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1、应用数字图像处理技术测量木材显微构造特征参数任宁 于海鹏 一星 （东北林业大学材料科学与工程学院 150040）摘 要：本文利用显微镜、摄像传感器和计算机联机组成的数字图像动态采集系统来获取数字化的木材显微构造图像，并利用基于数字图像处理技术的彩色图像分析软件，针对木材显微构造组织分子的特点，通过在软件平台上的二次开发，实现了木材组织比量、胞壁率、管孔分布密度、细胞壁厚、径/弦向直径、壁腔比与形态量等参数的数字化测量，在准确性、高效性和自动化程度上比照以往方法均有较大程度的提高。关键词：木材 显微构造特征参数 数字化测量Measurement of Wood Microstructure Ch
2、aracteristic Parameterby Digital Image ProcessingREN Ning YU Hai-peng LIU Yi-xing (Material Science and Engineering College, Northeast Forestry University,Harbin150040)Abstract：Dynamic digital image collection system made by microscope，video camera sensor and computer was used for the collection of
3、wood microstructure image. In view of woods microstructure traits, image processing functions based on digital image processing technique were used to compute characteristic parameters. It realized the digital measure of wood tissue proportion, cell wall percentage, distributed density of vessel, ce
4、ll wall thickness, cell diameter, ratio of cell wall to cavity, and cell figure quantum.The result showed that the digital measure method has moreadvantagesof accuracy, efficiency, and automatic degree than methods ago. Keyword：wood , microstructure characteristic parameter , digital measure1 前言木材显微
5、构造是木材识别、加工和利用的基础和重要科学依据。传统的依靠光镜和电镜观察、拍片后再手工测量、配合显微投影仪的手工测量等木材显微构造研究方法已经不能满足日益发展的科学研究和生产的实际需要，因此对木材显微构造特征参数的数字化测量方法的探索已是十分必要。第一作者简介：任宁，1981年生，女，东北林业大学木材科学与技术专业硕士研究生。主要从事木材物理学方面的研究。 ：0451-82191756；电子邮件：r_zhen2000yahoo .cn。20世纪80年代初，世界科技发达国家开始应用计算机图像处理技术测量和分析木材解剖分子。Charles W.McMilln（1982）利用图像分析技术测量了木材胞
6、壁率、纤维长度、细胞腔面积和径向细胞腔直径1。R.P.Kibbewhite（1988）等研究和测量了纤维横切面的宽度、厚度、腔比率、壁比率等2。Jordan BD（1988）用一种简单的图像处理方法测量纤维壁厚3。ThetfordRD(1991)将图像处理方法应用到树木年代学研究中，测量密度和生长轮宽4。岩切一树（1991）采用累计图像处理方法测量了细胞壁厚度，解决了细胞壁厚度数字图像处理计算中的难点问题5。藤田稔等（1991）应用图像处理技术对木材构造进行了研究，开发了一种傅立叶变换的图像处理方法来定量测量细胞壁厚度6。Fujita M(1991)利用OFT（光学傅立叶变换）与FFT共同组成
7、的分析系统定量的分析了日本柳杉材的细胞排列和大小7。柴修武（1992）、鹏（1995）与家驹（2001）等先后应用Q570图像分析仪对组织比量、胞壁率、管胞径弦向直径、胞腔直径、胞壁厚度、壁腔比和腔径比进行了测量8。XiumingDiao等(1995，1996，1999)用FFT量化分析方法检测了10种针叶树材横断面细胞排列与形状的周期性，并根据傅立叶功率谱图灰度值的角度分布函数定量地比较了各树种间周期性排列的性质，测量了细胞的径弦向直径、径弦壁角度等，所得结果几乎与显微镜测量结果一致，并得出管胞横切面的模型9-11。Fujita M(1996)用FFT分析了32种日本阔叶树材横切面的导管分布
8、12。Donaldson L.A.（1998）应用图像分析技术测定木材细胞尺寸时比较了作为数字图像来源的常规透射光学显微镜和共聚焦激光扫描电镜所采集的图像的区别13。王金满等（1995，1998）对木材解剖特征计算机视觉分析方法进行了研究，建立了木材解剖特征计算机分析系统（Woodpro系统），提出了木材构造的图像处理表征参数，初步解决了木材构造分子的量化测量问题，并利用FFT测量管胞大小和排列14-15。目前的测量通用性差，兼容性不好，应用围小，在同种测量手段中不能实现多种木材显微构造参数的自动化测量，对木材组织比量的数字化定量测量十分欠缺，缺乏对细胞形态的定量描述，测量自动化程度不高。 本
9、文将通过对木材显微构造特征参数的数字化测量的研究，实现包括组织比量、胞壁率、管孔分布密度、细胞壁厚、径/弦向直径、壁腔比以与细胞形态参数在的木材显微构造特征参数的数字化测量，以提高测量速度和精度，为实现测量自动化和高精度化提供可靠的科学依据。2 试验材料、设备和方法2.1试验材料本试验选取东北20种树种（12种阔叶材，8种针叶材），制成切片。2.2试验设备和方法图1 显微构造图像采集系统Fig. 1 The collection system of microstructure image将Nikon80i型生物显微镜、Penguin 600CL型数字摄像传感器和计算机联机构成数字图像动态采集
10、系统，用于木材显微构造数字图像的动态采集，如图1所示。该系统具备以下性能：（1）传输、采集速度快，整个过程只需35s；（2）所得图像的分辨率高，可达500万像素以上；（3）存储图像的通用性好，有TIF、BMP或JPG等格式供选用。 利用TDY5.2彩色图像分析软件将所采集的数字图像进行图像处理和特征参数测量。该分析软件是基于32位操作平台（WIN98/2000/XP等）模块化设计，支持多种图像输入设备和常用图像存储格式。系统默认二值图像中的黑色部分代表目标，白色部分代表目标的背景，具有文字和图形编辑功能，提供活动图像调节、图像编辑、图像处理、多种参数测量、图像和数据管理、测量结果数据分析、逼真
11、图像和数据的打印、输出等各项功能。根据木材的细胞腔和细胞壁在切片制取时着况的不同，对获取的木材显微构造数字图像进行二值化处理，即选择合理的阈值（凡灰度值高于阈值的像素均置成白色，凡灰度值低于阈值的像素均置成黑色），得到二值图像。此时白色和黑色分别是木材的细胞腔和细胞壁部分，完成对细胞的识别。再根据像素灰度值、大小、数目和所在的位置等特征值，完成对待测目标的提取和特征参数的测量。考虑木材显微构造分子的轮廓清晰度和所获图像的视野围，本试验中显微镜的物镜采用10倍，图像精度为13921040像素。3 木材构造分子百分比量和分布密度的数字化测量方法木材构造分子百分比量是木材的重要特征，在此，主要对胞壁
12、率和组织比量的数字化测量方法加以探索。对木材构造分子分布密度的测量主要包括管孔分布密度和木射线分布密度。3.1 胞壁率胞壁率是指除细胞腔以外所有木材构造组织实质物质的体积占木材总体积的百分比。在木材横切面，除木射线以外的所有木材构造分子腔和壁的识别是一目了然的，只有木射线在横切面无法真实的反映出腔和壁的情况，又由于木射线腔在木材中所占的比量并不多，故可以忽略木射线的腔做近似处理，直接利用横切面图像中壁的面积与总面积的比值得出胞壁率。测量方法：对图像进行“二值化处理”，处理后壁呈黑色，腔呈白色，利用“颗粒计算”，得到的“面积百分比”即为胞壁率，如图2所示。由此得到的胞壁率值中含有木射线腔的比量，
13、为得到更为准确的胞壁率，就要通过在弦切面上测量木射线的壁腔比，根据总的木射线比量得到木射线腔比量，从总的测量值中减去这个测量值，即可得到较为精确的胞壁率。a. 二值化阈值选择 b.白桦横切面的二值化图像 c.白桦胞壁率的测量结果图2 白桦胞壁率测量过程Fig. 2 The measure process of Betula platypylla cell wall percentage3.2 组织比量组织比量系组成木材不同细胞组织所占木材比例，与木材性质和加工利用关系密切。3.2.1 导管比量对图像进行“二值化”，通过“反向”，细胞腔呈黑色，细胞壁呈白色，完成细胞壁和细胞腔的分离；通过“颗粒筛
14、选”，筛去面积较小的颗粒（木纤维），保留管孔；对管孔颗粒进行“粗化”，使颗粒增加导管壁厚；再执行“颗粒计算”，得到黑色颗粒总面积（导管总面积）占图像总面积的百分比，即导管比量，如图3所示。a. 二值化处理（反向） b. 颗粒筛选 c. 颗粒筛选结果 d. 粗化处理和测量结果图3 白桦导管比量测量过程Fig. 3 The measure process of Betula platypylla vessel proportion3.2.2 木纤维比量由于木纤维大都以小颗粒呈无规则分散状态，故本试验主要使分散在导管和木射线中的孤立木纤维相互连接，形成一个整体。具体方法为：“二值化”后进行“颗粒筛选
15、”，滤去导管分子；对剩余的木纤维分子先进行“粗化”，使分散的木纤维腔得到充分连接，扩展出木纤维壁的厚度；再进行“收缩”，使侵占导管和木射线的面积退还回去；进行“空洞填充”，使残留的细胞间空隙完全被填充，完成对木纤维分子的整体提取，再利用“颗粒计算”功能，得到的“面积百分比”即为木纤维比量，如图4所示。a. 筛选 b. 木纤维的粗化和收缩处理c. 修补、填充 d. 木纤维比量测量结果图4白桦木纤维比量测量过程Fig. 4 The measure process of Betula platypylla fibre proportion3.2.3 木射线比量对于轴向薄壁组织无或含量很少的树种，木射线的比量100%导管比量木纤维比量，以测量导管和木纤维比量为基础，利用简单计算便可得到木射线比量。若存在大量分布不均匀的木纤维，并且细胞腔较小，此时进行正常的粗化收缩处理，则会残留大量白色彼此相互连接的细胞壁，在随后的填充处理中，白色细胞壁无法被填充成黑色，也就不能得到全部的木纤维；若采用较大的粗化值使木纤维相连，则会使木射线以与小的管孔被侵占或吞噬，所测得的结果是不正确的。故要采用先测量木射线的方法，然后通过计算，从而得到木纤维比量。测量方法为：利用多边形选区
