全 文 ：第 31 卷　第 5期
2009 年 9 月
北　京　林　业　大　学　学　报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.31 , No.5
Sep., 2009
收稿日期:2008--07--04
http: www.bjfujournal.cn , http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(30760192)、内蒙古科技计划项目(20080508)。
第一作者:多化琼 ,博士生 ,副教授。主要研究方向:数字图像处理技术在木材科学中的应用。电话:0471--4309211 Email:duohuaqiong@163.
com　地址:010018内蒙古呼和浩特市昭乌达路 306号内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院。
责任作者:王喜明 ,教授 ,博士生导师。主要研究方向:木材科学与技术。电话:0471-4303037　Emai l:w-ximing@263.net　地址:同上。
利用傅立叶变换研究铁杉木材管胞横截面尺寸
多化琼　王喜明　范俊雄
(内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院)
摘要:利用傅立叶变换图像处理技术研究铁杉木材管胞尺寸 ,把每一个管胞都用其中心的 1 条长 9 个像素点 、宽 2
个像素点的线段点图来表示 ,进行傅立叶变换 , 其能量光谱图在水平和垂直方向上的频率 ,除零值以外的最大值 ,
为管胞径向 、弦向直径。结果表明:该方法与光学显微镜 、图像处理软件的结果基本相同 ,说明傅立叶变换图像处
理技术适用于管胞尺寸的测定 ,扩大了其应用领域 ,也为建立木材几何参数识别的数学模型提供了理论依据。
关键词:傅立叶变换;图像处理;管胞尺寸;针叶材
中图分类号:S781.1　　文献标志码:A　　文章编号:1000--1522(2009)05--0108--04
DUO Hua-qiong;WANG Xi-ming;FAN Jun-xiong.Cross section size analysis of tracheids in Tsuga
chinensis wood with Fourier transformation.Journal of Beijing Forestry University (2009)31(5)108-111
[Ch , 13 ref.] College of Material Science and Art Design , Inner Mongolia Agriculture University ,Hohhot ,
010018 ,P.R.China.
Fourier transformation image-processing technology was applied to measure cross section size of Tsuga
chinensis tracheids.In this method , each tracheid was mapped by the center point on the cell of transverse
section with each point was extended up and down for four pixels(nine-pixel length in total)and two pixels in
width , and thereafter line convoluted dot map (LCDM)was obtained.Through Fourier transformation , the
frequency distribution of power spectrum patterns from both horizontal and vertical directions was obtained and
the cell diameters in radius and tangential direction were known from the maximum value except 0 in the
distribution.The results indicated that there was no significant difference from the optical microscope or image-
processing software.It shows that this method can be applied to the tracheid measurement and expand the
Fourier transform application domain , and it also provides a theoretical basis for the establishment of the
mathematical model to identify cell geometric parameters.
Key words　Fourior transformation;image analysis;tracheid size;softwood
　　傅立叶变换图像处理技术从空间域转换到频域
检测和研究图像频谱特性 ,具有处理速度快 、构成方
式清楚 、滤波广度大 、预测性好等优点。傅立叶变换
图像处理技术被广泛地运用到图像增强 、图像复原 、
图像压缩 、图像特征提取 、图像识别等许多领域。国
内学者早在20世纪 80年代就开始利用图像分析技
术 ,对木材横切面显微构造特征进行提取 、定量测量
等方面的研究 。王秀华等[ 1] 采用 SPSS 软件提取了
230种木材横切面的 21项显微构造特征参数 、11项
图像纹理特征参数;任宁[ 2] 、潘斌[ 3] 、于海鹏[ 4] 和李
桂英[ 5]等也都利用数字图像技术对木材细胞特征进
行了研究 ,其研究均在空间域进行 ,空间域处理具有
计算繁琐 、广度和构成方式模糊 、计算时间长 、预测
性差等缺点。在国内利用傅立叶变换图像处理技术
对木材细胞形态方面的研究仅限于综述性的报
道[ 6] 。
日本学者 Diao[ 7-9] 利用傅立叶变换图像处理技
术对日本的针叶材和阔叶材进行了研究 ,Yoko[ 10-13]
对日本的 贝壳杉 (Agathis)、柳 杉(Cryptomeria
fortunei)和木兰(Magnolia liliflora)树 3种树种的细胞
进行了研究[ 10-13] 。本文利用傅立叶变换(FFT)、能
量光谱图(PSP)、角度分布图和频率分布图等对中国
DOI :10.13332/j.1000-1522.2009.05.027
的铁衫(Tsuga chinensis )横截面早材管胞尺寸进行
研究 ,为研究木材管胞提供一种新方法 ,也为实现木
材的数字化识别奠定基础 。
1　材料与方法
1.1　木材切片
铁杉产自四川省 ,中国林业科学研究院自制切
片 ,以切片中的早材为研究对象。
1.2　方　法
1.2.1　切片成像
将铁杉横断面切片放在带有数码相机的光学显
微镜(OLYMPUS , Micropublisher3.3RTV)上观察 、拍
照 ,放大倍数为 10倍 ,拍照时要将木射线的方向和
显示屏上的 x 轴方向垂直 ,数字照片的尺寸为1 024
pixel×1 024 pixel , 1个像素对应的尺寸为 1.93 μm ,
表示为 RD=1.92μm pixel ,被观测的切片实际面积
为2.013 mm2 。
1.2.2　图像处理
1)用 photoshop 6.0 中的阈值滤波器将薄壁细
胞 、木射线细胞滤掉 ,只剩下木材管胞 ,再将彩色照
片转换成二值图像;把细胞腔的边缘提取出来 ,得到
网图(NM)。
2)把网图进行傅立叶变换 ,得到网图的能量光
谱图(NM-PSP)。
3)把网图中的每一个管胞 ,都用其中心的 1个
像素点表示 ,得到点图(DM),作点图的角度分布图。
4)把点图中的每一个像素点的上下分别再加 4
个像素点 ,即垂直方向变为 9个像素点 ,在水平方向
上由 1 个像素点变为 2 个像素点 ,得到线段点图
(LCDM)。
5)把线段点图进行傅立叶变换 ,得到其能量光
谱图(LCDM-PSP)。
6)做线段点图的能量光谱图 ,其角度在[ -5°,
4°]之间的频率分布函数图 。
7)做线段点图的能量光谱图 ,其角度在[ 85°,
94°]之间的频率分布函数图 。
2　结果与分析
管胞图像进行傅立叶变换得到的能量光谱图 ,
其频率大小及方向都带有管胞特征信息 。
图 1为针叶材铁杉的横截面早材管胞数字图
像。图 2是从图 1中把管胞腔的外壁边缘 ,即细胞
壁的内壁边缘提取出来的网图 。
2.1　能量光谱图的方向分析
图3是将图 2进行傅立叶变换得到的能量光谱
图。在图 3 中可以看到从中心向外扩散的 4条条
图 1　原图
FIGURE 1　Original image
图 2　网图
FIGURE 2　Net image(NM)
纹 ,有 2条条纹在水平方向上 ,另 2条条纹在垂直方
向上 ,水平条纹和垂直条纹也就是弦向条纹及径向
条纹 。图 3中的弦向条纹来源于图 2中的径向点的
规律性 ,而径向条纹则与弦向点的规律性有关 ,所以
网图 2中的点 ,大多数为径向点和弦向点 。
图 3　网图的能量光谱图
FIGURE 3　Power spect rum pattern of NM
2.2　角度分布图的方向性分析
将图 2中的每个管胞都用其中心的 1个像素点
来表示 ,得到点图 ,将其傅立叶变换后得到角度分布
图(图 4)。从图 4中可知:在 0°、90°和 180°有峰值 ,
0°与 180°都在水平方向(弦向)上 ,水平方向和垂直
方向(径向)出现的频率最高 ,说明点图中大多数点
109第 5期 多化琼等:利用傅立叶变换研究铁杉木材管胞横截面尺寸
图 4　点图的角度分布图
FIGURE 4　Angular distribution of dot map
的方向是在水平和垂直方向上 ,也就是大多数为径
向点和弦向点。
2.3　线段点图及其能量光谱图的方向性分析
图5为把点图中的每个像素点在垂直方向上变
成9个像素点 、水平方向上变为 2个像素点的线段
点图 ,也就是每个管胞都用长 9个像素点 、宽 2个像
素点的线段来表示。因图像比较大 ,看得不很清楚 ,
所以图5是从原始图中的左上角截取的一部分 。图
6为图 5的能量光谱图 ,因图 5中长比宽的像素点
多 ,呈径向方向(即垂直方向),所以图 6只有弦向条
　　
图 5　线段点图
FIGURE 5　Line convoluted dot map
图 6　线段点图的能量光谱图
FIGURE 6　Power spectrum pattern of LCDM
纹 ,即水平方向的条纹。
2.4　用频率分布函数计算管胞尺寸
能量光谱图的频率分布函数可以有效地测量管
胞尺寸 ,分别做 0°和 90°的频率分布函数图得图 7。
为了准确 ,把角度 0°稍稍扩大到[ -5°, 4°]之间 ,把
角度 90°稍稍扩大到[ 85°,94°] 之间 。在图 7a 中 ,除
零值附近的第一个峰值之外 ,其峰值为 46像素(箭
头处),对应于管胞径向直径;在图 7b中 ,除零值附
近的第一个峰值之外 ,其峰值为 65 像素(箭头处),
对应于管胞弦向直径[ 12] 。
最大像素值(k)与实际尺寸(T)之间的关系为:
T=1 024 k ×RD ,所以
径向直径=1 024 46×1.92=42(μm)
弦向直径=1 024 65×1.92=30(μm)
a 角度在[ -5°,4°] 之间
b角度在[ 85°, 94°] 之间
图 7　线段点图的频率分布函数图
FIGURE 7　Frequency distribution function of LCDM
2.5　几种方法的比较
表 1列出了傅立叶变换图像处理技术 、光学显
微镜下的测微尺和香港自然基因生命科学有限公司
的VideoTesT-Structure 5.0图像处理软件测量针叶材
铁杉横截面早材管胞尺寸的结果 ,可见三者测得的
径向直径 、弦向直径基本相同 。
110 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷　
表 1　管胞径向和弦向直径测量结果的比较 μm
TABLE 1　Comparison of testing results between radial
and tangential interval
径向直径 弦向直径
傅立叶变换 42 30
光学显微镜测微尺 43.53 29.83
VideoTesT-Structure 5.0 44.00 31.00
3　结　　论
木材管胞参数的提取对木材的识别和材性的研
究都有很大的作用 ,利用傅立叶变换图像处理技术
可以测量针叶材铁杉横截面早材管胞的尺寸 。本文
将傅立叶变换图像处理技术与光学显微镜 、图像处
理软件的结果进行了比较 ,发现它们基本相同 ,说明
该方法适用于针叶材铁杉横截面早材管胞尺寸的测
定 ,也为建立木材几何参数识别的数学模型提供了
理论依据 。
参 考 文 献
[ 1 ] 王秀华 ,刘镇波 ,刘一星.木材横切面显微图像特征参数的
主成分分析[ J] .东北林业大学学报 , 2005 ,33(5):30-37.
[ 2 ] 任宁 ,于海鹏 ,刘一星.应用数字图像处理技术测量木材显
微构造特征参数[ C] 中国林学会木材科学分会.中国林学
会木材科学分会第十次学术研讨会论文集.北京:[ 出版者不
祥] , 2005:576--581.
[ 3 ] 潘斌 ,程放 ,李小群.数字化木材显微图像分析仪的开发与
应用[ J] .木材工业 , 2005 ,19(6):12--14.
[ 4 ] 于海鹏 ,刘一星 ,刘镇波.图像图形学在木材纹理特征检测
中的应用[ C] 中国图像图形学学会.第十二届全国图像图
形学学术会论文集.北京:[ 出版者不详] , 2005:722--727.
[ 5 ] 李桂英 , 刁宏志.计算机在木材细胞数字化理论中的应用
[ J] .林业机械与木工设备 , 2005 , 33(1):22--24.
[ 6 ] 王金满,曲艳杰 ,李坚.傅立叶变换图像处理方法在木材解剖特
征研究上的应用[ J] .四川农业大学学报 ,1998, 16(1):176--180.
[ 7 ] DIAO X M , FURUNO T , UEHARA T.Quantitative morphological
evaluation of cross-sectional vessel shapes in hardwoods using image
processing[ J] .Journal of theJapan Wood Research Society ,1997 , 43
(9):609--716.
[ 8 ] DIAO X M , FURUNO T , UEHARA T.Analysis of cell arrangements
in softwood using two-dimensional fast Fourier t ransform [ J] .
Mokuzai Gakkaishi , 1996, 42(7):634-641.
[ 9 ] DIAO X M , FURUNO T , UEHARA T.Analysis of vessel
arrangements in hardwood using two-dimensional fast Fourier
transform[ J] .Mokuzai Gakkaishi , 1997 , 43(8):623--633.
[ 10] YOKO M.Transverse shape analysis of softwood tracheids by the
quantitative Fourier transform image analysis[ D] .Tottori , Japan:
Tottori University , 2006.
[ 11] YOKO M , MINORU F.Transverse shape analysis of xylem ground
tissues by Fourier transform image analysi s Ⅱ:Cell wall direction
and reconstruction of cell shapes[ J] .Journal of Wood Science ,
2005 , 51(3):209-217.
[ 12] YOKO M , YOJI I , MINORU F.Transverse shape analysis of xylem
ground tissues by Fourier transform image analysis Ⅰ :Trial for
statisti cal expression of cell arrangements with fluctuation [ J] .
Journal of Wood Science , 2005 ,51(3):201--208.
[ 13] YOKO M , MINORU F.Transverse shape analysis of xylem ground
tissues by the Fourier t ransform image analysis Ⅲ: Shape
reconstruction of earlywood tracheids in 22 species and some
parameters for normalizing cell shapes[ J] .Journal of the Japan
Wood Research Society , 2005 ,51(4):218--226.
(责任编辑　李文军)
111第 5期 多化琼等:利用傅立叶变换研究铁杉木材管胞横截面尺寸