紋理合成技術(shù)在木材解剖學(xué)圖片處理中應(yīng)用

【摘要】：木材解剖學(xué)通過(guò)研究木材的構(gòu)造來(lái)分析識(shí)別木材。木材美學(xué)探索從木材的宏觀或微觀構(gòu)造中提取木材的天然美學(xué)屬性。木材解剖學(xué)可以為木材美學(xué)提供木材的微觀圖片素材，形成新的木材美學(xué)圖案。本文選取歐洲水青岡為研究對(duì)象，分析其微觀構(gòu)造方面木射線、軸向薄壁組織、管孔等的特征，然后用基于樣圖的紋理合成技術(shù)解決木材微觀圖片在拼接過(guò)程中的接縫痕跡以及拉伸和變形問(wèn)題，合成新木材美學(xué)圖案。

【關(guān)鍵詞】：微觀構(gòu)造；紋理合成；歐洲水青岡；木材美學(xué)

1、木材解剖學(xué)與木材美學(xué)

木材解剖學(xué)[1]，是一門(mén)的傳統(tǒng)的植物學(xué)科，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，能通過(guò)木材解剖后的構(gòu)造對(duì)木材的分類及特性進(jìn)行分析。木材解剖學(xué)知識(shí)是鑒別識(shí)別木材的重要手段。木材解剖學(xué)已有相當(dāng)歷史的發(fā)展，對(duì)大部分樹(shù)種的構(gòu)造特征都做了很好的闡釋。木材解剖學(xué)的未來(lái)發(fā)展也在尋求更開(kāi)闊的發(fā)展空間。

木材美學(xué)[2]是源于自然，高于自然的美學(xué)創(chuàng)作活動(dòng)，自然界財(cái)富源源不斷，需要不斷探索與索取。通過(guò)研究木材微觀與超微構(gòu)造，分析典型樹(shù)種構(gòu)造的特點(diǎn)與獨(dú)特之處，揭示基于木材解剖學(xué)的木材美學(xué)特征及其新應(yīng)用，設(shè)計(jì)新的木材美學(xué)圖案。木材美學(xué)研究無(wú)需消耗木質(zhì)資源，不會(huì)對(duì)森林資源破壞，是一種生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展的研究手段。開(kāi)展木材美學(xué)研究，還可以為傳統(tǒng)木材學(xué)拓展新的研究領(lǐng)域，為木材解剖學(xué)帶來(lái)新的發(fā)展空間，讓人們更好地理解木材的深層次構(gòu)造，促進(jìn)木材學(xué)知識(shí)的普及。將紋理合成技術(shù)運(yùn)用到木材美學(xué)圖案創(chuàng)作中，實(shí)現(xiàn)圖案無(wú)縫拼接，加大木材構(gòu)造圖案提取和美學(xué)創(chuàng)作的靈活性。[3]

在木材美學(xué)宏觀構(gòu)造美學(xué)中，已經(jīng)研究了樹(shù)木之美、樹(shù)皮之美、材表之美、木節(jié)之美、樹(shù)丫之美、樹(shù)根之美、樹(shù)瘤之美、年輪之美、髓心之美、木材紋理之美、木材腐朽之美、木材化石之美等，當(dāng)然，木材美學(xué)千變?nèi)f化，大自然的財(cái)富是源源不盡的。

在木材美學(xué)微觀和超微構(gòu)造美學(xué)中，目前還沒(méi)有專門(mén)的專著介紹這個(gè)方面，學(xué)者在一些文章中嘗試創(chuàng)作木材微觀構(gòu)造美學(xué)圖案。借助木材解剖學(xué)知識(shí)，獲得木材顯微構(gòu)造圖片。主要工具一般為顯微鏡、掃描電鏡、木材切片機(jī)儀器，步驟一般為木材取樣、木材軟化、木材切片、處理切片、切片封固、顯微攝影。木材微觀美學(xué)元素包括木射線、木纖維細(xì)胞、木薄壁組織、管胞、導(dǎo)管、細(xì)胞壁上的紋孔和螺紋加厚等。已研究的木材有陰香木、桂花木、山龍眼、貓尾樹(shù)等樹(shù)種，還有大量樹(shù)種美學(xué)價(jià)值等待開(kāi)發(fā)。[4]

2、紋理合成

所謂紋理，就是我們?nèi)粘Ｉ钪写嬖诘囊曈X(jué)現(xiàn)象，比如自然界的物質(zhì)，如石頭、動(dòng)物、植物、地表等的表面特征。研究發(fā)現(xiàn)，紋理結(jié)構(gòu)其實(shí)在圖像中能表現(xiàn)出一定的有規(guī)律的變化，這些變化的規(guī)律可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N數(shù)據(jù)。我們接觸的許多物體，都具有表面不同的紋理，給人不同的質(zhì)感。紋理可分為凹凸紋理與顏色紋理[5]，凹凸紋理就是指紋理為細(xì)小不規(guī)則凹凸?fàn)睿伾y理就是紋理細(xì)節(jié)通過(guò)色調(diào)及亮度來(lái)表現(xiàn)。在附加于物體上的特有紋理可以創(chuàng)作出許多藝術(shù)的圖案。離散法和連續(xù)法是目前紋理定義的主要方法[6]，離散法用二維數(shù)組來(lái)表示紋理，連續(xù)法則是用二元函數(shù)表示紋理函數(shù)。

紋理合成技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段 [7]。第一個(gè)階段是紋理映射，當(dāng)遇到復(fù)雜場(chǎng)景需要表現(xiàn)真實(shí)感時(shí)，這種技術(shù)常被使用[9]。也可以通過(guò)經(jīng)過(guò)映射后紋理變形表達(dá)出物體的一些幾何形狀。這個(gè)階段將樣圖直接匹配到表面上，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)特征提取及建造模型，所以只是簡(jiǎn)化后的基于樣圖的紋理合成。這個(gè)階段常受采樣區(qū)域的限制，小塊紋理映射到大區(qū)域上經(jīng)常導(dǎo)致紋理變形不清，達(dá)不到需要的好地效果，如果重復(fù)映射的話，小的紋理之間的拼縫也會(huì)出現(xiàn)走樣的問(wèn)題。

接著是第二個(gè)階段，稱之為過(guò)程紋理合成階段，所謂的過(guò)程紋理合成就是模擬物理紋理的生成過(guò)程，在區(qū)域形成紋理。

通過(guò)細(xì)致的過(guò)程模擬可以逼真地得到一些效果，比如風(fēng)化侵蝕，融化等。另外運(yùn)用筆刷和顏料模型可以得到各種藝術(shù)風(fēng)格的壁畫(huà)效果。這個(gè)技術(shù)的特點(diǎn)就是并不是直接基于樣圖，而是根據(jù)仿真的物理生成模型生成具有物理特征的紋理。這個(gè)階段主要強(qiáng)化構(gòu)造物理模型，而隱藏特征提取，有點(diǎn)類似基于樣圖紋理合成；第三階段則是基于樣圖的紋理合成。[5]基于樣圖的紋理合成技術(shù)就是對(duì)于給定的一個(gè)樣圖，通過(guò)數(shù)學(xué)的分析方法，提取樣圖中的表現(xiàn)特征的數(shù)據(jù)，然后用這些數(shù)據(jù)建立起相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，還需要對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化后形成一個(gè)中間的數(shù)學(xué)模型。接著根據(jù)原始樣圖和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，可以合成需要的任何尺寸及大小，并且避免重復(fù)視覺(jué)的重復(fù)紋理，并且這些重復(fù)的紋理可以防止邊界出現(xiàn)瓦磚形狀。

3、紋理合成技術(shù)對(duì)木材解剖學(xué)圖片的應(yīng)用

紋理合成是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的新技術(shù)，本文需要基于某一樣圖合成需要的尺寸、大小、紋理無(wú)縫拼接的新的紋理。新的紋理的生成具有一定的隨機(jī)性，在算法上有兩個(gè)重要點(diǎn)，首先現(xiàn)有模型確定一個(gè)隨機(jī)性的過(guò)程模型，這個(gè)決定紋理的準(zhǔn)確度；另外是確定模型后如何找到合適的迭代方法產(chǎn)生需要的紋理，這個(gè)決定了合成過(guò)程的快慢。

在對(duì)木材解剖學(xué)圖片合成中，本文采用基于樣圖的紋理合成方法。樣圖即為木材美學(xué)圖案，樣圖中含有木材微觀構(gòu)造特征，從木材微觀圖片中采樣，填入到目標(biāo)圖片區(qū)域中。

對(duì)于基于樣圖的紋理合成，研究基礎(chǔ)及重要的問(wèn)題就是如何更好地采樣及拼接，拼接過(guò)程中如何處理選擇種子點(diǎn)、領(lǐng)域采點(diǎn)方法、保證圖形完整性手段等。

目前紋理合成算法主要有三種，第一種早期的是基于Markov Random Fields（MRF，馬爾克夫隨機(jī)場(chǎng)）的改進(jìn)。MRF模型是將圖像中的紋理看作一個(gè)個(gè)像素，每個(gè)像素都具有一定的空間性，并且有自己的特征，這些特征在范圍內(nèi)具有穩(wěn)定性。這些像素在一定范圍內(nèi)與其他不同位置的像素沒(méi)有關(guān)聯(lián)，但是又存在的穩(wěn)定的相似性。這個(gè)過(guò)程可以分為提取特征，優(yōu)化模型，紋理合成三個(gè)步驟。

第二種是對(duì)MRF模型進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用隨機(jī)塊提高速度，這種方法又叫快速紋理合成算法，即WL算法[11]。這種算法利用L形狀區(qū)域特點(diǎn)，在一定范圍大小的領(lǐng)域進(jìn)行直接地采樣。這種算法也存在一定缺陷，因?yàn)樗鼘?duì)邊角類的特殊圖像達(dá)不到良好的感知效果。

對(duì)以上算法進(jìn)一步改進(jìn)，出現(xiàn)了一種新的不同于以往的算法，這種算法是一種基于塊的紋理合成算法，也稱為Efros[36]算法。經(jīng)過(guò)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種算法比以往的算法都具有優(yōu)越性，它的精度更高，算法的速度也更快，而且很好地解決了復(fù)雜紋理的邊界問(wèn)題。

本文采用的就是Efros的塊拼貼紋理合成方法。任務(wù)是對(duì)給定的一幅較小的紋理樣圖，通過(guò)紋理合成，可以形成需要的無(wú)縫拼接效果紋理。

基于塊的紋理合成從以下兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

第一步采取鄰域搜索策略，在樣本空間中搜尋最佳的匹配目標(biāo)塊。

第二步用一定的合成算法，將第一步中尋找到的目標(biāo)塊與已經(jīng)合成的目標(biāo)圖像相互融合。

步驟中存在一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)?shù)谝徊街羞x定出的匹配塊不是最佳的匹配塊時(shí)， 那么在第二步中即使采用優(yōu)化的算法也會(huì)無(wú)濟(jì)于事。 所以在第一步中，如何搜索到與已經(jīng)合成的結(jié)果圖像最為相似的目標(biāo)塊是重要的一個(gè)考慮。

當(dāng)前，現(xiàn)有算法中，第一步采用較多地是用顏色作為度量是否相似的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)在兩個(gè)相鄰的重疊區(qū)域塊中，每一個(gè)位置的對(duì)應(yīng)的像素的顏色差作為整個(gè)度量相似性的偏差標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于完整的塊拼貼算法，如下所示：

根據(jù)掃描線的順序一步一塊地進(jìn)行整個(gè)輸出圖像的合成；

在輸入的木材樣本紋理圖像中，看作一個(gè)個(gè)塊集合，找尋能夠達(dá)到小誤差的重疊區(qū)域的上下紋理塊，隨機(jī)挑選其中的一個(gè)塊，然后匹配到需要的合成圖的塊的每個(gè)一個(gè)空間，接著在選取出來(lái)的具有紋理特征的紋理塊與紋理合成圖中的舊塊重疊的部分，進(jìn)行誤差曲面計(jì)算。從中找到一個(gè)最佳的邊界，達(dá)到邊界無(wú)縫拼接的效果。把新塊貼入到合成圖中。

不斷重復(fù)以上的步驟，最后合成完成。

接著，再截取歐洲水青岡弦切面中的紋孔構(gòu)造。紋孔[12]是指木材細(xì)胞壁加厚產(chǎn)生次生壁時(shí)，初生壁上未被增厚的部分，即次生閉上的凹陷。紋孔是相鄰相鄰細(xì)胞間水分和養(yǎng)料的通道；木材加工利用中，紋孔對(duì)木材干燥、膠黏劑滲透和化學(xué)處理劑浸注等有較大的影響。它是木材細(xì)胞壁上重要的結(jié)構(gòu)特征。

通過(guò)一次紋理合成，將歐洲水青岡弦切面合成新的木材美學(xué)圖案，新的紋樣比原來(lái)紋樣更大，具有更多的紋孔特征，人工合成了一幅新的展現(xiàn)木材微觀構(gòu)造的木材紋樣。

結(jié)語(yǔ)

本文選擇塊拼貼的紋理合成算法，以輸入塊為單位，輸出具有輸入紋樣構(gòu)造特征，在一定約束條件重疊下的合成圖樣。塊拼貼紋理合成比點(diǎn)合成具有運(yùn)算速度快、合成效果好的優(yōu)勢(shì)，在基于樣圖的紋理合成中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在分析完算法思想，算法描述后，選取木材微觀構(gòu)造中的紋孔典型特征，在matlab中運(yùn)行算法程序，將木材微觀構(gòu)造小塊圖形，合成大的具有木材美學(xué)典型構(gòu)造特征的木材美學(xué)圖案。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]張新英.木材解剖學(xué)的歷史及發(fā)展[J].植物學(xué)報(bào)，1993：52-62.

[2]羅建舉.木材美學(xué)引論[M].南寧：廣西科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[3]廖曉梅.木材美學(xué)圖案的創(chuàng)作及其在室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].大眾文藝，2012，（20）.

[4]羅建舉.樹(shù)木髓心構(gòu)造及其美學(xué)應(yīng)用[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，43（9）.

[5]刁偉忠，常發(fā)亮，孫曉燕.基于MFC的OpenGL紋理貼圖技術(shù)[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（2）：70-73.

[6]徐文華，魏寶剛.基于紋理合成的圖像藝術(shù)風(fēng)格學(xué)習(xí)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，36（3）：115-119.

作者簡(jiǎn)介：

陳燕（1985-），女，福建福清，碩士，教師，助教，木材科學(xué)與工程。

基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目