細(xì)胞形狀均不同。假設(shè)木材橫斷面的細(xì)胞形狀為六棱形，六棱形邊骨的主要成分為纖維素和木質(zhì)素，是木纖維的主要成分[2]。用專用切刀在木材的橫斷面切下一片薄片，采用木材細(xì)胞顯微數(shù)字圖像，用數(shù)學(xué)模擬的理論提取木材細(xì)胞的平均弦向直徑寬度、平均弦向直徑厚度、壁厚、邊長(zhǎng)平均夾角、壁腔比等參數(shù)，分辨端面細(xì)胞結(jié)構(gòu)和參數(shù)。具體的做法是選取一個(gè)板種作為樣本，截取要求的小塊端面試片進(jìn)行超精加工，攝取數(shù)碼照片。在試片上采集2 000個(gè)以上的細(xì)胞樣本，進(jìn)行規(guī)定要求的細(xì)胞參數(shù)分析，存儲(chǔ)每個(gè)板種的五個(gè)識(shí)別參數(shù)，五個(gè)識(shí)別參數(shù)回歸成每個(gè)板種細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)圖像。將這些參數(shù)通過(guò)理想細(xì)胞建立板材材種判別參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。本文研究的是將橫切片放在直角坐標(biāo)系內(nèi)建立木材斷面的基準(zhǔn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)外廓的數(shù)學(xué)模型[3]，如圖1所示。

假設(shè)，木材細(xì)胞外廓結(jié)構(gòu)為任意的正六棱柱，由于z向數(shù)值極小，z向細(xì)胞的變化率忽略不計(jì)。在xyz坐標(biāo)系中，任意位置的細(xì)胞體各面可由下列方程構(gòu)成：

通過(guò)對(duì)2 000個(gè)細(xì)胞的回歸，我們用數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上描述出基細(xì)胞體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)與檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞比較就可以確定板材的材種和板材材種的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的排布方式與差異。假設(shè)每一個(gè)細(xì)胞體均為基準(zhǔn)六棱形的曲面柱體，式（21）~式（27）就構(gòu)成了基準(zhǔn)六棱體的相交曲面。求解這個(gè)方程組，再由計(jì)算機(jī)再現(xiàn)求解的結(jié)果就可以推斷出細(xì)胞在板材斷面上可能形成的分布形狀[5]，為宏觀識(shí)別提供依據(jù)。

2橫斷面基準(zhǔn)細(xì)胞計(jì)算機(jī)模擬三維重建的方法

利用計(jì)算機(jī)視頻技術(shù)檢測(cè)出板材橫斷面試件上2 000多個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的每個(gè)邊緣點(diǎn)，通過(guò)這些點(diǎn)的算術(shù)平均值可以推斷這個(gè)樹種木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)形狀，從而計(jì)算出細(xì)胞橫斷面上細(xì)胞結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和細(xì)胞分布的數(shù)據(jù)，代入上述數(shù)學(xué)模型可以得到該板種細(xì)胞的三維立體形態(tài)的空間解析表達(dá)式和細(xì)胞分布的表達(dá)式。最后，采用計(jì)算機(jī)繪圖的方法在屏幕上生成立體的基準(zhǔn)細(xì)胞排布圖形[6]。

3板材細(xì)胞形狀的幾何變換、投影變換和形狀繪制

投影變換是將三維細(xì)胞立體圖像投射到投影面上而得到平面圖形的。橫切木材材種細(xì)胞的三維立體圖像需經(jīng)過(guò)投影變換才能在屏幕上顯示出來(lái)。本文采用斜平行投影方法來(lái)表示橫切木材材種細(xì)胞的立體圖形，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）建立三維空間坐標(biāo)系，確定投影面。定義一個(gè)右手直角坐標(biāo)系，z軸正向朝上。在此坐標(biāo)系下，確定三維立體上各點(diǎn)的坐標(biāo)位置，同時(shí)引入齊次坐標(biāo)。

（3）根據(jù)投影變換矩陣，計(jì)算出投影變換后的點(diǎn)坐標(biāo)值

在圖像的構(gòu)造過(guò)程中，運(yùn)用圖形消隱算法將橫切木材材種細(xì)胞橫斷面描繪細(xì)胞結(jié)構(gòu)的輪廓線用模擬線段重新畫出。對(duì)于橫切木材材種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的立體圖形，為了消去隱藏面需進(jìn)行遮蔽判斷，把可見(jiàn)部分與不可見(jiàn)部分區(qū)別開(kāi)來(lái)，消隱視覺(jué)看不見(jiàn)的部分，最后描繪出那些可見(jiàn)面和線，從而得到經(jīng)過(guò)消隱處理的立體細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像。

本文采用極大極小法進(jìn)行函數(shù)立體圖形的隱線處理，利用屏幕上點(diǎn)坐標(biāo)的性質(zhì)并根據(jù)峰值進(jìn)行判斷。設(shè)XY平面是投影面，曲線Z=(x，y)自左上至右下再轉(zhuǎn)回左上封閉畫出，使y由前到后變化并每次將x由左向右掃描。這時(shí)，記憶從第1條到I-1條為止的各曲線中相對(duì)每一個(gè)x的y值的最大值和最小值。對(duì)于第I條y值的曲線，將第I條曲線的各個(gè)y值預(yù)計(jì)的最大值和最小值進(jìn)行比較，僅限比較最大值大的部分和比較最小值小的部分，從而實(shí)現(xiàn)隱線處理[8]。本文設(shè)計(jì)了板材橫斷面立體圖像的三維重建函數(shù)：

4橫切木材材種細(xì)胞結(jié)構(gòu)視頻識(shí)別計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)

橫切木材材種細(xì)胞結(jié)構(gòu)視頻識(shí)別計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)的程序框圖如圖4所示。

本程序在Windows XP平臺(tái)下，采用Visual C++ 6.0以上版本測(cè)試通過(guò)。該軟件分為五個(gè)功能模塊：檢測(cè)細(xì)胞圖像采集模塊、基準(zhǔn)細(xì)胞圖像處理模塊、基準(zhǔn)細(xì)胞模擬再現(xiàn)模塊、比較細(xì)胞采集與比較模塊。該軟件的圖像處理模塊中各功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)部分基于Visual C++常用圖像處理類CDib，類CDib中包含了對(duì)位圖格式(.bmp)的木纖維細(xì)胞真彩色圖像的處理功能[9]，如打開(kāi)圖像、保存圖像、初始化、顯示、操作、調(diào)色板等函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文增加了部分圖像處理功能，用于對(duì)木纖維細(xì)胞圖像的處理。

5結(jié)論

（1）傳統(tǒng)人工板材識(shí)別根本沒(méi)有辦法按照識(shí)別基準(zhǔn)細(xì)胞來(lái)確定板材材種，粗劣的人工識(shí)別方法嚴(yán)重限制了我國(guó)板材的大規(guī)模進(jìn)口質(zhì)量判定，特別是對(duì)紅木類高檔板材的識(shí)別。

（2）我國(guó)急需開(kāi)發(fā)一種依靠視頻技術(shù)識(shí)別板材材種質(zhì)量的數(shù)控視頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，以解決板材材種質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別。本文提供的理論和方法就是為解決這些板種識(shí)別和質(zhì)量檢測(cè)的問(wèn)題。

（3）基準(zhǔn)細(xì)胞關(guān)鍵參數(shù)視頻識(shí)別動(dòng)態(tài)模擬理論將為檢測(cè)板材材種連續(xù)化生產(chǎn)中利用顯微工業(yè)攝像機(jī)識(shí)別開(kāi)創(chuàng)新的工藝，為下一步研制利用板材材種工控機(jī)準(zhǔn)確識(shí)別、控制假冒偽劣板材進(jìn)入市場(chǎng)的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)記錄等為一身的新型視頻識(shí)別板材數(shù)控成套設(shè)備提供了技術(shù)支持。

（4）板材材種視頻識(shí)別理論的研究將為智能型顯微識(shí)別機(jī)的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

（5）采用視頻識(shí)別可以使自動(dòng)檢測(cè)的成本下降，避免激光檢測(cè)和超聲波檢測(cè)投資過(guò)高的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

［1］成俊卿.木材學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1985.133134.

［2］Kollmann FFP，et al.木材學(xué)與木材工藝學(xué)原理[M].江良游. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1991.304306.

［3］任洪娥.板材橫斷面視頻檢測(cè)結(jié)果的模擬理論研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，20-04，21（6）：8283.

［4］馬巖.木材橫斷面細(xì)胞結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型研究[J].生物數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17(2)：6468.

［5］馬巖.微米木纖維定向重組細(xì)胞纖維含量的定量求解理論研究[J].生物數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17(3)：353357.

［6］孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

［7］Anderson M P， Grest G S， Srolovitz D J. Computer Simulation of Normal Grain Growth in Three Dimensions[J]. Philophical Magazine B，1989，59（3）：298329.

［8］宋曉燕，劉國(guó)權(quán)，古南駒.一個(gè)新的三維材料晶粒長(zhǎng)大的圖像仿真算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2000，12（2）：8589.

［9］劉國(guó)權(quán)，宋曉燕，秦湘閣，等.產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)中的復(fù)相材料纖維組織模型設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000，11（8）：939941，954.

作者簡(jiǎn)介：

楊春梅（1977），女，助教，博士研究生，主要研究方向?yàn)槟静奈⒓?xì)加工及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)等。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文