林业科学  2007, Vol. 43 Issue (7): 61-66   PDF    
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夏萍, 刘盛全, 周亮, 徐斌.
Xia Ping, Liu Shengquan, Zhou Liang, Xu Bin.
X射线图像法测定木材生长轮密度
A Measurement Method of Wood Growth Ring Density Based on X-Ray Combined Image Processing
林业科学, 2007, 43(7): 61-66.
Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(7): 61-66.

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收稿日期:2006-06-29

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夏萍
刘盛全
周亮
徐斌

X射线图像法测定木材生长轮密度
夏萍, 刘盛全, 周亮, 徐斌     
安徽农业大学 合肥 230036
摘要: 提出X射线图像法测定木材生长轮密度和生长轮宽度的一种新方法, 应用自编的软件,对图像进行预处理,获取其灰度值,根据图像的灰度值与穿透物材料密度的线性关系直接测定物体微密度,并与微密度测量仪测定结果进行对比。结果表明:X射线图像法与仪器法相比,平均密度误差为0.45%,相关系数为0.966 4;生长轮宽度误差为0.34%,相关系数为0.996 2,显著度密切相关。图像法测量生长轮密度和生长轮宽度是可行的,对于生长轮界限不明显的木材,图像法更优。
关键词:X射线图像法    生长轮密度    图像处理    灰度值    
A Measurement Method of Wood Growth Ring Density Based on X-Ray Combined Image Processing
Xia Ping, Liu Shengquan, Zhou Liang, Xu Bin     
Anhui Agricultural University Hefei 230036
Abstract: A new method of measuring wood growth ring density and growth width was produced with X-ray combind image processing in this paper.First gray-scale of X-ray image was got by the software developed ourselves and pretreated the image, then micro-density was measured directly by applying the linear relationship between gray scale and penetrate material density and contrasted with the result of microdensitometer in order to validate the correctness. The results indicate that the average error of the density values is 0.45%, correlation coefficient is 0.966 4; the error of the width of growth ring is 0.34%, correlation coefficient is 0.996 2, they are high correlation. X-ray combined image processing can be used to measure the density and the width of wood growth ring. X-ray image is a new way of measure technique of wood's micro-density and it is better than microdensitometer ragure growth ring.
Key words: X-ray combined image processing    growth ring density    image processing    gray-scale    

密度是木材重要的物理指标之一,几乎所有木材物理性能均与之相关(Pashin, 1980成俊卿,1985)。传统的木材密度测定常采用直接测量法, 直接测量法方法简单,但不能测出木材微小区域内的密度值。随着测量技术的发展,木材密度已从平均密度测定发展到微密度测定,主要有感光式和直接扫描式微密度测量仪(Polge, 1970; 刘永辉等, 1991; 管宁等, 1995),一般来说,射线式微密度仪设备复杂,价格昂贵。

随着计算机图像技术的发展,20世纪80年代兴起了年轮图像分析技术,通过对图像分析获取图像亮度来研究木材密度(刘一星等, 1990; Sheppard et al., 1996)。仪器法测量木材微密度,国内已有大量研究,但X射线图像法直接测定微密度国内研究较少。有鉴于此,本文拟以X射线图像为素材,应用自编的TRIAS树木年轮图像分析系统(C语言与MATLAB混合编程)对图像进行分析,首先对X射线图像进行处理,获取图像的灰度值,再应用X射线图像的灰度值与穿透物材料密度的相关性直接测定物体微密度(Sheppard et al., 1996)。为了比较X射线图像法测量密度的正确性,本文以杉木(Cunninghamia lanceolata)、杨木(Populus deltoides cv. I-69/55)为研究对象,将X射线图像法测量密度的结果与感光式微密度仪测量的结果进行对比。X射线图像法测量密度,省去了专用的密度仪设备,只要有拍摄X射线的设备就可测量密度,同时新的图像处理技术使微密度测量更准确、更通用。目前,气候学、树木年轮学以及树木遗传学均把测定生长轮内微密度的变异作为研究气候变化(费本华等, 2001; 梁尔源等, 2001)、生物遗传和树木改良(鲍甫成等, 1999; 刘盛全等, 2001)的重要手段。X射线图像法测量生长轮密度为气候学、树木年轮学、树木遗传学的研究提供了新的方法。

1 材料与方法 1.1 材料

试验所用胶片为中国林业科学研究院木材工业研究所OFTEX型软X射线设备拍摄的底片。标定用的木材试样共19片,其密度值各不相同,尺寸为20 mm×10 mm×5 mm。杉木、杨木试材为包含髓心在内的径向薄片,长度为树木直径或半径,宽度为20 mm, 厚度为5 mm。标定用的木材,杉木、杨木试材测定的密度均为气干密度(含水率12%)。

1.2 测定方法

OFTEX型(日本)软X射线微密度仪测定方法(简称仪器法)采用软X射线穿透木材,在底片上成相,冲洗底片,再采用OFTEX型木材密度分析仪对X射线底片进行扫描。沿髓心向树皮均分距离,每个测量点的距离为0.015 mm(可调)。摄影条件为17 KVP、28.8 MA(胶片、数据由中国林业科学研究院赵有科博士提供)。

X射线树木年轮图像法(简称X射线图像法):取OFTEX型软X射线成像系统拍摄的底片,用数字化胶片扫描仪读取年轮图像,应用自编的TRIAS树木年轮图像分析系统对图像进行分析,再通过TRAS树木年轮分析系统自动计算木材年轮宽度和密度,并标注年轮等参数。

2 结果与分析 2.1 X射线成像原理

X射线图像是利用X射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收衰减程度不同,使底片感光成黑白程度不同的图像。X射线光片为负像,亮度大表示物体密度大、材料厚(滕凤恩等, 1991)。根据原子物理学中的射线衰减方程有

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式中: I为入射光强度;I(r)为样本r处的透射光强度;ρ(r)为样本r处的微密度;μ为衰减系数,与X射线波长、样本材料有关;t(r)为样本r处的厚度;θ为X射线发射角度。

X射线通常用透射率和光密度2种方式度量

(3)
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式中:T(r)为样本r处的透射率;D(r)为样本处的光密度; D为样本平均光密度;n为图像像素点数。透射率是指物体对曝光强度的衰减系数,其取值限制在0~1范围内,直接扫描式X射线微密度测量仪以透射率作为目标值;光密度为X射线光程度,取值范围0~∞,正比于物体的密度和厚度,胶片感光式微密度测量仪以光密度作为目标值,X射线图像法也是以光密度作为目标值。

2.2 密度与灰度值之间的关系

为了定量分析木材密度与灰度值之间的关系,本试验对软X射线微密度仪的标准密度片进行研究。具体方法为:标准密度片→软X射线成像仪→底板成像→洗像→数字化扫描仪取像→图像处理→灰度值量化→分析密度与灰度值之间的关系→计算密度值。图 1为标准密度片的X光片,共有19片,其密度值各不相同,最小值为0.152 g·cm-3, 最大值为1.303 g·cm-3。从图中可以看出:标准片密度值越大,其图像灰度值也就越大;相反,密度片密度值越小,其图像灰度值也就越小。

图 1 标准密度片密度与灰度值关系图 Fig. 1 Chart of standard substance's density with gray scale

根据密度值与灰度值的变化规律,对每个标准密度片灰度值取平均,采用常系数项为0和不为0两种方法对其进行一元线性回归。结果为:常系数项不为0的线性回归方程, 密度值与灰度值的相关系数为0.987 0、标准估计误差为0.053 63 g·cm-3;常系数项为0的相关系数为0.968 5、标准估计误差为0.080 9 g·cm-3。为了简便计算,可以采用常系数项为0的一元线性方程拟合密度值与灰度值的关系, 试验结果与式(4)是一致的,标准密度片X光片图像的灰度值与其实际密度值的相关性很高,正比于物体, 完全可以采用提取图像灰度值的方法来测定木材的密度值。

2.3 密度标定

X射线图像灰度值与曝光条件,材料的密度、厚度、衰减系数有关。文献(刘永辉等, 1991)表明不同树种的衰减系数是不同的,同一树种边材、心材有差异但很小,仅为1.0%, 可以认为同一树种是一致的。

X射线图像法测定的密度值为相对值,需对其进行标定(管宁等, 1995),标定方法有标准密度片标定、自身密度标定等。考虑到不同树种其衰减系数不同,本研究采用自身标定法,即利用图像平均灰度值和平均密度值进行标定,应用X射线图像的灰度值与穿透物材料密度的线性关系直接测定物体微密度,公式为:ρ(r)=ρG(r)/G。式中,ρ(r)为样本r处的微密度;ρ为平均密度值;G(r)为样本r处的灰度值;G为平均灰度值。

2.4 X射线图像处理

X射线图像是X射线穿透不同密度和厚度目标物后投影的总和,因受X射线成像设备内部、外部因素的影响,X射线图像存在大量的噪声,且颜色亮度不均匀,若利用X射线图像灰度值测定物体密度值,必须对图像进行预处理。图像处理包括图像增强、去噪、矫正、量化等(Rafael, 2004)。

图像增强是指将图像的灰度值调整到指定的灰度范围内,一般情况下,不同的直方图表示不同的图像亮度,图 2a为原始图像灰度值直方图,从图中可以看出:其灰度过于集中(灰度值为50~150),层次不够均匀,集中的区域形成了明显的尖锋。图像增强有多种方法,本试验采用直方图均衡法,即把一已知灰度概率分布的图像经过变换,使之变成具有均匀灰度概率分布的图像。图 2b为处理后图像灰度值直方图,可以看出经过均衡变换,灰度已均匀分布了(灰度值为0~250)。

图 2 灰度直方图 Fig. 2 Gray scale histogram a. 原始图像灰度值直方图Gray scale histogram of primal image;
b. 均衡处理后灰度值直方图Gray scale histogram of processed image.

X射线图像是X光穿透目标后,在底片上感光成像的。它经过X光照射、底板成像、洗像、数字化扫描仪取像、屏幕显示、量化等一系列工序, 因而不可避免地要受到各种因素的影响和干扰,从而在X光片上形成噪声。去噪声方法有线性滤波、中值滤波、自适应滤波等,不同类型的噪声应采用不同类型的滤波方法,本试验经过对比(略)拟采用自适应滤波方法。自适应滤波是根据图像的局部变异进行滤波的,变异大的地方进行小的平滑,变异小的地方进行比较大的平滑。图 3为原始图像、处理后图像灰度值三维图谱,从图中可以看出原始图像灰度值局部波动大、表面粗糙;处理后的图像, 灰度值局部波动小、表面平滑,图谱的波峰、波谷(早晚材界限)十分明显。

图 3 生长轮灰度图谱 Fig. 3 Gray scale atlas of growth ring a. 原始图像三维图谱Three dimensional atlas of primal image;
b. 增强、去噪后图像三维图谱Three dimensional atlas of denoised and intensity image.

图 4为杨木TRIAS树木年轮图像分析系统软件界面和分析结果。图中灰度值图谱显得杂乱无章,经图像处理和密度标定后的密度图谱年轮界限明显,图像处理可以消除噪声和增强图像亮度, 有利于图像识别。

图 4 TRIAS树木年轮图像分析系统软件界面和分析结果 Fig. 4 Surface and result tree ring image analysis system
2.5 生长轮密度和宽度径向变化 2.5.1 生长轮密度径向变化图谱对比

图 56为生长轮密度变化对比图谱,从图中可以看出,X射线图像法和仪器法的图谱轮廓十分相似,波峰、波谷的大小及变化规律也十分相似。变化规律为轮界两侧密度差异较大;早材密度低于晚材密度;早材密度从轮界处向晚材的过渡较平缓,晚材向早材过渡变化较大。木材密度径向变异图谱,不仅反映了生长轮早晚材存在的差异,而且反映了早晚材密度的细微变异。

图 5 杉木生长轮密度对比图谱 Fig. 5 Contrast atlas of Chinese Fir's growth ring density a.仪器法Microdensitometer;b.X射线图像法X-ray image method.
图 6 杨木生长轮密度对比图谱 Fig. 6 Contrast atlas of poplar's growth ring density a.仪器法Microdensitometer;b.X射线图像法X-ray image method.

图 5为杉木生长轮密度变化对比图谱, 从图中可以看出,图像法和仪器法图谱的波峰、波谷轮廓十分相似,共有18个波峰(18个年轮)。杉木生长轮界限明显,早晚材很容易识别。

图 6为杨木生长轮密度变化对比图谱, 从图中可以看出,图像法和仪器法图谱轮廓十分相似,微密度仪测定的密度图谱对于早晚材密度急变的树种(杉木)效果显著,但对于生长轮不明显的杨木,其密度图谱(图 6a)显得杂乱无章,早晚材很难识别。本试验对X射线图像进行增强、去噪处理,使早晚材变化规律显著, 对于早晚材难以识别的树种,X射线图像法更优。

2.5.2 生长轮径向变异

为了进一步说明图像法测量物体密度值的准确性,本文运用TRAS树木年轮分析系统对杉木生长轮密度图谱(图 5)进行分析,考查生长轮密度组成成分和生长轮宽度组成成分差异。

1) 生长轮密度径向变异    图 7a为生长轮早材密度、晚材密度、年轮密度与树龄关系图。从图中可以看出,杉木的基本密度变化较大,变化范围为0.388~0.522 g·cm-3。髓心附近密度稍大,第4~10轮略微降低,随后基本密度逐渐增加,密度从内向外呈S形变化。对8个杉木试样胶片进行统计分析结果表明:X射线图像法与仪器法对比,2种方法的平均密度误差为0.45%,早材密度误差为0.72%,晚材密度误差为3.25%。杉木X射线图像法与仪器法生长轮密度相关系数为0.966 4,显著度密切相关,此结果进一步表明图像法测量物体密度值是可行的。

图 7 生长轮密度和宽度径向变异 Fig. 7 Radial variation of growth ring density and width M:仪器法Microdensitometer;X:X射线图像法X-ray image method;ED:早材密度Earlywood density;RD:年轮密度Ring density;
LD:晚材密度Latewood density; RW:年轮宽度:Ring width;EW:早材宽度Earlywood width;LW:晚材密度Latewood width.

2) 生长轮宽度径向变异    生长轮宽度反映树木生长的快慢,是树木生长量的重要指标。树木生长轮宽度的径向变化与密度变化一样,既受自身遗传因素的影响,又受环境因素的影响,图 7b为生长轮早材宽度、晚材宽度、年轮宽度与树龄关系图。从图中可以看出,杉木的生长轮宽度变化较大,变化范围为1.03~12.28 mm。髓心附近1~6轮生长轮宽度加大;第7轮后宽度急剧下降;第12~18轮基本平稳略有波动。对8个杉木试样胶片进行统计分析结果表明:2种方法的年轮宽度平均误差为0.34%,早材宽度误差为3.40%,晚材宽度误差为3.39%,晚材率误差为1.25%。杉木X射线图像法与仪器法生长轮宽度相关系数为0.996 3,显著度密切相关,此结果也进一步表明图像法测量生长轮宽度是可行的。

3 结论

在曝光条件、样品厚度一定时,密度值与灰度值的相关系数为0.987,同一树种的X射线图像灰度值与年轮密度呈高度线性相关,完全可以采用提取图像灰度值的方法来测定木材的密度值。

X射线图像存在大量的噪声,且颜色亮度不均匀,若要正确地识别图像,必须对其进行处理。图像处理可以消除噪声和增强图像亮度, 有利于图像识别。

运用生长轮分析软件对杉木生长轮密度和生长轮宽度组成成分进行分析,X射线图像法和仪器法相比,密度平均误差为0.45%,相关系数为0.966 4;年轮宽度平均误差为0.32%,相关系数为0.996 3,显著度密切相关。图像法测量生长轮密度、生长轮宽度是可行的。

参考文献(References)
鲍甫成, 江泽慧, 刘盛全. 1999. 人工林杨树材性与生长轮年龄和生长速度关系的模型. 林业科学, 35(1): 77-82. DOI:10.3321/j.issn:1001-7488.1999.01.013
成俊卿. 1985. 木材学. 北京: 中国林业出版社, 463-482.
费本华, 阮锡根. 2001. 北京地区气温和降水对银杏木材年轮和密度的影响. 林业科学研究, 14(2): 176-180. DOI:10.3321/j.issn:1001-1498.2001.02.009
管宁, 曲竞赛, 王艳君. 1995. MWMY型木材微密度测定仪的研制. 木材工业, 9(1): 19-23.
梁尔源, 绍雪梅, 胡玉熹, 等. 2001. 内蒙古草原沙地白扦年轮生长指数的变异. 植物生态学报, 25: 190-194. DOI:10.3321/j.issn:1005-264X.2001.02.008
刘盛全, 江泽慧, 鲍甫成. 2001. 人工林杨树木材性质与生长培育关系的研究. 林业科学, 37(2): 90-96.
刘一星, 戴澄月. 1990. 软X射线法测定木材生长轮密度的研究. 林业科学, 28(6): 533-538.
刘永辉, 戚大海. 1991. 用直接X射线法测定木材微密度. 原子能科学技术, 25(4): 43-48.
滕凤恩, 王煜明, 龙骧编著. 1991. X射线学基础与应用. 长春: 吉林大学出版社.
Pashin A J. 1980. Textbook of wood technology. 4th ed. New York: McGraw-Hill Book Company.
Polge H. 1970. The use of X-ray densitometric methods in dendrochronology. Tree-Ring Bulletin, 30: 1-10.
Rafael C G. 2004. Digital image processing using MATLAB. 北京: 电子工业出版社.
Sheppard P R, Graumlich L J, Conkey L E. 1996. Reflected-light image analysis of conifer tree rings for reconstructing climate. Holocene, 6: 62-68. DOI:10.1177/095968369600600107