闊葉樹材橫切面構(gòu)造的漲落譜分析

龍 濤，羅建舉，孫建平

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530005）

闊葉樹材橫切面構(gòu)造的漲落譜分析

龍 濤，羅建舉，孫建平

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530005）

闊葉樹材多用作室內(nèi)裝飾裝修材料，主要是由于其組織構(gòu)造復(fù)雜多變而具有較好的美學(xué)裝飾價(jià)值。為了進(jìn)一步探究木材的美學(xué)原理，運(yùn)用傅立葉變換圖像處理技術(shù)對6種具有典型管孔分布類型的闊葉樹材橫切面構(gòu)造進(jìn)行了漲落譜分析。結(jié)果表明6種闊葉樹材橫切面構(gòu)造的漲落譜都與1/f漲落譜相近，特別是在8-12Hz頻率段（對應(yīng)于人體大腦的α波段）與1/f漲落譜幾乎完全一致。這一結(jié)果進(jìn)一步從理論上說明闊葉樹材之所以更適合于用作室內(nèi)裝飾裝修材料，是因?yàn)槠浔砻鏄?gòu)造呈1/f漲落。木材表面構(gòu)造上這種接近于1/f漲落現(xiàn)象可以刺激人體大腦產(chǎn)生α節(jié)律波，從而讓人獲得舒適愉悅的美感。

闊葉樹材；木材構(gòu)造；橫切面構(gòu)造；漲落譜分析；1/f漲落譜

漲落（f l uctuation）是指一個(gè)物理系統(tǒng)處于熱動平衡狀態(tài)時(shí)，表征系統(tǒng)某種性質(zhì)的物理量在其平均值附近作無規(guī)則微小變動的現(xiàn)象[1]。根據(jù)功率譜密度和頻率在雙對數(shù)坐標(biāo)上的曲線所呈現(xiàn)的關(guān)系，可將自然界中的信號劃分為三種類型：第一類信號的功率譜密度與頻率之間無任何關(guān)系，功率譜密度曲線為水平直線，這是一種完全無規(guī)律的隨機(jī)信號，稱之為白色噪聲或“白色漲落”；第二類信號的功率譜密度與頻率具有很強(qiáng)相關(guān)性，這種信號稱之為褐色噪聲或“洛倫茲漲落”；第三類信號介于前面兩類之間，其功率譜密度與頻率具有一定的相關(guān)性，這種信號稱為1/f噪聲或“1/f漲落”，此時(shí)的功率譜密度曲線為斜率接近-1的一次函數(shù)圖像[2]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，1/f漲落特性大量存在于生物系統(tǒng)中，并且與人的情感密切相關(guān)[3]。人體許多的生理信號同樣具有明顯的1/f漲落特性，而且人的視覺和聽覺對1/f漲落信號有很好的認(rèn)同感[4]。

人們觀看事物時(shí)，圖形的信息刺激人體感官，引起相應(yīng)的神經(jīng)活動，使腦電波發(fā)生變化而完成審美活動。人體腦電波中呈現(xiàn)出多種頻率的波動，主要是1 Hz到30 Hz范圍內(nèi)，其中8～12 Hz稱為α節(jié)律波。身體處于舒適狀態(tài)時(shí)，腦電波會呈現(xiàn)出α節(jié)律波，此時(shí)是大腦的最佳狀態(tài)[5]。王妍和任超世[6]的研究結(jié)果表明HRV的1/f漲落是由激素調(diào)節(jié)與自律性調(diào)節(jié)作用達(dá)到平衡過程中的動力學(xué)改變構(gòu)成。前蘇聯(lián)生物學(xué)家阿拉巴特曾經(jīng)指出，人們站在大海邊之所以會感到心情舒暢、充滿生機(jī)，是因?yàn)槿梭wα節(jié)律波對海洋中8～12 Hz的次聲波形成了一種響應(yīng)。這就是說人們在外界環(huán)境中看到、聽到和感覺到的1/f漲落可以激發(fā)人體大腦產(chǎn)生呈1/f漲落的α節(jié)律波。

木材在視覺和觸覺上具有天然的舒適性，進(jìn)入到木質(zhì)環(huán)境中會讓人頓生美感。木材給人的這種美感由何而來，這一直是人們非常感興趣的熱點(diǎn)問題。為此，國內(nèi)外一些學(xué)者從木材解剖構(gòu)造及其理化性能等方面展開了深入研究，在一定程度上解釋了木材讓人倍感舒適的原因[8-10]。本文擬從木材構(gòu)造的漲落譜方面進(jìn)行分析，試圖從木材構(gòu)造的漲落特性上探討木材的美學(xué)原理。

1 材料與方法

1.1 木材試材

本研究選取了6種具有典型管孔分布類型的闊葉樹材作為分析試材，所有材料取自廣西大學(xué)林學(xué)院的木材標(biāo)本館，6種木材試材的名稱及所屬管孔分布類型見表1。

表1 六種木材試材及其管孔分布類型Table 1 Tested materials of six wood species and their pore distribution types

1.2 木材橫切面構(gòu)造圖像加工方法

將木材試材制成具有標(biāo)準(zhǔn)三切面的試樣，大小約為8(弦) ×10（徑）×12(縱) mm。試樣橫切面要求與導(dǎo)管槽垂直，其徑向尺寸要求有一個(gè)完整年輪。采用水煮法將試樣軟化，然后在平推式切片機(jī)（德國Leica SM2400）上進(jìn)行切片，獲得厚度為20～25 um的橫切面切片。對木材切片進(jìn)行染色、脫水、透明處理后用樹脂膠將木材切片封固在玻片上陰干。最后在生物熒光顯微鏡（BA400EF-UPR9100，Motic公司生產(chǎn)）上拍攝照片，從而獲得木材橫切面構(gòu)造圖像。

1.3 木材橫切面構(gòu)造漲落譜分析方法

采用Matlab 7.0軟件對木材橫切面構(gòu)造圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算可以獲得圖像的漲落譜類型。本文采用間接計(jì)算法，首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為double型以提高計(jì)算精度。對數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)置，獲得沿水平水平方向排列的一維數(shù)據(jù)，再計(jì)算序列的自相關(guān)函數(shù)，最后求解自相關(guān)函數(shù)估計(jì)的傅立葉（FFT）變換，得到功率譜密度曲線。功率譜密度實(shí)際上就是將原來對時(shí)間域的振動描述轉(zhuǎn)化為頻率域的振動描述[11]。計(jì)算圖像的功率譜密度，就是將圖形信號從統(tǒng)計(jì)的角度看其功率在各個(gè)頻率點(diǎn)上的分布情況，得到圖像的灰度變化曲線。

2 結(jié)果與分析

本研究對雜亂無章圖形、平行條紋圖案和6種木材橫切面構(gòu)造圖像分別進(jìn)行了功率譜密度計(jì)算，繪制出各種類型圖的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線圖。由此可以比較和分析不同類型圖的漲落譜。

2.1 雜亂無章圖形的漲落譜分析

圖1a所示圖形是用電腦畫圖工具涂畫而成，圖形雜亂無章，沒有任何規(guī)律，毫無美感可言。通過功率譜密度計(jì)算，獲得該圖形的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，如圖1b所示。圖1b中曲線幾乎呈水平直線，說明該圖形的漲落譜與白色漲落非常接近，毫無美感，對人的心理不能產(chǎn)生任何愉悅的感受。

2.2 平行條紋圖案的漲落譜分析

圖2a所示圖案由一些平行條紋構(gòu)成，條紋疏密完全一致，條紋色度變化具有很強(qiáng)的規(guī)律性。這樣的圖案給人嚴(yán)密、嚴(yán)肅的感覺，同時(shí)讓人感到單調(diào)和乏味。通過功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖案的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，如圖2b所示。曲線在低頻段（0～15 Hz）近似于水平，即接近于白色漲落。頻率達(dá)到15 Hz以后，曲線快速下降，類似于洛倫茲漲落譜。因此，這種圖案不能讓人產(chǎn)生感覺舒適的α節(jié)律波，同樣不能給人帶來強(qiáng)烈的美感。

2.3 闊葉樹材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析

闊葉樹材與針葉樹材的主要區(qū)別在于前者具有導(dǎo)管，這使得闊葉樹材的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，針葉樹材結(jié)構(gòu)簡單而規(guī)律性強(qiáng)。因此，闊葉樹材的裝飾性好，多用作裝飾裝修材料。本研究選取6種具有典型管孔分布類型的闊葉樹材進(jìn)行漲落譜分析，試圖從理論上解釋木質(zhì)環(huán)境能夠給人帶來舒適和美感的原因。

圖1 雜亂無章圖形的漲落譜分析結(jié)果Fig.1 Fluctuation spectrum analysis result of a disorganized graphics

圖2 平行條紋圖案的漲落譜分析結(jié)果Fig.2 Fluctuation spectrum analysis result of a parallel line pattern

2.3.1 白 櫟

圖3a所示為白櫟木材橫切面顯微構(gòu)造圖像。白櫟為環(huán)孔材，早材管孔相對很大，圍繞年輪線呈圓環(huán)形分布；晚材管孔相對很小，聚集成帶，恰似隨風(fēng)搖曳的火焰，忽左忽右地變化。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，如圖3b所示，該曲線大致符合1/f漲落譜的特征。

2.3.2 槭 木

圖3 白櫟木材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析Fig.3 Fluctuation spectrum analysis result of Quercus fabri cross-section structure

槭木為散孔材，木材橫切面上早晚材管孔直徑大小大致相同，分布也比較均勻，但管孔的組合方式多樣，有單管孔和復(fù)管孔，復(fù)管孔又有短徑列和長徑列，如圖4a所示。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，如圖4b所示。該曲線除了0～5 Hz低 頻段以外，其余頻段都呈現(xiàn)出1/f漲落譜的特征。

2.3.3 顯脈青岡

顯脈青岡為輻射孔材，木材橫切面上早晚材管孔大小沒有多少區(qū)別，但管孔的分布很不均勻，它們沿徑向聚集成輻射狀條帶，徑向管孔帶很長，可以穿過幾個(gè)年輪，形成串串水珠傾瀉而下的動感畫面，如圖5a所示。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，見圖5b。該曲線除頻率為25 Hz 附近外，其余頻段基本符合1/f漲落譜的特征。

圖4 槭木橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析結(jié)果Fig.4 Fluctuation spectrum analysis result of Acer mono cross-section structure

圖5 顯脈青岡木材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析結(jié)果Fig.5 Fluctuation spectrum analysis result of Cyclobalanopsis supracostata cross-section structure

2.3.4 假山龍眼

圖6a所示假山龍眼為弦列孔材，早晚材中管孔大小和分布基本相同，沿弦向（垂直于射線方向）聚集成短的條帶，星散地分布于同樣為弦向排列的軸向薄壁組織帶中。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度與頻率的關(guān)系曲線，如圖6b所示。該曲線在頻率為5 Hz 附近呈不穩(wěn)定狀態(tài)，其余頻段基本符合1/f漲落譜的特征。

2.3.5 浪平臘梅

浪平臘梅為花樣孔材，木材橫切面上早晚材管孔大小和分布基本一致，管孔聚集成“之”字形，好似火苗，時(shí)而向左，時(shí)而向右，變化多多，如圖7a所示。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度曲線，如圖7b所示。該曲線與假山龍眼木材橫切面圖像的功率譜密度曲線極為相似，在頻率為5 Hz 附近呈不穩(wěn)定狀態(tài)，其余頻段基本符合1/f漲落譜的特征。

2.3.6 毛葉梭羅

如圖8a所示毛葉梭羅為團(tuán)狀孔材，木材橫切面上早晚材管孔大小和分布大致相同，管孔大多聚集成團(tuán)，星散狀分布。管孔團(tuán)大小多變，小的管孔團(tuán)由3～5個(gè)管孔組成，大的管孔團(tuán)由10多個(gè)管孔組成。對該圖像進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，獲得了該圖像的功率譜密度曲線，如圖8b所示。這里與浪平臘梅木材的情況相同，功率譜密度曲線與假山龍眼木材橫切面圖像極為相似，在頻率為5 Hz 附近呈不穩(wěn)定狀態(tài)，其余頻段基本符合1/f漲落譜的特征。

圖6 假山龍眼木材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析結(jié)果Fig.6 Fluctuation spectrum analysis result of Heliciopsis henryi cross-section structure

圖7 浪平臘梅木材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析結(jié)果Fig.7 Fluctuation spectrum analysis result of Cimonanthus nitens cross-sectional structure

圖8 毛葉梭羅木材橫切面構(gòu)造圖像的漲落譜分析結(jié)果Fig.8 Fluctuation spectrum analysis result of Reevesia pubescens cross-section structure

3 結(jié)論與討論

（1）無論是雜亂無章的圖形，還是高度規(guī)律性的圖案，都不能讓人產(chǎn)生舒適愉悅的美感。從漲落譜分析結(jié)果來看，原因在于它們的功率譜密度曲線都不符合1/f漲落譜，因此不能激發(fā)人體大腦產(chǎn)生令人愉悅的α節(jié)律波。

（2）相對于針葉樹材，闊葉樹材更多地用作室內(nèi)裝飾裝修材料，原因可能是闊葉樹材表面的觀賞性更好，更能夠帶給人們愉悅的美感。從木材構(gòu)造上來看，闊葉樹材具有導(dǎo)管，其細(xì)胞直徑比其它組織細(xì)胞大許多。在生長發(fā)育過程中，大直徑的導(dǎo)管會擠壓其它細(xì)胞而破壞其它細(xì)胞組織生長發(fā)育的規(guī)律性，因而使木材組織構(gòu)造產(chǎn)生多變性。變是產(chǎn)生美的必要條件，闊葉樹材組織構(gòu)造的多變性可能正是讓人產(chǎn)生愉悅美感的關(guān)鍵。

（3）從本研究對闊葉樹材橫切面構(gòu)造的漲落譜分析結(jié)果來看，6種具有典型管孔分布類型的闊葉樹材橫切面圖像的功率譜密度曲線都與1/f漲落譜相近，特別是在8～12 Hz頻率段（對應(yīng)于人體大腦的α波段）與1/f漲落譜幾乎完全一致。這一結(jié)果進(jìn)一步從理論上說明闊葉樹材之所以更適合于用作室內(nèi)裝飾裝修材料，是因?yàn)槠浔砻鏄?gòu)造呈1/f漲落。木材表面構(gòu)造上的這種1/f漲落現(xiàn)象可以刺激人體大腦產(chǎn)生α節(jié)律波，從而讓人獲得舒適愉悅的美感。

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Fluctuation spectrum analysis on cross-section structure of hardwoods

LONG Tao, LUO Jian-ju, SUN Jian-ping
(College of Forestry, Guangxi University, Nanning 530005, Guangxi, China)

Hardwood is widely used as interior decoration materials, mainly because that its anatomical structure is in great complication and therefore it possesses good aesthetic decorative value. To further explore the aesthetic principles of wood, the fl uctuation spectrum analysis was carried out on cross-section structure of six hardwood species with typical pore distribution patterns by means of Fourier image transformation technology. The results show that all the fl uctuation spectra of cross-section structure of the six hardwood species were closely similar to 1/ffluctuation spectrum, especially in the frequency bands of 8～12Hz (corresponding to the human brain’sα-band) almost completely consistent with 1/ffl uctuation spectrum. This result further theoretically explains the reason why hardwood is more suitable as interior decoration materials lies in that its surface structure fl uctuation is close similar to 1/ffl uctuation. The wood surface structure fl uctuation similar to 1/ffl uctuation can stimulate the human body to produce A-rhythm brain waves, and let people feel comfortable and pleasant.

hardwood; wood structure; cross-sectional structure; fl uctuation spectrum analysis 1/ffl uctuation

S781.38

A

1673-923X(2015)06-0118-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.022

2014-10-23

廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目“木材美學(xué)圖案裝飾人造板生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”（桂科攻10100022-25）

龍 濤，碩士研究生 通訊作者：羅建舉,博士,教授；E-mail：luojianju@foxmail.com

龍 濤，羅建舉，孫建平. 闊葉樹材橫切面構(gòu)造的漲落譜分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(6):118-123.

[本文編校：吳 彬]