黃英來(lái)，田少卿，孫曉芳，張博文

1.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124

基于灰度投影法的樂(lè)器板材紋理分析方法

黃英來(lái)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124

在對(duì)樂(lè)器板材進(jìn)行選擇時(shí)，需要對(duì)其紋理進(jìn)行判別，以便選擇可發(fā)出優(yōu)質(zhì)音色的板材。通常對(duì)板材的選擇是人工目測(cè)挑選的，這樣大大降低了樂(lè)器制作的效率，對(duì)所選板材質(zhì)量的優(yōu)劣評(píng)價(jià)缺少科學(xué)理論依據(jù)。借助計(jì)算機(jī)圖像處理的方法可自動(dòng)對(duì)板材的規(guī)格進(jìn)行判斷。通過(guò)對(duì)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(dòng)對(duì)板材紋理間寬度進(jìn)行計(jì)算的方法。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可減小人工測(cè)量的誤差，加快板材的選取過(guò)程，具有較好準(zhǔn)確性與魯棒性。

灰度投影；樂(lè)器板材；紋理測(cè)量；自動(dòng)識(shí)別

1 引言

目前我國(guó)的樂(lè)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(duì)木材的紋理、質(zhì)地及尺寸等因素進(jìn)行判斷[2-4]。為了提高選材率，可對(duì)一些因素進(jìn)行計(jì)算機(jī)智能判別，其中木材的紋理可通過(guò)圖像處理方式進(jìn)行判別[5-6]。

紋理作為圖像中最基本的特征已經(jīng)通過(guò)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(zhǎng)度矩陣法[10]、分形法[11-12]、馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)[13]等，雖然這些方法都能很好地對(duì)圖像中的紋理進(jìn)行分析，但是并沒(méi)有測(cè)量的功能[11]。因此不能應(yīng)用這些方法對(duì)木材紋理進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量。

隨著圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步深化，通過(guò)灰度信息可以很好地反應(yīng)出圖像中所描述對(duì)象的明暗度[14]。本文利用灰度信息能夠很好地對(duì)木材紋理進(jìn)行分析并計(jì)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(lái)保存的，因此每個(gè)像素點(diǎn)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(guò)計(jì)算得來(lái)。一般情況是，一個(gè)點(diǎn)的RGB值對(duì)應(yīng)的灰度值由公式（1）計(jì)算得來(lái)。

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(lán)色值。

而在運(yùn)用灰度值來(lái)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(jìn)行電子穩(wěn)像[16-21]、區(qū)域檢測(cè)[22]等，特點(diǎn)是該方法計(jì)算簡(jiǎn)單且計(jì)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(diǎn)(i，j)處的灰度值。行投影就是將圖像中每行中各點(diǎn)的灰度值相加而得，列投影是將圖像中每列中各點(diǎn)的灰度值相加而得。將每行或每列的投影值在直角坐標(biāo)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(lè)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(duì)樂(lè)器板材進(jìn)行選取過(guò)程中，通常會(huì)對(duì)板材紋理的寬度有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)板材的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，這里采用灰度投影算法對(duì)板材進(jìn)行分析。

通過(guò)上述對(duì)灰度投影算法的描述，得知圖像中灰度值按照投影公式計(jì)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(guò)計(jì)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(dòng)軌跡，而對(duì)應(yīng)于圖中部分則為板材的紋理處，由此可以看出，當(dāng)板材紋理對(duì)應(yīng)的灰度值較小，而其他部分對(duì)應(yīng)的灰度值較大，因此再進(jìn)行投影計(jì)算時(shí)表現(xiàn)在投影曲線中的情況便是波谷，所以接下來(lái)的工作只要準(zhǔn)確定位板材紋理對(duì)應(yīng)的波谷，那么便可對(duì)其進(jìn)行寬度計(jì)算。

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

圖2 局部放大后投影圖及有測(cè)量工具對(duì)照?qǐng)D

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(duì)應(yīng)的灰度投影曲線也隨之變清晰，在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(duì)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(lái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。這里將以mm為單位的測(cè)量工具置于板材對(duì)應(yīng)紋理處，通過(guò)找到圖中像素與測(cè)量單位之間的關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量的目的。

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

表1 投影波谷點(diǎn)所在行及對(duì)應(yīng)刻度

在獲取表1的數(shù)據(jù)之后，便可通過(guò)計(jì)算得到1像素的平均測(cè)量值，這里計(jì)算得到的值為0.217 5 mm。此時(shí)可以通過(guò)圖像對(duì)板材的紋理進(jìn)行計(jì)算。表2為計(jì)算紋理寬度的數(shù)據(jù)，計(jì)算所得寬度通過(guò)1與5之間計(jì)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(jì)算數(shù)據(jù)

從計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)相吻合，人工測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)板材紋理的精確判斷。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，現(xiàn)以像素為800萬(wàn)的三星數(shù)碼相機(jī)作為照相設(shè)備，固定于距離板材水平面1 m高處，對(duì)不同的板材進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示為實(shí)驗(yàn)圖。

圖3 不同板材間局部及投影圖

表3 圖3的對(duì)應(yīng)值及紋理寬度數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

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

經(jīng)過(guò)上述分析可以看出，當(dāng)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(shí)，其像素大小與實(shí)際寬度存在一定的關(guān)系。以本文實(shí)驗(yàn)為例，當(dāng)相機(jī)與板材間的距離為1 m時(shí)，其像素寬度均值約為0.217 5 mm，而該計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值基本一致。由于人眼觀察的誤差比較大，而本文計(jì)算方法所得結(jié)果為平均值，因而可說(shuō)明通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出的值更具有科學(xué)性。應(yīng)用本方法對(duì)初選試材進(jìn)行了分級(jí)選取，并制作成成品樂(lè)器，由同一人演奏、同一批專家進(jìn)行評(píng)測(cè)，結(jié)果證明應(yīng)用此方法所選試材與專家評(píng)價(jià)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(guò)運(yùn)用灰度投影算法對(duì)板材圖像進(jìn)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(diǎn)，而正是根據(jù)此特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值提取及運(yùn)算可以在計(jì)算機(jī)的輔助下自動(dòng)提取板材的紋理寬度，為自動(dòng)選取優(yōu)質(zhì)樂(lè)器板材提供一種科學(xué)的測(cè)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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（No.2572014CB25）。

黃英來(lái)（1978—），男，博士，副教授，研究方向：信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)智能識(shí)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