徐一清 浙江農(nóng)林大學(xué)理學(xué)院 311300

板材紋理識(shí)別的MATLAB實(shí)現(xiàn)

徐一清 浙江農(nóng)林大學(xué)理學(xué)院 311300

應(yīng)用MATLAB軟件，根據(jù)圖像處理理論，對(duì)板材圖像進(jìn)行彩色圖像灰度化、中值濾波、圖像二值化等一系列圖像處理，最終提取板材紋理。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用MATLAB軟件的圖像處理功能，有助于提高板材紋理的檢測(cè)分辨能力。

MATLAB；紋理特征；檢測(cè)；圖像處理

板材紋理是樹(shù)木天然生長(zhǎng)而形成的圖案，因生長(zhǎng)輪、導(dǎo)管、木射線(xiàn)和軸向薄壁組織等解剖分子相互交織、且各向異性而在不同切面呈現(xiàn)的不同圖案。一般而言，其橫切面上呈現(xiàn)平行的同心圓狀紋理，徑切面上呈現(xiàn)帶狀條形紋理，弦切面上呈現(xiàn)拋物線(xiàn)狀的條形紋理。這種具有天然美感的圖案比較復(fù)雜，直接關(guān)系到木制品的感觀(guān)效果和經(jīng)濟(jì)效益，如何對(duì)其進(jìn)行定量測(cè)量和表征是木材視覺(jué)環(huán)境學(xué)的前言課題之一。本文以水曲柳木板的紋理抽取過(guò)程為例，介紹板材紋理的抽取識(shí)別的一般步驟以及在此過(guò)程中MATLAB軟件的使用。

1、MATLAB簡(jiǎn)介

MATLAB是由Math Works公司于1984年推出的一種科學(xué)計(jì)算工程軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析功能，它集數(shù)據(jù)分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，目前已成為國(guó)際公認(rèn)的最有效的科學(xué)計(jì)算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。現(xiàn)在，MATLAB推出了功能更強(qiáng)大的適用于圖像分析與處理的工具箱，常用的有圖像處理工具箱、小波工具箱和數(shù)字信號(hào)處理工具箱等。利用這些工具箱，我們可以很方便的從各個(gè)方面對(duì)圖像的性質(zhì)進(jìn)行深入研究。在MATLAB環(huán)境下，對(duì)圖像的分析和處理可以采用人機(jī)交互的方式，用戶(hù)只需按MATLAB的格式要求給出相應(yīng)的命令，其分析結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來(lái)。同時(shí)MATLAB語(yǔ)言語(yǔ)法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，程序的可移植性好，編程效率高，被稱(chēng)為“第四代”計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。

本文就是采用MATLAB軟件中的圖像處理工具箱來(lái)對(duì)水曲柳木板的紋理進(jìn)行圖像處理。將數(shù)碼相機(jī)直接攝取的水曲柳試驗(yàn)板紋理圖片進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化后存入微機(jī)中，再應(yīng)用MATLAB軟件，對(duì)其進(jìn)行彩色圖像灰度化、中值濾波、圖像二值化等一系列圖像處理，最終提取板材紋理。通過(guò)處理后的圖形能夠清晰辨別板材紋理，從而提高了板材紋理的檢測(cè)分辨能力。

2、MATLAB在提取板材紋理圖像過(guò)程中的應(yīng)用

2.1 灰度化處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

圖1為一塊水曲柳試驗(yàn)板表面紋理，是用數(shù)碼相機(jī)直接攝取的圖片。其顏色及紋理均是自然形成的。由于是彩色圖像，數(shù)據(jù)龐大，處理復(fù)雜。通常，彩色圖像被轉(zhuǎn)變成灰度圖像或二值圖像以達(dá)到降維的目的。為此，將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像，這一過(guò)程就是灰度化處理。

MATLAB7.0支持多種圖像類(lèi)型，并提供了不同圖像類(lèi)型相互轉(zhuǎn)換的大量函數(shù)。如rgb2gray( )轉(zhuǎn)換RGB圖像為灰度圖像。利用該函數(shù)可以將彩色圖像灰度化，處理結(jié)果如圖2所示。

圖1 水曲柳木板表面紋理圖像

圖2 水曲柳木板 灰度化圖像

2.2 圖像增強(qiáng)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

經(jīng)圖像信息輸入系統(tǒng)獲取的源圖像中通常都含有各種各樣的噪聲與畸變，會(huì)大大影響圖像的質(zhì)量。因此，在對(duì)圖像進(jìn)行分析之前，必須現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行改善。圖像增強(qiáng)的目的是為了改善圖像的視覺(jué)效果，提高圖像的清晰度和工藝的適應(yīng)性，以及便于人與計(jì)算機(jī)的分析和處理，以滿(mǎn)足圖像復(fù)制或再現(xiàn)的要求。

圖像增強(qiáng)的方法分為空域法和頻域法兩類(lèi)，空域法主要是對(duì)圖像中的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行操作；而頻域法是在圖像的某個(gè)變換域內(nèi)對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行操作，并修改變換后的系數(shù)，如傅里葉變換、DCT變換等的系數(shù)，然后再進(jìn)行反變換，便可得到處理后的圖像。下面運(yùn)用空域增強(qiáng)法的幾種方法進(jìn)行處理。

2.2.1 灰度變換增強(qiáng)

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)圖像的灰度變換，最常用的就是直方圖變換的方法，即直方圖的均衡化。它通過(guò)轉(zhuǎn)換灰度圖像亮度值或索引圖像的顏色圖值來(lái)增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。均勻量化的自然圖像灰度直方圖通常在低灰度區(qū)間上頻率較大，使得圖像中較暗區(qū)域中的細(xì)節(jié)看不清楚。采用直方圖修整，可使原圖像灰度集中的區(qū)域拉開(kāi)或使灰度分布均勻，從而增大反差，使圖像的細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到增強(qiáng)的目的。MATLAB7.0圖像處理工具箱中提供了圖像直方圖均衡化的具體函數(shù)histeq( ),同時(shí)我們可以用函數(shù)imhist( )來(lái)計(jì)算和顯示圖像的直方圖。為了避免只是簡(jiǎn)單地將圖像進(jìn)行直方圖均衡，使圖像看起來(lái)亮度過(guò)高，我們采用對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡化函數(shù)adapthisteq( )來(lái)處理。效果比較見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 圖像的灰度圖形和原始直方圖

圖4 均衡化后的結(jié)果圖和直方圖

2.2.2 空域?yàn)V波增強(qiáng)

空域?yàn)V波按照空域?yàn)V波器的功能又可分為平滑濾波器和銳化濾波器。平滑濾波器可以用低通濾波實(shí)現(xiàn)，目的在于模糊圖像或消除噪聲；銳化濾波器是用高通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的在于強(qiáng)調(diào)圖像被模糊的細(xì)節(jié)。中值濾波也是一種典型的低通濾波器，主要目的是保護(hù)圖像邊緣，同時(shí)也能去除噪聲。由于中值濾波能夠在抑制隨機(jī)噪聲的同時(shí)不使邊緣模糊，因而受到歡迎。MATLAB7.0圖像處理工具箱提供了medfilt2( )函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)中值濾波。得到的效果圖如圖5所示。

圖5 中值濾波后圖像

圖6 二值化后圖像

圖7 BWMORPH變換圖像

2.3 二值化處理及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，特別是在實(shí)用的圖像處理中，以二值圖像處理實(shí)現(xiàn)而構(gòu)成的系統(tǒng)是很多的。要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣子有利于再對(duì)圖像做進(jìn)一步處理時(shí)，圖像的集合性質(zhì)只與像素值為0或255的點(diǎn)的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級(jí)值，使處理變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小。

此處我們采取固定域值分割法對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的圖像做進(jìn)一步處理，使其變?yōu)楹诎锥祱D像。其中原圖較暗的木板紋理將呈現(xiàn)黑色，而背景以及木板紋理間隙等較亮的部分將呈現(xiàn)白色。處理過(guò)程分三步：先根據(jù)直方圖確定全局閾值，然后將閾值與圖像中每一像素灰度值比較，灰度值大于閾值的像素轉(zhuǎn)換為白色，灰度值小于等于閾值的像素轉(zhuǎn)換為黑色。MATLAB7.0圖像處理工具箱提供了graythresh( )函數(shù)提取全局閾值，im2bw( )函數(shù)進(jìn)行二值化。處理結(jié)果如圖6。

2.4 木材紋理形狀檢測(cè)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，形態(tài)學(xué)圖像處理已發(fā)展為圖像處理的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法比其他空域或頻域圖像處理分析方法具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)。比如基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的邊緣信息提取處理優(yōu)于基于微分運(yùn)算的邊緣提取算法，它對(duì)噪聲不像微分算法那樣敏感，且提取的邊緣也比較平滑。在此嘗試應(yīng)用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理的“BWMORPH”函數(shù)來(lái)探測(cè)紋理形狀。BWMORPH函數(shù)通常是對(duì)輸入的圖像執(zhí)行二值形態(tài)學(xué)的計(jì)算，并返回一幅輸入圖像的紋理形態(tài)骨骼線(xiàn)二值圖像。處理結(jié)果如圖7。

3、結(jié)論

本文通過(guò)一系列圖像處理方法，對(duì)水曲柳木板紋理圖像進(jìn)行提取，最終基本得到了木板紋理圖。試驗(yàn)表明，MATLAB軟件強(qiáng)大的圖像處理功能，能夠滿(mǎn)足木材紋理檢測(cè)提取，它速度快，方法科學(xué)，提高了紋理檢測(cè)的可靠性。BWMORPH函數(shù)最適于木材這類(lèi)中弱紋理的形狀輪廓檢測(cè)，處理效果比較理想。

[1]任洪娥, 關(guān)明山. 馬巖. 板材的紋理識(shí)別初探[J].木材加工機(jī)械.2004；(01): 5-8.

[2]尹鳳領(lǐng), 霍丙全. 圖像處理技術(shù)的Matlab實(shí)現(xiàn)[J].科技信息. 2007；(05): 41-42.

[3]林文樹(shù),王立海,吳金卓. MATLAB7在木材內(nèi)部缺陷檢測(cè)圖像處理中的應(yīng)用[J].林業(yè)科技. 2005；30(6): 49-51.

[4]羅軍輝,馮平,哈力旦·A等. MATLAB7 .0在圖像處理中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2005；10-162.

[5]李了了,鄧善熙. MATLAB在圖像處理技術(shù)方面的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息. 2003；19(2): 65-66.

[6]王輝,王克奇,白雪冰. 噪聲環(huán)境下木材紋理分類(lèi)的研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備.2006；（10）: 13-15.

S625.5 +2

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.16.069

?？蒲邪l(fā)展基金(2006FK34)

徐一清(1981－ )，男，漢族，實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)及木材微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究。