全 文 ：第 wu卷 第 tu期
u s s y年 tu 月
林 业 科 学
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透明涂饰对木材纹理等视觉特征的影响分析 3
刘一星 于海鹏
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 对 x种木材进行聚氨酯清漆透明涂饰处理 o借助数字图像处理技术定量检测涂饰前后 |种材色和纹理参
数的变化 }色调 !饱和度 !亮度 !对比度 !二阶角矩 !方差和 !长行程加重因子 !分形维数 !小波水平能量分布比重 ∀结
果表明 }透明涂饰总体上有利于增强木材表面的视觉效果 o但影响效果视素材的纹理情况而定 ∀素材纹理原本清
晰 !明显时 o其纹理效果略有变化 o但并不显著 ~而原本呈弱纹理及或隐纹理的素材 o透明涂饰对改变其视觉效果的
影响作用显著 ∀基于参数的 τ检验结果 o饱和度 !亮度 !方差和 v个参数可以作为涂饰对纹理影响性的重要指标 o进
而建立起反映透明涂饰对木材视觉效果综合影响的坐标公式 ∀
关键词 } 木材 ~透明涂饰 ~纹理 ~视觉特征
中图分类号 }≥z{t1y| 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltu p ss|s p sx
收稿日期 }ussx p s| p ut ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目资助kvswztvxyl ∀
3 于海鹏为通讯作者 ∀
Εφφεχτ οφ Χλεαρ Λαχθυερ ον Τεξτυραλ ςισιον οφ Ωοοδ Συρφαχε
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k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ} ≤¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µ¬¶³¯¤¼¬±ª¤±¬°³²µ·¤±·µ²¯¨¬±¬°³µ²√¬±ª√¬¶∏¤¯ §¨¦²µ¤·¬√¨ ©¨©¨¦·²© º²²§º²µ®¶o¤±§³µ²¯²±ª¬±ª·«¨
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Κεψ ωορδσ} º²²§~¦¯¨ ¤µ¯¤¦´∏¨µ~·¨¬·∏µ¨ ~√¬¶¬²± ¦«¤µ¤¦·¨µ
木材涂饰具有保护木材和装饰美化的双重作用 o是使用时间最长 !历史最悠久 !比较简便而又能有效保
护木材的表面装饰处理方法 ∀透明涂饰能最大限度保持 !增强木材天然花纹和颜色 o是中高级家具或使用珍
贵树种生产各种木制品时常采用的处理方法 ∀研究透明涂饰前后木材表面视觉特性的变化规律 o对于更好
发挥木材视觉环境学品质特性具有重要指导意义 ∀
目前 o已有研究对涂饰前后木材的色度学和光泽度变化进行了定量测定k李坚等 ot||{ ~刘一星等 ot||x ~
段新芳等 ot||{l o但通过纹理参数来表征透明涂饰对木材视觉效果影响的研究迄今为止尚未得到开展 ∀因
此 o本研究以木材素材图像与其经透明涂饰后图像的纹理特征做比对 o以定量化的纹理参数来反映涂饰对木
材视觉效果的影响作用 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
选择不同类型的木材纹理试样共 x 种 ts 件 o分别为落叶松 k Λαριξ γ µελινιιl !水曲柳 k Φραξινυσ
µανδσηυριχαl !鱼鳞云杉k Πιχεα ϕεζοενσισ √¤µq µιχροσπερµαl !硕桦k Βετυλα χοσταταl !紫椴k Τιλια αµυρενσισl o依其顺
序 o纹理特征为逐渐变弱 !逐渐变细 ∀
112 透明涂饰方法
涂饰前 o先摄取试件素材的数字化图像 o保存在计算机中 ∀再对试件进行透明涂饰 o底漆选用华润牌聚
氨酯漆 o配比为漆料Β固化剂Β稀释剂 € tΒs1xΒs1x o面漆选用三宝牌醇酸清漆 o涂饰次数为 u遍底漆 !t遍面
漆 ∀待漆膜硬固后 o对涂饰后的试件摄取数字化图像 o图像的采样面与部位要与素材图像相一致 o采样时的
设置条件也对应一致 o留待与素材图像一起对比处理 ∀
113 各种纹理算法及对应特征参数
不同的纹理算法有不同的针对性和优缺点 ∀根据文献k于海鹏等 oussx¤~…«¤µ¤·¬ ετ αλqoussw ~ײ°¬·¤ ετ
αλqot||s ~ • ¤±ª ετ αλqot||y ~«∏ ετ αλqot||xl可知 o各种纹理算法之间不是完全没有联系 o它们作用的基础
都是纹理像素的灰度强度值 o区别只是处理空间选择在空域 !频域还是模型空间 o对它们进行组合统计分析 !
频谱变换还是模型套用 ∀因此 o根据不同纹理算法的优势特长 o确定将提取以下木材纹理参数 ∀
从色度学特征考虑 o选择与人体视觉及工程学息息相关的 ‹≥Œ色度模型 o包括色调k‹l !饱和度k≥l和亮
度kŒlv个参数 ∀
基于空域法灰度共生矩阵的纹理参数能够反映木材像素灰度的二阶组合和分布规律信息 o选择在 tt个
灰度共生矩阵参数基础上筛选得到的 v个参数 }对比度k≤’‘l !二阶角矩k„≥l !方差和k≥∂l o可以较好地体
现纹理强弱 !周期变化快慢以及纹理的粗细均匀性 o较为全面地概括了木材纹理的主要特征 ∀根据木材纹理
特点 o确定共生矩阵的结构参数 δ取 v !Η取 sβk于海鹏等 ousswl ∀
基于空域统计特征的从纹理基元的大小考虑 o选择基于行程长度统计的长行程加重因子k• ∞l o针对木
材纹理特点 o确定计算特征参数时的行程长度取 w !方向取 sβ ∀
小波法的优越之处在于将空域和频域结合 o对木材纹理进行多尺度频谱分析 o提取木材纹理的低频和高
频分量 o得出其在水平 !垂直和角方向上的频率变化信息 ∀根据木材纹理特点 o选择反映纹理图像在水平方
向的能量分布比重因子k∞°‹l o确定小波滤波器长度取 { !分解尺度取 uk于海鹏等 oussx¥l ∀
虽然单纯基于分形盒维法并不足以提取所有的纹理信息 o但它计算出的分形维数能够很好地表达木材
纹理的粗糙性和复杂性 o使得纹理特征的表达得以简化 ∀因此 o选择由纹理像素灰度的分形特性统计而来的
分形维数kƒ⁄l ∀
综上分析 o确定出木材纹理特征综合变量体系参数 }tl 色调k‹l ~ul饱和度k≥l ~vl 亮度kŒl ~wl 对比度
k≤’‘l ~xl 二阶角矩k„≥l ~yl 方差和k≥∂l ~zl 长行程加重因子k• ∞l ~{l 分形维数kƒ⁄l ~|l 小波水平能量
分布比重k∞°‹l ∀将涂饰前后的图像一起交由程序处理 o提取出纹理特征参数值 o用以对照分析 ∀
u 涂饰前后木材纹理特征参数的变化及分析
211 涂饰前后样本的视觉比较
对于涂饰前后木材试件图像k图略l的直观视觉观察可以看出 }与素材相比 o涂饰后试件在视觉上的色彩
感更鲜艳 o图面呈现出饱和的光感 o纹理变得更加明显 !清晰 ∀
212 涂饰前后的纹理参数变化分析
由图 t !u可知 }木材涂饰前后的色调值对比结果显示 o色调值普遍增大 o向红黄色系变化 o幅值变化范围
在 p w h ∗ tv h之间 o并不很大 ~木材涂饰后的饱和度值均呈增大趋势 o且增幅范围基本均在 xs h以上 o显示
透明涂饰对饱和度的影响十分明显 ∀
由图 v可知 }木材涂饰前后亮度值均呈下降趋势 o降幅较小 o范围在 p tx h ∗ s之间 ~基本规律表现为原
素材纹理明显 !清晰时 o其涂饰后的明度值受纹理影响的降幅也相对大一些 ~弱纹理和无纹理者受影响程度
较小 ∀从整体上看 o涂饰后木材色调 !饱和度 !亮度值的变化受原素材纹理强弱规律的影响为不显著 ∀
由图 w可知 }涂饰前后木材纹理的二阶角矩值变化不甚一致 o且差异也较大 ∀二阶角矩是反映图面细致
均匀性的关键参数 o当素材图像纹理清晰 !明显时 o涂饰后其图像的二阶角矩一般会小幅降低 ~当素材图像
纹理较弱 !不明显时 o如果涂饰后其隐纹理被显现出来 o则其覆漆膜图像的二阶角矩会较显著地降低 ~如果
涂饰后其隐纹理没有被显现出来 o或者被完全覆盖 o则其覆漆膜图像的二阶角矩会显著增大 ∀
t| 第 tu期 刘一星等 }透明涂饰对木材纹理等视觉特征的影响分析
图 t 木材涂饰前后的色调值变化
ƒ¬ªqt ≤«¤±ª¬±ª²©«∏¨ ¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µ
图 u 木材涂饰前后的饱和度值变化
ƒ¬ªqu ≤«¤±ª¬±ª²©¶¤·∏µ¤·¬²± ¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
τ 涂饰前 …¨ ©²µ¨ ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µoυ涂饰后 „©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µq„1 落叶松 o径向 Λαριξ γ µελινιι oµ¤§¬¤¯ ~…1落叶松 o弦向 Λαριξ γ µελινιι o·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ~≤1水曲
柳 o径向 Φραξινυσ µανδσηυριχαoµ¤§¬¤¯ ~⁄1 水曲柳 o弦向 Φραξινυσ µανδσηυριχαo·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ~∞1 鱼鳞云杉 o径向 Πιχεαϕεζοενσισ √¤µq µιχροσπερµα oµ¤§¬¤¯ ~ƒ1
云鳞云杉 o弦向 Πιχεαϕεζοενσισ √¤µq µιχροσπερµα o·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ~Š1硕桦 o径向 Βετυλα χοστατα oµ¤§¬¤¯ ~ ‹1 硬桦 o弦向 Βετυλα χοστατα o·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ~Œ1 紫椴 o径向
Τιλια αµυρενσισoµ¤§¬¤¯ ~1 紫椴 o弦向 Τιλια αµυρενσισo·¤±ª¨ ±·¬¤¯ q下同 ׫¨ ¶¤°¨ ¥¨ ²¯º q
图 v 木材涂饰前后的亮度值变化
ƒ¬ªqv ≤«¤±ª¬±ª²©¬¯¯∏°¬±¤±¦¨ ¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
图 w 木材涂饰前后的纹理二阶角矩值变化
ªqw ≤«¤±ª¬±ª²©¤±ª∏¯¤µ¶¨¦²±§°²°¨ ±·¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
图 x 木材涂饰前后的纹理对比度值变化
ƒ¬ªqx ≤«¤±ª¬±ª²©¦²±·µ¤¶·¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
图 y 木材涂饰前后的纹理方差和变化
ƒ¬ªqy ≤«¤±ª¬±ª²©¶∏° ²©√¤µ¬¤±¦¨¶¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µ
由图 x可知 }由于对比度与二阶角矩有时呈相反的变化规律 o所以涂饰前后木材纹理的对比度值变化也
不甚一致 o且纹理间的差异较大 ∀素材图像纹理清晰 !明显时 o涂饰后其图像的对比度值会增加一定量 ~当
素材图像纹理较弱 !不明显时 o如果涂饰后其隐纹理被显现出来 o则其覆漆膜图像的对比度值会较大幅度地
增加 ~如果涂饰后其隐纹理没有被显现出来 o或者被完全覆盖 o则其覆漆膜图像的对比度值基本不变化 ∀
由图 y可知 }方差和受纹理的影响更加显著 o特别是当素材的隐纹理被显现出来时 o其增幅甚至能达到
uss h以上 o这说明透明涂饰能使素材的隐纹理显现并呈现出周期变化规律 ∀
由图 z可知 }长行程加重因子受弱纹理和无纹理图像的影响十分明显 o推测是由于漆膜的覆盖作用消隐
了原素材图像上纹理灰度的细微波动变化k尽管那种波动有时对于人眼是不明显的l o从而使同灰度的长行
程量增加 ∀长行程加重因子值的增大表明涂饰后的纹理将比素材的纹理要细致均匀 ∀
u| 林 业 科 学 wu卷
图 z 木材涂饰前后的纹理长行程加重值变化
ƒ¬ªqz ≤«¤±ª¬±ª²© ²¯±ª2µ∏±·« °¨³«¤¶¬¶
¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µ
图 { 木材涂饰前后纹理小波水平能量比变化
ƒ¬ªq{ ≤«¤±ª¬±ª²©«²µ¬½²±·¤¯ ±¨¨ µª¼ ³¨µ¦¨±·¤ª¨ ²©
º¤√¨ ¯¨·¥¨©²µ¨ ¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
由图 {可知 }小波水平能量分布比重反映的是纹理的信息熵多少 o受纹理横向周期模式影响较大 ∀有纹
理时 o涂饰后能量值较素材有较大增加 ~无纹理时 o涂饰后能量值明显减少 ∀
因为二阶角矩 !对比度 !方差和 !长行程加重 !小波水平能量比都是特定纹理特征的敏感度量指标 o所以
纹理的强弱和有无对涂饰前后以上参数的影响十分显著 ∀
由图 |可知 }由于纹理图像的分形维数取值在 u ∗ v之间 o所以分形维数变化值的计算是以涂饰前后的
差值去除以 tk分形维数最大值 v与其最小值 u的差l ∀从图中可以看出分形维数的变化较小 o并且受原素材
纹理强弱的影响为不显著 ∀当原素材图像的纹理清晰 !明显时 o其被涂饰后对应的分形维数值只略微增强
k如落叶松 !水曲柳l ~只有当隐纹理变清晰时 o分形维数值才有较大幅度地变化k如鱼鳞云杉的径切面l ~当
原素材图像表现为非常平整 o难以看出纹理时 o则涂饰使得其平整度更好 o复杂度下降 o进而分形维数大幅减
小k如硕桦 !紫椴l ∀
213 涂饰前后相关样本纹理参数的 τ检验
涂饰前后相关样本图像的纹理参数的 τ检验结果如表 t所示 o可以发现饱和度 !亮度 !方差和的 π值均
小于 s1sx o即按照 Α€ s1sx水平的情况 o可以认为涂饰工艺对木材试件的饱和度 !亮度 !方差和参数的影响有
显著性意义 o并且饱和度 !亮度参数的受影响性为极显著 ~但尚不能认为对其他的纹理参数影响效果显著 ∀
图 | 木材涂饰前后的纹理分形维数变化
ƒ¬ªq| ≤«¤±ª¬±ª²©©µ¤¦·¤¯ §¬°¨ ±¶¬²± ¥¨©²µ¨
¤±§¤©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
图 ts 透明涂饰对木材视觉综合影响的三维坐标分析
ƒ¬ªqts ≥¼±·«¨·¬¦ ©¨©¨¦·²©¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´∏¨µ²± º²²§
√¬¶¬²±¬±·«µ¨ 2¨§¬° ±¨¶¬²±¤¯ ¦²²µ§¬±¤·¨¶
214 涂饰对纹理影响的综合分析
为了进一步体现涂饰对纹理效果的综合影响 o以/饱和度 !亮度 !方差和0参数作为涂饰对纹理影响性的
重要指标 o做三维散点图加以反映 o结果见图 ts ∀从各树种距原点的距离来看 o鱼鳞云杉径切面和硕桦径切
面的距离最远 o反映透明涂饰对它们的纹理视觉效果影响程度最大 ∀落叶松径 !弦切面 o鱼鳞云杉弦切面 o水
曲柳弦切面 o紫椴径切面的空间分布比较靠近 o说明涂饰对它们的影响规律和程度都较相近 ∀硕桦弦切面的
变化较为特殊 o经涂饰后它的/亮度0值改变较小 o/饱和度0虽略有增幅 o但不及多数树种的平均值 o/方差和0
v| 第 tu期 刘一星等 }透明涂饰对木材纹理等视觉特征的影响分析
表 1 透明涂饰前后试件图像的纹理参数的 τ检验 ≠
Ταβ . 1 τ2τεστ φορ τεξτυραλ παραµετερσ οφ δεπενδεντ ιµ αγεσ βεφορε ανδ αφτερ χλεαρ λαχθυερ
涂饰前 …¨ ©²µ¨ ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ 涂饰后 „©·¨µ¦¯ ¤¨µ¯ ¤¦´ ∏¨µ
均值 „√¨ µ¤ª¨ 标准差 ≥⁄ 均值 „√ µ¨¤ª¨ 标准差 ≥⁄
δφ τ π 显著≥¬ª±¬©¬¦¤±·
色调 ‹ vw1{w w1zy{ vy1ut x1wyu | p u1uux s1sxv t
饱和度 ≥ s1t|x s1syu { s1vut s1s{z s | p tt1w| s1sss s 33
亮度 Œ uss1u uz1t{ t{v1| vs1xw | y1sux s1sss u 33
二阶角矩 „≥ s1ssu x s1sst wx s1sst | s1sst uz | t1z{{ s1tsz w
对比度 ≤’‘ x|1{z vy1tuy yu1ts vy1xww | p s1wxt s1yyu x
方差和 ≥∂ uuv1x uys1vs u{v1v u|t1u| | p v1swx s1stv | 3
长行程加重因子 • ∞ ttw1{ txy1t| v{1w t{1yy | t1w|v s1ty| x
分形维数 ƒ⁄ u1uzs s1tuw s u1uwv s1t|| z | s1y{| s1xsz z
小波水平能量比 ∞°‹ u{1{| {1vs{ u|1wt tu1|uu | p s1tuz s1|su s
≠ 3 !33分别表示在 s1sx !s1st水平显著 ∀ 3 o33 }≥¬ª±¬©¬¦¤±·¤·s1sx os1st ¯¨ √¨¯ µ¨¶³¨¦·¬√¨ ¼¯ q≥⁄}≥·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²±q
的改变与其他树种相近 o但略大 o所以它的变化趋势及变化程度与其他树种有所不同 o反映在空间上远离其
他树种 ∀
为方便比较 o采用空间坐标距离的数学计算公式来表示涂饰对木材视觉特征的影响效果 }
∆ € k∃Σlu n k∃Ιlu n k∃Σςlu
依据上式计算出涂饰前后试件纹理改变程度的距离值 o并依据综合距离值的大小 o将影响程度分为 v
类 ∀第一类 o纹理改变程度较小 }如落叶松弦切面kxt1zul !落叶松径切面kxz1wtl !紫椴径切面ky|1zzl !紫椴
弦切面kzs1w|l ~第二类 o纹理改变程度为中等 }如水曲柳弦切面k{s1u|l !水曲柳径切面k{u1yxl !鱼鳞云杉弦
切面k{x1xxl !硕桦弦切面k|v1xzl ~第三类 o纹理改变程度大 }硕桦径切面ktx|1zxl !鱼鳞云杉径切面
kuwu1tvl ∀
v 结论
利用色度学参数及纹理特征参数能够定量指示透明涂饰对木材表面视觉效果的影响作用 ∀结果显示 o
透明涂饰对木材的/饱和度 !亮度和纹理明显性0影响为显著和极显著 ∀被涂饰素材纹理原本清晰 !明显的 o
其涂饰后的纹理效果虽有所增强 o但增强程度并不显著 ~素材原本呈弱纹理或隐纹理的 o透明涂饰对改变其
视觉效果的影响表现为显著 ∀从涂饰前后木材纹理和颜色特征参数的变化来看 o应该说透明涂饰有利于增
强纹理特征 o对改变视觉效果的影响作用是显著而积极的 ∀
参 考 文 献
段新芳 o李 坚 o刘一星 o等 qt||{1 °˜漆阔叶树材透明涂饰过程中色度学特征的变化 q四川农业大学学报 otyktl }z| p {w
李 坚 o刘一星 o段新芳 qt|{{1 木材涂饰与视觉物理量 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
刘一星 o李 坚 o于 晶 qt||x1 透明涂饰前后木材表面材色和光泽度的变化 q家具 okvl }v p x
于海鹏 o刘一星 o张 斌 o等 qussw¤1 应用空间灰度共生矩阵定量化分析木材表面纹理特征的研究 q林业科学 owskyl }tut p tu|
于海鹏 o刘一星 o刘镇波 qussx¤q木材纹理定量化算法探究 q福建林学院学报 ouxkul }txz p tyu
于海鹏 o刘一星 o孙建平 qussx¥1 基于小波的木材纹理分频信息提取与分析 q林业科学 owtkul }tss p tsx
…«¤µ¤·¬ ‹ o¬∏o ¤¦Šµ¨ª²µƒ qussw qŒ°¤ª¨ ·¨¬·∏µ¨ ¤±¤¯¼¶¬¶}° ·¨«²§¶¤±§¦²°³¤µ¬¶²±¶q≤«¨ °²°¨ ·µ¬¦¶i Œ±·¨¯ ¬¯ª¨ ±·¤¥²µ¤·²µ¼ ≥¼¶·¨°¶ozuktl }xz p
zt
ײ°¬·¤ƒ o׶∏­¬≥ qt||s1 ≤²°³∏·¨µ¤±¤¯¼¶¬¶²©√¬¶∏¤¯ ·¨¬·∏µ¨¶q Ž¯∏º µ¨‘²µº¨¯¯
• ¤±ª oŠ∏¨µµ¬¨µ² „ o≥¤µ¬²  qt||y q≤²°³¤µ¬¶²± ²©¶¨√ µ¨¤¯ ¤³³µ²¤¦«¨¶©²µ·«¨ ¶¨ª°¨ ±·¤·¬²± ²©·¨¬·∏µ¨ ¬°¤ª¨¶q°¤·¨µ± • ¦¨²ª±¬·¬²± ¨·¨µ¶otz }xs| p xut
«∏ ≠  oŠ²∏·¨ • qt||x q „ ¦²°³¤µ¬¶²± ²©¥¬¯¬±±¨ ¤µ¶³¤·¬¤¯p©µ¨ ∏´¨ ±¦¼ µ¨³µ¨¶¨±·¤·¬²±¶©²µ·¨¬·∏µ¨ §¬¶¦µ¬°¬±¤·¬²±q°¤·¨µ± • ¦¨²ª±¬·¬²± ¨·¨µ¶oty }tsxz p tsy{
k责任编辑 石红青l
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