橫切木材材種細胞識別試件視頻模擬理論

摘要：視頻對象的識別與檢測是計算機圖像處理領域中的一個前沿課題， 木材材種細胞識別的計算機視頻識別與檢測是木材工業亟待解決的問題。

論述了橫切木材材種細胞識別法試件的細胞結構數學模型的建立與視頻再現的理論和方法，提出了該細胞結構視頻識別的模擬軟件設計的總體方案，介紹了木纖維細胞結構視頻檢測計算機模擬三維重建方法及再現軟件。給出了細胞橫斷面的空間數學模型，提出了木材材種細胞識別模擬軟件應用的方法和意義。

關鍵詞：數學模型； 視頻識別； 板材材種； 細胞結構

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1001-3695(2007)01-0049-02

板材是木材工業產品的基本形式，是家具和建材等行業的主要原材料，板材由于材種不同引起的價格差是驚人的。以紅木為隸屬的33個樹種的板材價格可以是同規格普通楊木板材價格的百倍，同為楊木的不同種類，板材價格也是千差萬別。本文的目的是使板材識別基礎理論研究達到實用化，解決嚴重影響板材價值體現和價格科學確定的國際難題，準確地識別和判定板材材種是現代木材工業具有長遠意義和實用價值的前沿課題。世界上有幾萬種樹木，我國有7 000多種木本植物，經常用于工業的板材有1 000多種。在立木狀態下，早在一百多年以前，人們就掌握了一整套識別樹木的方法[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下準確地識別板材的材種是很困難的。

1橫切木材材種細胞識別法試件的細胞結構數學模擬理論

木材橫斷面上的細胞結構一般呈六邊形，根據針葉材和闊葉材的不同以及生長地點的降雨量等的影響，每個樹種的細胞形狀均不同。假設木材橫斷面的細胞形狀為六棱形，六棱形邊骨的主要成分為纖維素和木質素，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，采用木材細胞顯微數字圖像，用數學模擬的理論提取木材細胞的平均弦向直徑寬度、平均弦向直徑厚度、壁厚、邊長平均夾角、壁腔比等參數，分辨端面細胞結構和參數。具體的做法是選取一個板種作為樣本，截取要求的小塊端面試片進行超精加工，攝取數碼照片。在試片上采集2 000個以上的細胞樣本，進行規定要求的細胞參數分析，存儲每個板種的五個識別參數，五個識別參數回歸成每個板種細胞的標準圖像。將這些參數通過理想細胞建立板材材種判別參數數據庫。本文研究的是將橫切片放在直角坐標系內建立木材斷面的基準細胞結構外廓的數學模型[3]，如圖1所示。

假設，木材細胞外廓結構為任意的正六棱柱，由于z向數值極小，z向細胞的變化率忽略不計。在xyz坐標系中，任意位置的細胞體各面可由下列方程構成：

通過對2 000個細胞的回歸，我們用數學模型在計算機上描述出基細胞體結構的數學模型，通過與檢測的標準細胞比較就可以確定板材的材種和板材材種的細胞組織結構的排布方式與差異。假設每一個細胞體均為基準六棱形的曲面柱體，式（21）~式（27）就構成了基準六棱體的相交曲面。求解這個方程組，再由計算機再現求解的結果就可以推斷出細胞在板材斷面上可能形成的分布形狀[5]，為宏觀識別提供依據。

2橫斷面基準細胞計算機模擬三維重建的方法

利用計算機視頻技術檢測出板材橫斷面試件上2 000多個細胞結構的每個邊緣點，通過這些點的算術平均值可以推斷這個樹種木材細胞結構的基準形狀，從而計算出細胞橫斷面上細胞結構的數據和細胞分布的數據，代入上述數學模型可以得到該板種細胞的三維立體形態的空間解析表達式和細胞分布的表達式。最后，采用計算機繪圖的方法在屏幕上生成立體的基準細胞排布圖形[6]。

3板材細胞形狀的幾何變換、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。橫切木材材種細胞的三維立體圖像需經過投影變換才能在屏幕上顯示出來。本文采用斜平行投影方法來表示橫切木材材種細胞的立體圖形，具體實現步驟如下：

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

（3）根據投影變換矩陣，計算出投影變換后的點坐標值

在圖像的構造過程中，運用圖形消隱算法將橫切木材材種細胞橫斷面描繪細胞結構的輪廓線用模擬線段重新畫出。對于橫切木材材種細胞結構的立體圖形，為了消去隱藏面需進行遮蔽判斷，把可見部分與不可見部分區別開來，消隱視覺看不見的部分，最后描繪出那些可見面和線，從而得到經過消隱處理的立體細胞結構圖像。

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

4橫切木材材種細胞結構視頻識別計算機模擬再現軟件設計

橫切木材材種細胞結構視頻識別計算機模擬再現的程序框圖如圖4所示。

本程序在Windows XP平臺下，采用Visual C++ 6.0以上版本測試通過。該軟件分為五個功能模塊：檢測細胞圖像采集模塊、基準細胞圖像處理模塊、基準細胞模擬再現模塊、比較細胞采集與比較模塊。該軟件的圖像處理模塊中各功能函數實現部分基于Visual C++常用圖像處理類CDib，類CDib中包含了對位圖格式(.bmp)的木纖維細胞真彩色圖像的處理功能[9]，如打開圖像、保存圖像、初始化、顯示、操作、調色板等函數。在此基礎上，本文增加了部分圖像處理功能，用于對木纖維細胞圖像的處理。

5結論

（1）傳統人工板材識別根本沒有辦法按照識別基準細胞來確定板材材種，粗劣的人工識別方法嚴重限制了我國板材的大規模進口質量判定，特別是對紅木類高檔板材的識別。

（2）我國急需開發一種依靠視頻技術識別板材材種質量的數控視頻自動識別技術，以解決板材材種質量評價實現自動化識別。本文提供的理論和方法就是為解決這些板種識別和質量檢測的問題。

（3）基準細胞關鍵參數視頻識別動態模擬理論將為檢測板材材種連續化生產中利用顯微工業攝像機識別開創新的工藝，為下一步研制利用板材材種工控機準確識別、控制假冒偽劣板材進入市場的自動識別、自動記錄等為一身的新型視頻識別板材數控成套設備提供了技術支持。

（4）板材材種視頻識別理論的研究將為智能型顯微識別機的開發提供基礎理論指導。

（5）采用視頻識別可以使自動檢測的成本下降，避免激光檢測和超聲波檢測投資過高的問題。

參考文獻：

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［9］劉國權，宋曉燕，秦湘閣，等.產品虛擬設計中的復相材料纖維組織模型設計[J].中國機械工程，2000，11（8）：939941，954.

作者簡介：

楊春梅（1977），女，助教，博士研究生，主要研究方向為木材微細加工及計算機圖形學、仿真技術等。

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