紋理合成技術(shù)在木材解剖學(xué)圖片處理中應(yīng)用

[摘要]： 木材解剖學(xué)通過研究木材的構(gòu)造來分析識別木材。木材美學(xué)探索從木材的宏觀或微觀構(gòu)造中提取木材的天然美學(xué)屬性。木材解剖學(xué)可以為木材美學(xué)提供木材的微觀圖片素材，形成新的木材美學(xué)圖案。本文選取歐洲水青岡為研究對象，分析其微觀構(gòu)造方面木射線、軸向薄壁組織、管孔等的特征，然后用基于樣圖的紋理合成技術(shù)解決木材微觀圖片在拼接過程中的接縫痕跡以及拉伸和變形問題，合成新木材美學(xué)圖案。

[關(guān)鍵詞]：微觀構(gòu)造 ；紋理合成；歐洲水青岡 ；木材美學(xué)

基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目

1. 木材解剖學(xué)與木材美學(xué)

木材解剖學(xué)[1]，是一門的傳統(tǒng)的植物學(xué)科，經(jīng)過長期的發(fā)展，能通過木材解剖后的構(gòu)造對木材的分類及特性進(jìn)行分析。木材解剖學(xué)知識是鑒別識別木材的重要手段。木材解剖學(xué)已有相當(dāng)歷史的發(fā)展，對大部分樹種的構(gòu)造特征都做了很好的闡釋。木材解剖學(xué)的未來發(fā)展也在尋求更開闊的發(fā)展空間。

木材美學(xué)[2]是源于自然，高于自然的美學(xué)創(chuàng)作活動，自然界財富源源不斷，需要不斷探索與索取。通過研究木材微觀與超微構(gòu)造，分析典型樹種構(gòu)造的特點(diǎn)與獨(dú)特之處，揭示基于木材解剖學(xué)的木材美學(xué)特征及其新應(yīng)用，設(shè)計新的木材美學(xué)圖案。木材美學(xué)研究無需消耗木質(zhì)資源，不會對森林資源破壞，是一種生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展的研究手段。開展木材美學(xué)研究，還可以為傳統(tǒng)木材學(xué)拓展新的研究領(lǐng)域，為木材解剖學(xué)帶來新的發(fā)展空間，讓人們更好地理解木材的深層次構(gòu)造，促進(jìn)木材學(xué)知識的普及。將紋理合成技術(shù)運(yùn)用到木材美學(xué)圖案創(chuàng)作中，實(shí)現(xiàn)圖案無縫拼接，加大木材構(gòu)造圖案提取和美學(xué)創(chuàng)作的靈活性。[3]

在木材美學(xué)宏觀構(gòu)造美學(xué)中，已經(jīng)研究了樹木之美、樹皮之美、材表之美、木節(jié)之美、樹丫之美、樹根之美、樹瘤之美、年輪之美、髓心之美、木材紋理之美、木材腐朽之美、木材化石之美等，當(dāng)然，木材美學(xué)千變?nèi)f化，大自然的財富是源源不盡的。

在木材美學(xué)微觀和超微構(gòu)造美學(xué)中，目前還沒有專門的專著介紹這個方面，學(xué)者在一些文章中嘗試創(chuàng)作木材微觀構(gòu)造美學(xué)圖案。借助木材解剖學(xué)知識，獲得木材顯微構(gòu)造圖片。主要工具一般為顯微鏡、掃描電鏡、木材切片機(jī)儀器，步驟一般為木材取樣、木材軟化、木材切片、處理切片、切片封固、顯微攝影。木材微觀美學(xué)元素包括木射線、木纖維細(xì)胞、木薄壁組織、管胞、導(dǎo)管、細(xì)胞壁上的紋孔和螺紋加厚等。已研究的木材有陰香木、桂花木、山龍眼、貓尾樹等樹種，還有大量樹種美學(xué)價值等待開發(fā)。[4]

2.紋理合成

所謂紋理，就是我們?nèi)粘Ｉ钪写嬖诘囊曈X現(xiàn)象，比如自然界的物質(zhì)，如石頭、動物、植物、地表等的表面特征。研究發(fā)現(xiàn)，紋理結(jié)構(gòu)其實(shí)在圖像中能表現(xiàn)出一定的有規(guī)律的變化，這些變化的規(guī)律可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N數(shù)據(jù)。我們接觸的許多物體，都具有表面不同的紋理，給人不同的質(zhì)感。紋理可分為凹凸紋理與顏色紋理[5]，凹凸紋理就是指紋理為細(xì)小不規(guī)則凹凸?fàn)?，顏色紋理就是紋理細(xì)節(jié)通過色調(diào)及亮度來表現(xiàn)。在附加于物體上的特有紋理可以創(chuàng)作出許多藝術(shù)的圖案。離散法和連續(xù)法是目前紋理定義的主要方法[6]，離散法用二維數(shù)組來表示紋理，連續(xù)法則是用二元函數(shù)表示紋理函數(shù)。

紋理合成技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展，經(jīng)過了三個發(fā)展階段 [7]。第一個階段是紋理映射，當(dāng)遇到復(fù)雜場景需要表現(xiàn)真實(shí)感時，這種技術(shù)常被使用[9]。也可以通過經(jīng)過映射后紋理變形表達(dá)出物體的一些幾何形狀。這個階段將樣圖直接匹配到表面上，并沒有經(jīng)過特征提取及建造模型，所以只是簡化后的基于樣圖的紋理合成。這個階段常受采樣區(qū)域的限制，小塊紋理映射到大區(qū)域上經(jīng)常導(dǎo)致紋理變形不清，達(dá)不到需要的好地效果，如果重復(fù)映射的話，小的紋理之間的拼縫也會出現(xiàn)走樣的問題。

接著是第二個階段，稱之為過程紋理合成階段，所謂的過程紋理合成就是模擬物理紋理的生成過程，在區(qū)域形成紋理。

通過細(xì)致的過程模擬可以逼真地得到一些效果，比如風(fēng)化侵蝕，融化等。另外運(yùn)用筆刷和顏料模型可以得到各種藝術(shù)風(fēng)格的壁畫效果。這個技術(shù)的特點(diǎn)就是并不是直接基于樣圖，而是根據(jù)仿真的物理生成模型生成具有物理特征的紋理。這個階段主要強(qiáng)化構(gòu)造物理模型，而隱藏特征提取，有點(diǎn)類似基于樣圖紋理合成；第三階段則是基于樣圖的紋理合成。[5]基于樣圖的紋理合成技術(shù)就是對于給定的一個樣圖，通過數(shù)學(xué)的分析方法，提取樣圖中的表現(xiàn)特征的數(shù)據(jù)，然后用這些數(shù)據(jù)建立起相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，還需要對這個模型進(jìn)行優(yōu)化后形成一個中間的數(shù)學(xué)模型。接著根據(jù)原始樣圖和經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，可以合成需要的任何尺寸及大小，并且避免重復(fù)視覺的重復(fù)紋理，并且這些重復(fù)的紋理可以防止邊界出現(xiàn)瓦磚形狀。

3.紋理合成技術(shù)對木材解剖學(xué)圖片的應(yīng)用

紋理合成是計算機(jī)圖形學(xué)的新技術(shù)，本文需要基于某一樣圖合成需要的尺寸、大小、紋理無縫拼接的新的紋理。新的紋理的生成具有一定的隨機(jī)性，在算法上有兩個重要點(diǎn)，首先現(xiàn)有模型確定一個隨機(jī)性的過程模型，這個決定紋理的準(zhǔn)確度；另外是確定模型后如何找到合適的迭代方法產(chǎn)生需要的紋理，這個決定了合成過程的快慢。

在對木材解剖學(xué)圖片合成中，本文采用基于樣圖的紋理合成方法。樣圖即為木材美學(xué)圖案，樣圖中含有木材微觀構(gòu)造特征，從木材微觀圖片中采樣，填入到目標(biāo)圖片區(qū)域中。

對于基于樣圖的紋理合成，研究基礎(chǔ)及重要的問題就是如何更好地采樣及拼接，拼接過程中如何處理選擇種子點(diǎn)、領(lǐng)域采點(diǎn)方法、保證圖形完整性手段等。

目前紋理合成算法主要有三種，第一種早期的是基于Markov Random Fields（MRF，馬爾克夫隨機(jī)場）的改進(jìn)。MRF模型是將圖像中的紋理看作一個個像素，每個像素都具有一定的空間性，并且有自己的特征，這些特征在范圍內(nèi)具有穩(wěn)定性。這些像素在一定范圍內(nèi)與其他不同位置的像素沒有關(guān)聯(lián)，但是又存在的穩(wěn)定的相似性。這個過程可以分為提取特征，優(yōu)化模型，紋理合成三個步驟。

第二種是對MRF模型進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用隨機(jī)塊提高速度，這種方法又叫快速紋理合成算法，即WL算法[11]。這種算法利用L形狀區(qū)域特點(diǎn)，在一定范圍大小的領(lǐng)域進(jìn)行直接地采樣。這種算法也存在一定缺陷，因?yàn)樗鼘吔穷惖奶厥鈭D像達(dá)不到良好的感知效果。

對以上算法進(jìn)一步改進(jìn)，出現(xiàn)了一種新的不同于以往的算法，這種算法是一種基于塊的紋理合成算法，也稱為Efros[36]算法。經(jīng)過應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這種算法比以往的算法都具有優(yōu)越性，它的精度更高，算法的速度也更快，而且很好地解決了復(fù)雜紋理的邊界問題。

本文采用的就是Efros的塊拼貼紋理合成方法。任務(wù)是對給定的一幅較小的紋理樣圖，通過紋理合成，可以形成需要的無縫拼接效果紋理。

基于塊的紋理合成從以下兩個步驟實(shí)現(xiàn)：

第一步采取鄰域搜索策略，在樣本空間中搜尋最佳的匹配目標(biāo)塊。

第二步用一定的合成算法，將第一步中尋找到的目標(biāo)塊與已經(jīng)合成的目標(biāo)圖像相互融合。

步驟中存在一個問題：當(dāng)?shù)谝徊街羞x定出的匹配塊不是最佳的匹配塊時， 那么在第二步中即使采用優(yōu)化的算法也會無濟(jì)于事。 所以在第一步中，如何搜索到與已經(jīng)合成的結(jié)果圖像最為相似的目標(biāo)塊是重要的一個考慮。

當(dāng)前，現(xiàn)有算法中，第一步采用較多地是用顏色作為度量是否相似的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說在兩個相鄰的重疊區(qū)域塊中，每一個位置的對應(yīng)的像素的顏色差作為整個度量相似性的偏差標(biāo)準(zhǔn)。

對于完整的塊拼貼算法，如下所示：

根據(jù)掃描線的順序一步一塊地進(jìn)行整個輸出圖像的合成；

在輸入的木材樣本紋理圖像中，看作一個個塊集合，找尋能夠達(dá)到小誤差的重疊區(qū)域的上下紋理塊，隨機(jī)挑選其中的一個塊，然后匹配到需要的合成圖的塊的每個一個空間，接著在選取出來的具有紋理特征的紋理塊與紋理合成圖中的舊塊重疊的部分，進(jìn)行誤差曲面計算。從中找到一個最佳的邊界，達(dá)到邊界無縫拼接的效果。把新塊貼入到合成圖中。

不斷重復(fù)以上的步驟，最后合成完成。

接著，再截取歐洲水青岡弦切面中的紋孔構(gòu)造。紋孔[12]是指木材細(xì)胞壁加厚產(chǎn)生次生壁時，初生壁上未被增厚的部分，即次生閉上的凹陷。紋孔是相鄰相鄰細(xì)胞間水分和養(yǎng)料的通道；木材加工利用中，紋孔對木材干燥、膠黏劑滲透和化學(xué)處理劑浸注等有較大的影響。它是木材細(xì)胞壁上重要的結(jié)構(gòu)特征。

通過一次紋理合成，將歐洲水青岡弦切面合成新的木材美學(xué)圖案，新的紋樣比原來紋樣更大，具有更多的紋孔特征，人工合成了一幅新的展現(xiàn)木材微觀構(gòu)造的木材紋樣。

4.總結(jié)

本文選擇塊拼貼的紋理合成算法，以輸入塊為單位，輸出具有輸入紋樣構(gòu)造特征，在一定約束條件重疊下的合成圖樣。塊拼貼紋理合成比點(diǎn)合成具有運(yùn)算速度快、合成效果好的優(yōu)勢，在基于樣圖的紋理合成中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在分析完算法思想，算法描述后，選取木材微觀構(gòu)造中的紋孔典型特征，在matlab中運(yùn)行算法程序，將木材微觀構(gòu)造小塊圖形，合成大的具有木材美學(xué)典型構(gòu)造特征的木材美學(xué)圖案。

[參考文獻(xiàn)]：

[1] 張新英. 木材解剖學(xué)的歷史及發(fā)展[J]. 植物學(xué)報， 1993：52-62.

[2] 羅建舉. 木材美學(xué)引論[M].南寧：廣西科學(xué)技術(shù)出版社2008

[3] 廖曉梅. 木材美學(xué)圖案的創(chuàng)作及其在室內(nèi)裝飾設(shè)計中的應(yīng)用 [J]大眾文藝2012（20）

[4] 羅建舉.樹木髓心構(gòu)造及其美學(xué)應(yīng)用[J] 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報2012，43（9）

[5] 刁偉忠， 常發(fā)亮， 孫曉燕. 基于MFC的OpenGL紋理貼圖技術(shù)[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報， 2005， 20（2）：70-73.

[6] 徐文華， 魏寶剛. 基于紋理合成的圖像藝術(shù)風(fēng)格學(xué)習(xí)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報， 2003， 36（3）： 115-119.

作者簡介：

陳燕（1985），女，福建福清，碩士，教師，助教，木材科學(xué)與工程