基于灰度投影法的樂器板材紋理分析方法

黃英來，田少卿，孫曉芳，張博文

1.東北林業(yè)大學(xué)信息與計算機工程學(xué)院，哈爾濱 150040

2.東北林業(yè)大學(xué)教務(wù)處，哈爾濱 150040

3.北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100124

基于灰度投影法的樂器板材紋理分析方法

黃英來1，田少卿1，孫曉芳2，張博文3

1.東北林業(yè)大學(xué)信息與計算機工程學(xué)院，哈爾濱 150040

2.東北林業(yè)大學(xué)教務(wù)處，哈爾濱 150040

3.北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100124

在對樂器板材進行選擇時，需要對其紋理進行判別，以便選擇可發(fā)出優(yōu)質(zhì)音色的板材。通常對板材的選擇是人工目測挑選的，這樣大大降低了樂器制作的效率，對所選板材質(zhì)量的優(yōu)劣評價缺少科學(xué)理論依據(jù)。借助計算機圖像處理的方法可自動對板材的規(guī)格進行判斷。通過對板材紋理的分析，應(yīng)用灰度投影算法與均值取值法相結(jié)合的方式，給出了一種可以自動對板材紋理間寬度進行計算的方法。實驗證明，該方法可減小人工測量的誤差，加快板材的選取過程，具有較好準確性與魯棒性。

灰度投影；樂器板材；紋理測量；自動識別

1 引言

目前我國的樂器選材主要依賴于人工判斷，這種方法具有主觀而缺乏科學(xué)的客觀性，導(dǎo)致了選材及出材率受到了限制[1]。而選材需要對木材的紋理、質(zhì)地及尺寸等因素進行判斷[2-4]。為了提高選材率，可對一些因素進行計算機智能判別，其中木材的紋理可通過圖像處理方式進行判別[5-6]。

紋理作為圖像中最基本的特征已經(jīng)通過信息技術(shù)建立起比較完整的定量描述和分析方法。紋理分析的基本方法有灰度共生矩陣法[7-9]、行程長度矩陣法[10]、分形法[11-12]、馬爾可夫隨機場[13]等，雖然這些方法都能很好地對圖像中的紋理進行分析，但是并沒有測量的功能[11]。因此不能應(yīng)用這些方法對木材紋理進行科學(xué)的測量。

隨著圖像處理技術(shù)的進一步深化，通過灰度信息可以很好地反應(yīng)出圖像中所描述對象的明暗度[14]。本文利用灰度信息能夠很好地對木材紋理進行分析并計算。

2 灰度投影法

在多數(shù)圖像中，其格式是依據(jù)RGB模型來保存的，因此每個像素點都是由R、G、B三種顏色組成。而圖像中像素的灰度值是需要經(jīng)過計算得來。一般情況是，一個點的RGB值對應(yīng)的灰度值由公式（1）計算得來。

圖1 灰度圖及灰度投影曲線

其中，Gray是灰度值，R是紅色值，G是綠色值，B是藍色值。

而在運用灰度值來分析圖像的算法中，常用到的是灰度投影法[15-18]。利用灰度投影法可以進行電子穩(wěn)像[16-21]、區(qū)域檢測[22]等，特點是該方法計算簡單且計算量小?；叶韧队胺òㄐ型队昂土型队?，投影公式如式（2）行投影、式（3）列投影所示：

其中，row(i)是第i行的投影值，column(j)是第j列的投影值，pic(i，j)是圖像點(i，j)處的灰度值。行投影就是將圖像中每行中各點的灰度值相加而得，列投影是將圖像中每列中各點的灰度值相加而得。將每行或每列的投影值在直角坐標系中描述，便成為灰度投影曲線。利用灰度投影曲線可以直觀地看到圖像中灰度信息的分布[18-23]，而樂器板材的紋理具有明顯的灰度差異，因此可將其作為紋理的提取及分析方法。

3 基于灰度投影的紋理提取及分析方法

在對樂器板材進行選取過程中，通常會對板材紋理的寬度有一個經(jīng)驗值范圍，其中阮和月琴面板用木材紋理以15～22 mm寬度為好，琵琶則以18～25 mm為妙。為了實現(xiàn)對板材的計算機自動識別，這里采用灰度投影算法對板材進行分析。

通過上述對灰度投影算法的描述，得知圖像中灰度值按照投影公式計算，可得到相應(yīng)的投影曲線，如圖1所示為圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖后通過計算得到的投影曲線。

由圖1可以看出，行投影局部有波型波動軌跡，而對應(yīng)于圖中部分則為板材的紋理處，由此可以看出，當板材紋理對應(yīng)的灰度值較小，而其他部分對應(yīng)的灰度值較大，因此再進行投影計算時表現(xiàn)在投影曲線中的情況便是波谷，所以接下來的工作只要準確定位板材紋理對應(yīng)的波谷，那么便可對其進行寬度計算。

首先，將板材原圖分割為小圖，將其局部放大以便進行觀察。圖2為板材局部放大圖及其對應(yīng)的灰度投影曲線。

圖2 局部放大后投影圖及有測量工具對照圖

原圖大小為3 264×2 448，將圖像局部取出并放大，取出部分大小為600×550，對應(yīng)的灰度投影曲線也隨之變清晰，在此基礎(chǔ)上進行最小值讀取。由圖可知，可從行投影中讀出圖像中橫向紋理對應(yīng)的最小投影值所在行數(shù)。

讀取行數(shù)后，需要借助參照物來對其進行測量。這里將以mm為單位的測量工具置于板材對應(yīng)紋理處，通過找到圖中像素與測量單位之間的關(guān)系，來實現(xiàn)計算機自動測量的目的。

如表1所示為圖2中行投影曲線上5個最小點的灰度值及對應(yīng)的所在行，依次從左到右排列為1、2、3、4、5，以及各點對應(yīng)的刻度。

表1 投影波谷點所在行及對應(yīng)刻度

在獲取表1的數(shù)據(jù)之后，便可通過計算得到1像素的平均測量值，這里計算得到的值為0.217 5 mm。此時可以通過圖像對板材的紋理進行計算。表2為計算紋理寬度的數(shù)據(jù)，計算所得寬度通過1與5之間計算出的像素平均寬度與各條文間寬度（像素）的乘積所得。

表2 紋理寬度計算數(shù)據(jù)

從計算結(jié)果表明，實驗數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)相吻合，人工測量只能精確到1 mm，不能滿足精確判斷板材紋理的要求，而本方法以均值為基礎(chǔ)，因此可實現(xiàn)對板材紋理的精確判斷。

4 實驗驗證

為了驗證該方法的準確性，現(xiàn)以像素為800萬的三星數(shù)碼相機作為照相設(shè)備，固定于距離板材水平面1 m高處，對不同的板材進行測量，如圖3所示為實驗圖。

圖3 不同板材間局部及投影圖

表3 圖3的對應(yīng)值及紋理寬度數(shù)據(jù)對比結(jié)果

分別找到最小值點，并將其對應(yīng)像素獲取，如表3所示為圖3對應(yīng)的值，以及計算出的紋理寬度與測量出的寬度數(shù)據(jù)。

經(jīng)過上述分析可以看出，當照相設(shè)備與板材間的距離確定、照相設(shè)備的像素確定時，其像素大小與實際寬度存在一定的關(guān)系。以本文實驗為例，當相機與板材間的距離為1 m時，其像素寬度均值約為0.217 5 mm，而該計算結(jié)果與測量值基本一致。由于人眼觀察的誤差比較大，而本文計算方法所得結(jié)果為平均值，因而可說明通過計算機自動計算出的值更具有科學(xué)性。應(yīng)用本方法對初選試材進行了分級選取，并制作成成品樂器，由同一人演奏、同一批專家進行評測，結(jié)果證明應(yīng)用此方法所選試材與專家評價結(jié)果基本一致，大大降低了人工選材的誤差率，也提高了選材效率及出材率。

5 結(jié)論

本文主要通過運用灰度投影算法對板材圖像進行分析，發(fā)現(xiàn)其紋理的灰度投影值在投影曲線中表現(xiàn)出明顯特點，而正是根據(jù)此特點進行數(shù)值提取及運算可以在計算機的輔助下自動提取板材的紋理寬度，為自動選取優(yōu)質(zhì)樂器板材提供一種科學(xué)的測量方法。

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HUANG Yinglai1,TIAN Shaoqing1,SUN Xiaofang2,ZHANG Bowen3

1.College of Information and Computer Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China
2.Office of Teaching Affairs,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China
3.College of Computer Science,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China

In order to get the high-quality sound,it is necessary to analyze the texture of the panels when selecting materials for the musical instruments.Usually,the choice of panels is measured manually which greatly reduces the production efficiency of musical instruments.It lacks the scientific theory basis in evaluating the panel quality.Computer image processing method can be used to automatically judge the panel specification.By analyzing the texture of the panel,and combining gray projection algorithm with the mean value,an automatic calculation method for measuring the width between textures of a panel is proposed.Experiments show that the method can reduce the error of manual measurement and speed up the selection of better panels,and it performs well in accuracy and robustness.

gray projection;instruments materials;texture measurement;automatic identification

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1308-0273

HUANG Yinglai,TIAN Shaoqing,SUN Xiaofang,et al.Method for texture analysis of instrument panel based on gray projection.Computer Engineering and Applications,2014,50（6）：161-164.

黑龍江省自然科學(xué)基金（No.C201347）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（No.2572014CB25）。

黃英來（1978—），男，博士，副教授，研究方向：信號處理與計算機智能識別；田少卿（1983—），男，博士研究生，研究方向：圖像處理；孫曉芳（1980—），女，博士研究生，講師，研究方向：林業(yè)信息工程技術(shù)。E-mail：nefuhyl@163.com

2013-08-20

2013-11-21

1002-8331（2014）06-0161-04