基于圖像的木材機械加工表面質(zhì)量評價研究

楊鐵濱　侯玉婷　劉一星　 薛偉

摘要：實現(xiàn)木材機械加工表面質(zhì)量自動評價對保證木制品質(zhì)量和提升其價值有重要意義。根據(jù)ASTM_D_1666-87R04標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法，對樟子松、白樺、水曲柳板材進行壓刨和砂光加工試驗，得到有Raised grain、Fuzzy grain、Chip marks缺陷和無缺陷的木材試樣。掃描木材試樣以獲取其表面圖像，計算圖像的直方圖紋理特征和小波紋理特征。對每種特征分別建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器并進行訓(xùn)練和測試。測試結(jié)果表明，小波紋理特征分類器的正確率達到91.3%，其評價效果優(yōu)于直方圖紋理特征分類器。

關(guān)鍵詞：木材加工；表面質(zhì)量；自動評價；小波紋理分析

中圖分類號：[S 777]；[TH 161+.14]文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0059-04

Imagebased Evaluation of Machining Wood Surface Quality

Yang Tiebin，Hou Yuting，Liu Yixing*，Xue Wei

（College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：Automated evaluation of machining wood surface quality plays an important role in the overall quality and value of wood products.According to the test methods of ASTM_D_1666-87R04，this paper practiced planning and sanding tests on Mongolian Scotch Pine，Asian White Birch and Manchurian Ash lumbers.Raised grain，F(xiàn)uzzy grain，Chip marks and defect free samples were obtained.The surface images of the sample were captured by scanning.Histogram texture features and wavelet texture features were retrieved from those surface images.Two BP ANNs were developed and tested according to these two kinds of features separately.The test results showed that the wavelet texture feature classifier achieved an accuracy of 91.3% which is much better than the performance of histogram features classifier.

Keywords： wood machining；surface quality；automated evaluation；wavelet texture analysis

收稿日期：2014-09-26

基金項目：黑龍江省博士后基金資助項目（LBH-Z09283）

第一作者簡介：楊鐵濱，博士，副教授。研究方向：森工機械與裝備。

*通訊作者：劉一星，博士，教授。研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)。Email：yxl200488@sina.com

引文格式：楊鐵濱，侯玉婷，劉一星，等.基于圖像的木材機械加工表面質(zhì)量評價研究[J].森林工程，2015，31（1）：59-62.在木材生產(chǎn)中，提高木制品表面質(zhì)量是提升產(chǎn)品價值最經(jīng)濟、有效的方式之一，具有重要的意義。觀測表面缺陷是評價木材機械加工表面質(zhì)量的主要方法之一[1-2]。

對于特定的樹種，加工參數(shù)選擇不當(dāng)，可能產(chǎn)生多種形式的表面缺陷。在ASTM_D_1666-87R04標(biāo)準(zhǔn)中定義了Raised grain、Fuzzy grain、Torn grain 和Chip marks四種表面缺陷。根據(jù)表面缺陷的深度、面積、數(shù)量和形式，用人工視覺的方法將表面質(zhì)量分為excellent、good、fair、poor和very poor等5個等級[3]。這種方法主觀依賴性強，對檢測者的經(jīng)驗要求較高，勞動強度大，不利于機械化生產(chǎn)。目前還沒有建立起完善的木材表面質(zhì)量檢測與評價系統(tǒng)。

近20年來，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，用機器視覺的方法代替人工視覺檢測得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4-7]。但在木材加工表面質(zhì)量檢測方面，還僅限于對節(jié)子等較大自然缺陷的識別[8-9]，沒有針對表面加工缺陷檢測的研究。本文開發(fā)了木材表面質(zhì)量評價模型系統(tǒng)，為實現(xiàn)木材機械加工表面質(zhì)量自動評價提供研究基礎(chǔ)。

1評價過程概述

本文所用試材原料為從木材商品市場購買的樟子松（軟木）、白樺（硬木，散孔材）、水曲柳（硬木，環(huán)孔材）原木。原木經(jīng)鋸木、平刨和砂光加工成基本尺寸為200×100×10（m）的試件。每個樹種取心材部位，經(jīng)長期室溫條件下氣干后加工，木材含水率為12%。加工及測試的溫度為20℃，空氣相對濕度為65%。為了獲得有加工缺陷的試樣，對每個樹種選擇3種壓刨送料速度、3種磨料粒度、4種砂光加工壓力，按表1進行加工，壓刨加工的切削深度為1 mm。每種條件加工3個試件，每個試件2個待測表面。試件加工參數(shù)與得到的缺陷類型見表1。加工后產(chǎn)生了Raised grain、Fuzzy grain和Chip marks三種表面缺陷（缺陷的定義及例圖見參考文獻[4]）。

表1加工參數(shù)與缺陷類型

Tab.1 Processing parameters and defect type

序號樹種加工參數(shù)壓刨送

料速度

/m·min-1砂光

磨料

粒度砂光加

工壓力

/MPa缺陷類型1樟子松880，1200.4Raised grain2樟子松12100，1500.5—3樟子松16——Raised grain4白樺880，1200.5Chip marks5白樺12100，1500.6Chip marks6白樺16——Chip marks

Fuzzy grain7水曲柳8100，1500.4—8水曲柳12——Chip marks9水曲柳1680，1200.6—10樟子松8——Raised grain11樟子松1280，1200.4—12樟子松16100，1500.5—13白樺8100，1500.6Fuzzy grain14白樺12——Chip marks15白樺1680，1200.5Chip marks16水曲柳8——Chip marks

Fuzzy grain17水曲柳1280，1200.6—18水曲柳16100，1500.4—

加工后的木材試樣用掃描儀進行掃描（CanoScan LiDE 200），掃描分辨率300dpi。從原始掃描圖像中切割出512×512像素的位圖圖像作為實驗樣品。全部試樣加工、掃描后，得到各種木材表面缺陷和無缺陷原始圖像共108幅，圖像切割后選取各類圖像240幅作為樣本，典型的試樣表面圖片如圖1所示。將上述實驗樣本圖像分成訓(xùn)練樣本和測試樣本。

第1期楊鐵濱等：基于圖像的木材機械加工表面質(zhì)量評價研究

森林工程第31卷

圖1典型試樣圖片

Fig.1 Pictures of the typical sample

圖像處理程序采用Matlab 7.0進行編程。木材機械加工表面質(zhì)量評價的計算過程如圖2所示。分別計算圖像的直方圖紋理特征和小波紋理特征。用訓(xùn)練樣本訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器。使用測試樣本對分類器進行測試，測試結(jié)果與人工視覺結(jié)果進行比較，計算分類正確率。

圖2表面質(zhì)量評價過程

Fig.2 The evaluation process to surface quality

2研究方法

2.1特征提取

特征提取是圖像分類與檢測過程中最重要的步驟，對分類的效果有直接的影響。為了提高檢測效果，本文從圖像中提取直方圖紋理特征和小波紋理特征分別進行分類驗證，并比較兩類特征分類的準(zhǔn)確性。

2.1.1直方圖紋理特征

根據(jù)圖像直方圖紋理特征進行紋理分析比較適用于木紋或遙感圖像等紋理細(xì)而不規(guī)則的表面[10]。這些紋理特征主要包括平均值、方差、平滑度、偏態(tài)系數(shù)、能量和熵等統(tǒng)計量（它們的數(shù)學(xué)定義見參考文獻[10]）。將這些特征值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入，經(jīng)過樣本訓(xùn)練，分類器對測試試樣的表面質(zhì)量進行分類。

2.1.2小波紋理特征

近年來，小波紋理分析在圖像檢索、過程控制、缺陷識別等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[11-12]，是隨機紋理圖像分析的有力工具。

大小為M×N的圖像f（x，y）的離散二維小波變換為：

Wφ（j0，m，n）=1MN∑M-1x=0∑N-1y=0f（x，y）φj0，m，n（x，y）。

WiΨ（j，m，n）=1MN∑M-1x=0∑N-1y=0f（x，y）Ψij，m，n（x，y），i={H，V，D}。

二維小波分解分兩步進行，首先取f（x，y）的行的一維快速小波變換（FWT），然后取結(jié)果列的一維FWT。這樣得到4幅原圖像1/4大小的子圖像Wφ，WHΨ，WVΨ，WDΨ。分別為近似系數(shù)和水平、垂直、對角線三個方向的細(xì)節(jié)系數(shù)圖像。對近似系數(shù)圖像繼續(xù)進行上述分解過程，直到達到所需的分解深度。如果小波分解的深度為n，則小波系數(shù)矩陣中就包括3n+1個部分。

由于db4小波具有正則性、緊支性等優(yōu)點，在圖像處理工程中得到廣泛應(yīng)用。本文應(yīng)用db4小波尺度函數(shù)和基函數(shù)對木材表面圖像進行小波分解，分解深度為3。每幅被檢測的圖像經(jīng)小波變換后形成一個有10個子塊的系數(shù)矩陣。木材加工表面缺陷的3階小波變換如圖3所示。

圖3缺陷試樣小波變換

Fig.3 Wavelet transform of the defective sample

將小波系數(shù)矩陣的每個子塊內(nèi)系數(shù)的方差作為圖像的小波紋理特征。這樣每個圖像轉(zhuǎn)化為10維的向量，將此10維的向量作為分類器的輸入向量，經(jīng)訓(xùn)練后的分類器計算，輸出該圖像的分類結(jié)果。

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類

圖像識別的最后一步是將特征值與其對應(yīng)的類別聯(lián)系起來，這一過程稱為分類器設(shè)計。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，算法成熟，獲得了廣泛應(yīng)用[5，13]。本文的直方圖紋理特征和小波紋理特征分類都采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器。每個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、輸出層和一個隱層構(gòu)成。直方圖紋理特征分類器的輸入層、隱層和輸出層的結(jié)點個數(shù)分別為6，12和2。小波紋理特征分類器的輸入層、隱層和輸出層的結(jié)點個數(shù)分別為10、20和2。各神經(jīng)元的傳遞函數(shù)分別為tansig函數(shù)和purelin函數(shù)，反傳函數(shù)為trainlm。輸出目標(biāo)值[0，1]和[1，0]分別表示合格和不合格兩種評價結(jié)果。

3實驗驗證

應(yīng)用上述紋理特征分類系統(tǒng)，對160幅3種樹種、3類表面缺陷及無表面缺陷的圖像進行分類識別，部分分類結(jié)果見表2。如果輸出值接近[1，0]則為不合格表面，如果輸出值接近[0，1]則為合格表面。如果輸出值接近[1，1]或[0，0]，則兩個輸出中最接近1的輸出置1，另一輸出置0。

上述兩種特征分類方法對不同樹種和缺陷進行了分類識別試驗，識別正確率見表3。其中直方圖特征分類器的總計識別正確率僅為75%，而小波特征分類器的識別正確率達到91.3%，比前者有顯著提高。小波特征分類器的錯誤率主要來源于將

表2圖1所示試樣的分類器輸出結(jié)果

無缺陷試樣判別為有缺陷試樣，這在生產(chǎn)過程中是可以容忍的，能夠通過人工輔助監(jiān)督得到解決。Raised grain的識別正確率為92.5%，這種缺陷的邊緣略高于木材表面，且常常隱藏于松木的木材紋理中，不容易在垂直于檢測平面的方向發(fā)現(xiàn)。提高對這種缺陷的識別率，還需要進行深入的研究。對Fuzzy grain和Chip marks兩種缺陷的識別正確率都達到了95%，識別效果較好。

表3分類識別正確率

Tab.3 Correct classification rate

缺陷類型樹種測試樣

本數(shù)/個直方圖特征

識別正確率小波特征

識別正確率Raised grain樟子松4087.5%（5）92.5%（3）Fuzzy grain白樺、水曲柳4090%（4）95%（2）Chip marks白樺、水曲柳4070%（12）95%（2）無缺陷樟子松、白樺、

水曲柳4052.5%（19）82.5%（7）總計16075%（40）91.3%（14）注：括號內(nèi)數(shù)字為識別錯誤試樣數(shù)。

4結(jié)論

選用樟子松、白樺、水曲柳3種常用的商品材，在加工工藝參數(shù)不同的條件下，能夠加工出有Raised grain、Fuzzy grain和Chip marks缺陷的試樣。

以3階二維小波變換的10個系數(shù)矩陣的方差值作為小波紋理特征，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器，其分類識別正確率達到91.3%。而同類型的直方圖紋理特征分類器，其分類識別的正確率僅為75%。測試結(jié)果表明，小波紋理特征分類器可以用于木材機械加工表面質(zhì)量評價。

由于木材種類繁多，物理性質(zhì)差異很大，對其它主要樹種還應(yīng)建立相應(yīng)的特征樣本庫。此外，模式識別分類器的種類很多，其它類型分類器用于木材表面質(zhì)量評價的效果還有待進一步研究。

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[責(zé)任編輯：李洋]