三种赞比亚产木材视觉环境特征识别模型构建与构造组分分析

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木材是一种具有天然、可再生、可回收和降解特点的生物质材料,还具有丰富的纹理结构特点,常被广泛应用于建筑装饰领域。针对木材纹理传统研究定性分析的不足,拟开展其定量分析研究,对指导木材的加工利用具有重要理论和现实意义。本文以3种常见的赞比亚产的染料紫檀(Pterocarpus tinctorius),风车木(Combretum imberbe)和古夷苏木(Guibourtia spp)为研究对象,运用色度计进行三种木材样品的颜色测量,并借助Matlab软件图形分析比较了三种木材独特的木材特征模式和颜色,研究了三个木材色度参数并分析了三种木材材色在每个颜色空间中的分布范围及在三维颜色空间中的分布特征;采用灰度共现矩阵观察其视觉环境特征,并对其相关性质进行了研究,构建识别模型;采用傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)对3种木材样品进行了测试,用水抽提法对三种木材木粉进行抽提,并用气相色谱质谱仪(GC-MS)对水抽提液的化学成分进行了定性和定量分析,进一步明晰其主要的化学组成和组分含量。主要研究结果如下:(1)应用色度学方法对3种木材样品进行材色测量与分析,结果表明风车木和染料紫檀的明度值(L*)相近,古夷苏木明度值(L*)相对略高35-40范围内;红绿轴色度指数(a*)差异较大,分别是风车木为0-5、染料紫檀为0-10、古夷苏木为0-20范围内;古夷苏木和染料紫檀的黄蓝轴色度指数(b*)相近在0-20范围内,风车木为10-15范围内。木材的明度和色度等材色物理量是木材表面视学特性的重要物理量,在木材使用时通过材色参数比对,从环境学角度进行选择,具有一定的参考价值。(2)采用灰度共现矩阵观察三种木材样品图案、颜色、光泽、纹理特征,结果表明三种赞比亚产木材样品类型、形状和排列具有明显特征,木材颜色、光泽、纹理、图案不同。从灰色共生矩阵特征信息分析可知,从纹理组成角度定量表征了相应的纹理特征,木纹对比差异明显,均匀性差异较小(0.70-0.80);基于木材的基本结构特征,可以自动识别木材纹理的不同特征,实现木材纹样的分类和应用,具有较大可行性和准确性。(3)利用MATLAB图形分析软件构建木材模式识别,并进一步直观地分析了木材颜色在三维色彩空间中的分布特征。结果表明木材表面特征纹理的信息熵、对比度和能量越大,超像素块的纹理越复杂,颜色跳变越大;均匀性和相关性值越大,对应的超像素块的纹理和均匀性颜色越平滑。在自相关函数图中,数字的下降趋势越大,对应图像的纹理就越复杂。由此可知,自相关函数可初步判断和比较图像的粗糙度。(4)通过提取各种纹理算法的特征参数并进行综合比较分析,利用灰度共现矩阵计算了对比度、相关性和熵度等木材图像的特征信息。研究结果表明,风车木的纹理,更深,颜色范围更大,有更多、更大的对角线外的灰色共现矩阵的风车木。通过对三种木材图像预处理、各种图像分析、直方图均衡化、自相关函数和灰度共现矩阵等方法研究表明,风车木木材表面的粗糙度大于染料紫檀和古夷苏木,可以实现木材纹理特征的深度分析和比较。(5)通过3种木材的微观结构比较,主要识别特征有染料紫檀和古夷苏木均为散孔材,风车木为半环孔材,导管内均含有树胶,管间纹孔式互列,单穿孔,导管与射线间纹孔类似管间纹孔式;3种木材的轴向薄壁组织丰富,有环管束状、翼状、聚翼状、傍管带状及轮界状等,局部成波浪形,古夷苏木非叠生;染料紫檀木射线叠生,且以多列为主,单列少,风车木和古夷苏木以单列为主;古夷苏木射线细胞中含树胶,风车木射线细胞内含大量白色结晶。(6)由FTIR光谱图分析可知,3种木材的红外光谱显示具有相近的主峰,在4000cm-1-2500cm-1区域、3300cm-1和2900cm-1附近有两个明显的峰,主要是纤维素、半纤维素和木质素中羟基的O-H和C-H伸缩振动。GC-MS测试结果表明,风车木的主峰位置在28-30min的范围内,最大峰值的28.704min、峰面积为38.77%;染料紫檀的出峰少,主峰位置在10-30min范围,最大峰值为19.717min,峰面积为59.5%;古夷苏木的主峰位置较宽,在10-30min范围内,峰面积在5.92%-11.61%之间,各木材的化学组分和特征分析还有待于进一步研究。
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