（木材科学与技术专业论文）竹材细胞壁构造的形态分析.pdf

摘要 本文应用图像处理技术分析了竹材从竹笋到成竹整个生长阶段横截面细胞 壁结晶区的大小及形态，并应用区域分割法研究了竹材微管束横截面中的纤维 帽、筛管、薄壁细胞等各部分结晶区的形成过程以及分布特征。同时针对竹笋 期横截面细胞壁结晶区分布特征及形成过程，应用阀值分割法得到了微管束中 结晶区大小的变化规律。 成竹期的竹子，横截面微管束中各部分结晶区已经形成，结晶区图像清楚， 纹理差距明显。对这一阶段的图像采取窗口过滤法和模糊c 一均值聚类法可获得 所需要的图像特征。窗口过滤法是针对竹材横截面细胞壁不同纹理的疏密差 别，选择合适的窗口大小，过滤掉稀疏部分、保留密集部分达到图像分割的目 的。薄壁细胞壁结晶区结构单元稀疏，而纤维帽细胞壁结晶区的结构单元密集， 应用窗口过滤法可提取纤维帽细胞壁结晶区的密集区域。模糊c 一均值聚类法是 针对自然纹理中单一纹理分割方法的局限性所提出的一种综合分割图像的方 法。该方法首先对图像进行小波分解，将原始图像分解为细节小图，再计算细 节小图的能量，最后将计算的能量进行模糊c 一均值聚类，得到所需纤维帽的结 晶区域。 图像处理方法是获取竹材细胞壁结晶区特征的一个有效手段，通过图像处 理分析，可以测试出竹材整个生长过程中细胞壁结晶区形态变化规律，为研究 竹材特性奠定了良好的基础。 关键字：图像处理，纹理分割，结晶区域，细胞壁 a b s t r a c t u s i n gi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w ea n a l y z et h es i z ea n ds h a p eo fc e l lw a l l c r y s t a lr e g i o no fb a m b o o sc rosss e c t i o nd u r i n ge n t i r eg r o w t hf r o mb a m b o os h o o t t ot h em a t u r eb a m b o o u s i n gr e g i o ns e g m e n t a t i o n ，w es t u d yt h ef o r m i n ga n d d i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i co fc r y s t a lr e g i o n so ft h ef i b e rc a p 、p r o t o s i e v e 、 t h i n w a l l e de e l lo fv a s c u l a rb u n d l eo fb a m b o o sc r o s ss e c t i o n o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ef o r m i n gp r o c e s sa n dd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，w eg a i nt h eg r o w i n g r u l eo fc r y s t a lr e g i o ns i z eo fv a s c u l a rb u n d l eb yt h r e s h o l dm e t h o d t h ee a c hc r y s t a lr e g i o no fv a s c u l a rb u n d l eo fb a m b o o scrosss e c t i o nh a s f o r m e dd u r i n gi t sm a t u r ep e r i o d t h ec r y s t a lr e g i o ni m a g ei sc l e a ra n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt e x t u r e si so b v i o u s u s i n gm i c r o - w i n d o w sf i l t e ra n df u z z y c m e a n s ，w ec a ng a i nt h ei m a g ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt ow a n t f o rt e x t u r e s d i f f e r e n c eo f e a c h c r y s t a lr e g i o n o fc e l lw a l l o fb a m b o o sc r o s ss e c t i o n ， m i c r o w i n d o w sf i l t e rc a nf i l t e rt h es p a r s ep a r ta n dr e s e r v et h ed e n s ep a r tb y c h o o s i n ga p p r o p r i a t ew i n d o w s b e c a u s eo ft h i n w a l l e dc e l l ss t r u c t u r eb e i n g r e m o t ea n dt h ec e l lw a l lo ff i b e rc a ps t r u c t u r eb e i n gd e n s e ，w ec a ng e tt h ed e n s e r e g i o no ff i b e rc a pb ym i c r o w i n d o w sf i l t e r f u z z yc m e a n si sa ni n t e g r a t e m e t h o do fi m a g es e g m e n t a t i o ni nc o n t r a s tw i t h o t h e rs i n g l em e t h o do fn a t u r a l t e x t u r es e g m e n t a t i o n a tf i r s tt h i sm e t h o dt h ei m a g ei sd e c o m p o s e dt h ed e t a i lb y w a v e l e t ，a n dt h e ns e c o n dt h ed e t a i li m a g ee n e r g yi ss u m m e d ，f i n a l l y ，t h ed e t a i l i m a g ee n e r g yi sc o m p u t e db yf u z z yc m e a n s a n dg a i nt h ef i b e rc a po fc r y s t a l r e g i o n t h ei m a g ep r o c e s s i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o df o rg e t t i n gt h ec r y s t a lr e g i o n c h a r a c t e r i s t i co fc e l lw a l lo ft h eb a m b o o b yp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g ，w ec a n g a i nt h es h a p eg r o w i n gr u l eo fc r y s t a lr e g i o no fc e l lw a l ld u r i n ge n t i r eg r o w t ho f b a m b o oa n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rs t u d y i n gb a m b o o sc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d ：i m a g ep r o c e s s i n g ，t e x t u r es e g m e n t a t i o n ，c r y s t a lr e g i o n ，a n dc e l lw a l l 致谢 在学业即将完成之际，我首先要向我的导师刘云飞副教授表示最真诚的谢 意，在我开始参与项目的设计开发到学位论文的前期准备、试验和写作过程中， 宴4 老师都花费了很大心血来指导和点拨，提出了许多积极有价值的意见和建 议，使我如期完成了论文。他严谨的治学态度、真诚的待人处世方式，使我始 终印象深刻，也是我今后治学、为人的好榜样，对于他的教诲我也将终生铭记， 同时，导师为我们提供了良好的学习环境、实践环境并提供了相互学习、交流 经验的机会，使我们能在一个良好的学术气氛中不断地充实和提高自己。 再次感谢我的导师。 深深地感谢王启祥教授，他在百忙之中抽出时间对本人论文进行多次改写 并提出宝贵的意见，他认真求实的精神，我也将终生铭记。 感谢在论文完成过程中给与我很大帮助的其他同学 同时感谢在论文完成过程中给与我很大帮助的徐兆军、业宁，周宇，甘小 洪等学友和同学。 感谢儿子那稚嫩的笑容! 使我忘却工作疲劳和生活的烦恼，为了儿子有个 值得骄傲的妈妈! 我更要加倍努力! 最后，向在百忙之中抽出宝贵时间来对论文进行审阅的各位专家致以真诚 的谢意。 作者：薛联凤 200 5 年4 月10 日 1 1 前言 第一章绪 论 我国是世界竹子资源最为丰富的国家，不仅竹种丰富，竹林面积大，竹 的分布范围也广，广泛分布于我国长江以南各省。竹子是一种木本状多年生常 绿森林植物，生长迅速，3 5 年即可加工利用。竹子产量高，有较高的纤维含 量，被广泛用于建筑、制浆造纸等方面，充分利用和开发竹材资源，对我国的 经济发展将起到很大作用凹3 “。 竹材的优良性能和独特优势，源于竹材纤维细胞特殊的排列方式和结构， 竹材秆茎纤维的结构特性又直接影响到材质和纸浆造纸的特性。竹材细胞壁是 竹材纤维的主体，也是竹材细胞特有的一种结构，它不仅关系到植物组织的吸 收作用、蒸腾作用和物质运输作用，而且还可以保持细胞免受干旱或其他外界 的侵害临“。同时细胞壁的形态又决定了它的组织性能，如竹材细胞壁结构的 结晶度，极大地影响着竹材的物理性能，结晶度增加，竹材的抗拉强度、弹性 模量、硬度及尺寸的稳定性均随之而增加，而吸湿性、染料吸着度、柔顺性及 化学反应性均随之减少，因此研究细胞壁结晶度的大小、形状，搞清楚细胞壁 晶区分布、空间性质、内夕卜起因，对于我们人为控制竹材的物理性能。改良竹 材品种具有一定的实践价值。 目前，国内外有关竹材的研究主要集中在竹材的微观解剖特征、物理力 学性质以及化学性质等方丽，如开展了竹材的物理性质、化学成分与特性、力 学性质、干燥特性、生物力学特性、微观及超微观解剖构造等方面的研究工作。 近几年来，对竹材细胞壁构造的纤维结构又有新的研究，重点侧重于次生壁形 成及结晶区形态的研究。 通常，竹材结晶度的测量方法有许多，既有化学方法又有物理方法 ”“”。化学方法有水解法、重水交换法、甲醛化法、吸湿法等，物理方法 有x 射线衍射法、红外线光谱法、偏光显微镜法、密度法、核磁共振法等，但 是这些方法处理结果不直观，不能直接观察到竹材细胞壁结晶区的分布情况， 不便于我们研究和分析问题。 计算机图像处理技术是集光学、电子学、计算机等先进技术为一体的快速 而有效的自动测量技术，已经在数字摄影测量、遥感图像处理、地理信息系统 中得到了广泛应用。本文应用计算机图像处理方法分析竹材横截面细胞壁显微 结构，根据细胞壁结晶区图像颜色分布和纹理不同分割图像，分析竹材整个生 长期间细胞壁结晶度的变化规律。 本文图像处理方法有三种：方法一：灰度阀值分割法。针对竹笋期图像的 特点，对图像进行阀值分割，提取结晶区域，分析结晶区域的特征参数。方法 二：将竹材细胞壁显微结构当作非纹理图像来处理，采用窗口过滤法，提 取竹材结晶区域面积，并对获得的数据进行拟合分析，得到竹材细胞壁结晶度 的变化规律，这种方法适用于成竹期细胞壁的结构分析。方法三：分析竹材细 胞壁图像纹理结构及图像的纹理组成，对纹理区域进行分割。采用的方法是模 糊聚类法，具体步骤为将小波分解图像为细节子图，再进行能量计算，然后对 计算出的能量数据进行模糊c 一均值聚类，最后得到所需结晶区的图像，这种方 法同样适合于成竹期细胞壁的结构的分析。 1 2 选题背景 本课题选自于国家自然基金课题纤维植物细胞壁结构的结晶学分析，在 进行本课题研究之前，我们已经应用x 射线衍射方法测试了竹材从出笋至成竹 生长过程细胞壁结晶度的变化规律，分析了各结晶层形成的原因，并应用结晶 理论初步分析了纤维结晶的空间分布、晶轴取向、纤维数大分子的空间结构。 应用电子显微镜观察了微管束排列，对结晶层微纤丝排列与微管的排列关系有 了定性认识。 在以上研究基础上，我们应用显微镜成像方法及计算机图像处理技术，迸 一步测试不同时期的竹材秆茎横截面细胞壁的内部结构，试图找出竹材秆茎横 截面的结晶区大小及形态的变化规律。 1 3 图像处理概述 随着信息技术的飞速发展，人们对信息的获取、加工、处理和应用等都发 生了很大的变化，而且近几年来，来自超级计算机、卫星、先进医学成像设备 数据与日增加，使数据可视化技术日益成为迫切需要解决的问题，数据可视化 技术指的是运用计算机图像处理学和图像处理技术，将数据转化为图像或图形 在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图 形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域，图像 处理技术是数据可视化技术的关键，它在国计民生中的重要意义显而易见，正 因为如此，图像处理理论和技术得到了广泛的重视。且各领域研究者经过不懈 的努力，已经取得了可喜的成绩，并正在向更深及更高的层次发展。 图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤，也是一种基本视觉技术， 这是因为只有在图像分割的基础上，才能实现目标分离、特征提取和参数的测 量，从而将原始图像转换成更抽象的形式，使得高层的分析和理解成为可能。 多年来，图像分割的研究一直得到人们的高度重视，至今已经提出了种类繁多、 用途各异的图像分割算法。 2 本论文针对竹材细胞壁显微结构图像的特性，利用图像分割技术，实现了 竹材细胞壁结晶区图像的分割，使目标区域( 竹材微管束纤维帽结晶区的图像) 得到了分离，并通过分析得到了竹材整个生长期间细胞壁结晶区的面积及形态 变化规律，为我们进一步分析竹材细胞壁的结构特征提供了理论根据。 i 4 论文主要工作 本文应用图像处理技术分析竹材横截面细胞壁晶区大小及形态。重点应用 图像处理技术中的区域分割方法分析竹材从竹笋到成竹整个生长阶段竹材横 截面微观束中纤维帽、筛管、薄壁细胞等各部分的结晶区形成以及分布特征。 针对竹笋期横截面细胞壁晶区形成特征以及的分布情况，提出了应用阀值分割 法测试微观束中晶区变化。 成竹期竹子横截面微管束中各部分结晶区己经形成，仅用灰度值很难分割 各部分结晶区域，但由于各部分结晶区域形态上有差异，因而可采用纹理图像 分割方法区分同一微管束中不同区域的分布。本文重点介绍了两种算法，即窗 口过滤法和模糊c 一均值聚类法。窗口过滤法针对竹材横截面细胞壁结晶区不同 纹理的疏密差别，选择合适的窗1 3 大小过滤掉稀疏部分一一薄壁细胞结晶区， 保留密集部一一纤维帽结晶区域，而达到图像分割的目的。 模糊c 一均值聚类算法是针对自然纹理中的单一纹理分割方法的局限性，提 出了一个综合分割图像的方法，具体为先对图像进行小波分解为细节小图，再 对细节小图计算能量，最后将计算的能量进行模糊c 一均值聚类，得到所需的纤 维帽结晶区域。 1 5 论文结构 论文共分七章 第一章绪论。简要介绍了本文研究意义和研究背景，概括说明了论文的具 体工作，最后列举论文的组织结构。 第二章样品采集制作和图像的获取。简单介绍了数据采集过程与制作方 法。根据竹材的生长特点，样品采集的过程分两个阶段：竹笋期和成竹期。竹 笋期细胞壁结晶区图像的灰度变化差异大，图像处理可依据灰度的变化来处 理，而成竹期的细胞壁结晶区的图像灰度变化不大，但图像呈现纹理结构，且 一张图像存在几种纹理区域，可依据纹理变化规律来处理图像。 第三章图像处理理论基础。介绍图像的概念、图像文件描述、图像处理的 硬件组成、彩色图像、灰度图像以及数字图像处理的方法及主要内容。这些概 念与方法是我们分析竹材细胞壁结构形态的基础。 第四章竹材细胞壁显微结构的图像分析概述，以及图像分割中常用的图像 处理方法，并分析了不同时期竹材横截面细胞壁显微结构图像的处理方法。 第五章算法介绍。介绍了图像处理的几种方法，并结合不同时期竹材横截 面细胞壁显微结构图像的特性，分别对不同时期的图像采用不同的方法来处 理，并显示处理结果。详细讨论了成竹期的图像处理算法，即窗口过滤法( 窗 口介绍、窗口过滤过程、处理结果) 和模糊c 一均值聚类法( 小波分解、能量计 算、模糊c 一均值聚类) 。 第六章竹材细胞壁结晶区测试与分析。应用阀值分割法、窗口过滤法、模 糊c 一均值聚类法对不同时期和不同阶段竹材细胞壁结晶区图像进行处理和分 析，得到竹材整个生长阶段的横截面结晶度变化规律。 第七章工作总结与展望。对本文研究工作进行了总结，并对今后将要开展 的工作进行了展望。 第二章样品采集制作和图像获取 竹子生长的快速性，是其它植物无法比拟的，它的这一特性决定了 植株特性的快速变化。在研究竹材的细胞壁形态时，我们选取从竹笋到成 竹的整个生长阶段的竹材秆茎作为测试对象。在竹子种类中，毛竹是大型 竹种，秆茎粗直，木素含量低，纤维素含量较高，纤维长宽比大，是造纸 的较好原料。选取毛竹作为测试对象具有一定的代表性。 2 1 数据采集制作过程 2 1 1 竹笋到幼竹的生长特点 从竹笋到幼竹时期，是指毛竹竹笋出土到高生长期停止而生枝发叶的 阶段，这一阶段大约4 0 到4 5 天。这一时期的特点为细胞生长旺盛，细胞 大量汲取养料，体积扩大，但强度很低。这一生长过程，基本上分为四个 阶段，即初期、中期、盛期、末期。 ( 1 ) 初期：初期生长阶段是竹笋地下生长的继续，笋尖露头，笋体仍 在土中，此时主要是直径的生长，节间生长很小，基部各节陆续生根，高 生长缓慢，一昼夜大概生长卜2 厘米。 ( 2 ) 上升期：笋的地下各节节间的伸长基本停止，形成秆茎，此时竹 根大量发生，根系形成，节间生长由地下转到地上，生长渐快，每昼夜大 约伸长1 0 2 0 厘米。 ( 3 ) 盛期：高生长期迅速而稳定，高峰时，一昼夜可达1 米，最快可 达1 5 一1 6 米，此对基部秆葬开始脱落。 ( 4 ) 末期：高生长迅速下降到停止，完成高生长，秆箨解体，枝叶展 放，形成成竹。 在这四个生长阶段中，中期生长率较高，到了盛期生长率最高，生长 期最长。这一点在竹材细胞壁结晶度的分析中也得到了证实。同时气候因 子对幼竹生长的影响( 气温、降雨量、空气湿度及风) 很大，在我们分析 数据时，将这些客观因素都作为参考因素来考虑。 2 1 2 竹笋到幼竹期采样 从笋露出地面完成高生长，枝叶展放，形成新竹全过程，仅需1 到3 个月时间( 4 0 一4 5 天) ，那末是什么原因促使竹子生长迅速? 这是因为在幼 笋形成的过程中，每一节形成了居间分生组织，由于居闻分生组织的分裂 分化，每一节都在迅速地伸长，当然各节间的伸长并不是同时开始，也不 是以等同的速度进行，而是从基部开始，自下而上，按慢一快一慢的规律逐 节伸长。为了研究竹笋期竹材细胞壁结构形态的变化，我们分别对不同秆 茎竹笋的根基部采样和对同一植株竹笋的不同节间采样，并在偏光显微镜 下观察竹材切片的图像变化规律。 1 不同秆茎竹笋的根基部样品采集 在南京林业大学竹类植物园，分阶段选取从竹笋到幼竹这一生长时期 的竹材茎杆为测试对象，采样的部位为竹材茎杆第一节，主要是考虑到大 多数植物的生长起于根部。切片大小截面为2 0 m m 8 0 m m ，厚度8 p r o l o p m 。 为研究竹材细胞壁结晶区的形成时间及变化趋势，对刚出土的同一批 竹芽进行标记并每天取样，一直跟踪取样到一定高度( 根据横截面结晶区 的形状来确定) 。对不同生长阶段的竹材，统一选取第一节作为测试样品， 以比较细胞壁横截面晶区大小，通过测量样品横截面晶区的大小研究细胞 壁结晶的形成规律。 2 同一竹材不同节间竹笋样品的采集 为研究同一竹材不同节间横截面晶区的变化，从竹笋至幼竹这一生 长阶段，选取竹芽、竹笋中期、竹笋末期的植株分别作为研究对象。选取 不同植株的不同节间作为测试对象，将采集的样品嚣于偏光显微镜样品架 上获得结晶图像，观察不同节问竹材细胞壁结晶区图像，发现第一节纤维 帽结晶区轮廓清楚，与薄壁细胞结晶区分界明显，从第一节向上的各节结 晶区域越来越小，区域变化差异越来越大，顶芽时形状和竹笋初期基本一 致。 2 1 - 3 成竹期生长特点 成竹期一般指竹株停止高生长至可以砍伐利用的阶段，就毛竹言， 大约4 7 年。此时期的特点是其秆茎形成生长结束，但秆的含水量高，竹 株细胞形状及大小不变，木质素大量增加，细胞壁加厚，重量及强度增强， 成竹的生长伴随着细胞质水分的逐渐减少。 在新竹形成后，竹子的秆茎形成，生长结束，竹秆的高度、粗度和 体积不再有明显的变化，但竹秆的组织幼嫩，含水量高，干物质少。根据 成竹的生理活动和物理力学性质的变化，可以将成竹的生长分为三个竹龄 阶段，即幼林一一壮龄竹阶段、 中龄竹阶段和老龄竹阶段，相当于竹秆 材质生长的增进期、稳定期和下降期。 ( 1 ) 幼竹阶段：幼竹是从壮龄竹鞭上生长出来的。富有生活力。随着 竹龄的增加，经过根系发展和竹叶更新，竹子的叶绿素、糖分等营养元素 都处于高水平状态，是竹林生理代谢最旺、抽鞭发笋最强时期。此时竹秆 细胞壁逐渐加厚，内含物逐渐减少，干物质逐渐增加，竹材的物理力学性 质也相应不断增长，竹秆的材质生长处于增进期。 ( 2 ) 中龄竹阶段：竹株的营养物质含量和生理活动强度，均处于高水平 的稳定状态，随即出现下降趋势，所连的竹鞭也逐渐老化，开始失去抽鞭 发笋的能力。竹秆的材质生长到了成熟时期，容重和力学强度都稳定在最 高水平。 ( 3 ) 老龄竹阶段：中龄以后的竹子，生活力衰退。由于呼吸的消耗和物 质的转移，竹秆的重量、力学强度和营养物质含量也相应降低，形成生理 上的收支不平衡和材质生长上的下降趋势。 2 1 4 成竹期采样 成竹期竹材木质素大量增加，对结晶度大小有着直接影响。这一情况从第 六章数据分析中可以看出来。鉴于成竹期竹子生长的特性，采样也分为以下几 个阶段分别处理。 这三个阶段分别为竹龄为1 年生的12 月期间的竹材，竹龄为2 年生1 2 月 的期问的竹材，竹龄1 年生到1 6 年生的竹材。采样的地点仍为南京林业大学 竹类植物园，采样的部位选在竹材分叉的第一节，切片截面大小为2 0 m m x 8 0 m m ， 厚度8 l a m l o l a m 。 2 2 样品制作方法 2 2 1 石蜡切片制作 石蜡切片法是研究植物内部结构最常用的一种制片方法，其优点是容易制 成连续切片，供系统观察。下面介绍石蜡切片的方法与步骤： ( 1 ) 材料选择 选取竹材样品，其大小按需要而定，但一般不宜过大。幼嫩的根茎每段约 5 m m ，如果材料较大，可以切成几个小片。 ( 2 ) 固定 固定的目的是在尽量短的时间内将活细胞杀死，以免细胞的细微结构受破 坏。常用的固定剂有： a ) f a a ( 福尔马林( 9 0 m 1 ) + 冰醋酸( 5 m 1 ) + 酒精( 5 m 1 ) ) 。 b ) 铬酸( 醋酸混合液) 。此类固定剂的配方很多，常随材料性质的不同 而有所改变，下面介绍常用的两种配方：a ：弱酸( 铬酸( 0 3 9 ) + 冰醋酸( 0 7 m 1 ) + 蒸馏水( 9 9 m 1 ) ) ，这种固定剂适合于固定植物的胚胎、根和茎的生长点；b ： 强酸( 铬酸( 1 克) + 冰醋酸( 3 m 1 ) + 蒸馏水( 9 6 m 1 ) ) 。这种固定剂适合于普通 材料。 c )纳瓦申液甲液：( 铬酸( 1 。5 9 ) + 冰醋酸( 1 0 m 1 ) + 蒸馏水( 9 9 m 1 ) ) ： 乙液：福尔马林( 4 0 m 1 ) + 蒸馏水( 6 0 m 1 ) 。上述甲乙两液必须分别储藏，用 7 时才混合，此固定剂固定效果很好。 固定的时间因固定剂的种类、材料大小及组织的软硬不同而有差别，一般 至少要1 2 2 4 小时。大型材料要适当增加对间，2 天至数天也无妨。固定剂的 用量一般为材料的2 0 倍。肉质多浆的材料用量要增加到4 0 5 0 倍。材料中若 有空气，固定材料需结合抽气进行，使固定剂充分渗透到组织中去。 ( 3 )冲洗 冲洗目的是将植物组织中的固定剂洗去，因为有些药剂会产生沉淀，妨碍 以后的制片步骤。凡是含铬酸固定剂固定的材料用流水冲洗即可，或每隔1 个 小时换一次水，经过两天即可。如果固定剂中含酒精，冲洗时则必须用等浓度 的酒精更换2 - 3 次，每次间隔2 - 3 小时。 ( 4 ) 脱水 酒精是脱水常用的脱水剂，脱水时，将酒精的浓度逐步提高，其顺序如 下： l o - - 8 0 + 9 0 l o o 如果是水冲洗，材料应当加大。 l o 呻1 5 寸2 0 斗3 0 _ 5 0 每个浓度所需要的时间因材料的大小有所不同，一般每级为2 个小时。 ( 5 )透明 利用透明剂将植物细胞或组织内的酒精取代出来，以增加折光度，并使以 后溶解的石蜡容易进入植物细胞的内部。常用的透明剂有二甲苯、氯仿、香柏 油、丁香油i 樟脑油、松脂精等。其中二甲苯是常用的透明剂。透明过程中透 明剂的加入逐步提高。常用的次序如下： 纯酒糯二甲苯与纯酒料二甲举上马 纯酒糯二甲苯! 纯二甲苯马纯二甲苯 ( 6 ) 渗蜡 应用石蜡取代植物细胞或组织中的二甲苯，渗蜡前石蜡必须事先处理，使纯 蜡能够充分进入植物细胞或组织。 采用的石蜡一般以5 2 - 5 6 。c 为宜，最好采用浮蜡法。加蜡后放入3 5 的 烘箱中6 个小时( 或过夜) ，以后( 第二天) 在将温度升高至5 6 c ，每隔2 - 3 小时换一次纯蜡，纯蜡的比例逐渐加大，待无气味即可。 ( 7 ) 包埋 将渗好蜡的材料包埋成块，以便切片。 ( 8 ) 切片 借助于旋转切片机，将材料切成8 - 1 2 a n 的连续切片。 ( 9 ) 粘片和烫片 在绝对洁净的载波片上涂上少量的粘片剂，并将其均匀展开。粘片剂的 配置是用等量的蛋白与甘油搅拌均匀，加入1 克水杨酸钠或碾碎麝香草酚结晶， 以纱布过滤，储存在清洁瓶中备用。 在涂有粘片剂的载玻片上滴上2 - 3 点水，然后将检查过的蜡带材料放置在 水面上，将此载玻片移到烫片箱上，温度保持在4 3 ，蜡带受热后便将徐徐展 丌。 ( 1 0 ) 干片 一般在4 5 以下烘干2 天( 4 5 ) ( 1 1 ) 脱蜡 将彻底干燥过的切片置入二甲苯中，溶去植物细胞中的石蜡。 ( 1 2 ) 脱水 脱蜡后逐级脱水，再过度到用纯酒精脱水两次。 ( 1 3 ) 透明 将脱水后的切片逐级通过二甲苯至纯二甲苯透明。 ( 1 4 ) 封片 一般用加拿大树胶封片 ( 1 5 ) 干燥( 烤片) 在旋转式切片机上切成8 1 0u1 1 1 的薄片。切片经烘烤后，经二甲苯透明， 中性树胶封片，放在3 7 。c 下干燥。 2 3 图像获取 为了获取竹材细胞壁结晶区的结构形态，测试前，需调整好偏光显微镜。 本测试选用o l y m p u sb x 4 l 偏光显微镜，该偏光显微镜配有o l y m p u sc 5 0 5 0 数码相机，可以较方便地获取图像。测试方法如下：1 调整光源使其发出的单 图2 1 采样流程图 色光经起偏器后，成为线偏振光：2 使该线偏振光经过检偏器，调整起偏器使 其偏振方向与检偏器偏振方向垂直，此时无出射光穿过目镜，表明偏光显微镜 已经调整好。将石蜡切片放入载物台上，因竹材细胞壁纤维结晶存在，从切片 后折射出的偏振光其偏振方向发生了改变，不再与检偏器的偏振方向垂直，有 部分线偏振光穿过检偏器到达目镜，从目镜中，即可观察到线偏振光通过切片 9 的图像，另外借助于数码相机拍摄到竹材的结晶图像。 2 4 系统的硬件要求 ( 1 ) 计算机：奔腾四3 0 0 m h z 协处理器或更高。至少需要1 2 8 m 以上内 存，4 0 g 硬盘，显卡分辨率8 0 0 6 0 0 或更高。 ( 2 ) 偏光显微镜：3 日简易偏光显微镜，放大倍数约1 0 到3 0 0 倍。 ( 3 ) 数码相机：2 3 英寸c c d ，有效像素4 0 0 万，图像的分辨率为v g a ( 6 4 0 4 8 0 ) ，成像范围，正常模式，从0 5 米到无穷远，微距模式：o 0 2 米。 2 5 系统的软件界面介绍 本系统使用的界面采用v i s u a lc + + 开发，软件界面友好，功能强大，囊括图 像处理中常用基本方法。在论文中，首先利用此软件对竹材横截面细胞壁结晶 区图像进行预处理。 1 软件窗口介绍 图2 2 中，软件处理界面包括了图像处理常用的基本方法，如几何变换、 正交变换、图像的增强、形态学变换、边缘检测和图像分析等。这些常用方法 包括许多强大的功能。其中各项菜单包含的各项功能简单介绍如下： a ) 点运算：包括图像反色、线性变化、阀值变换、灰度拉伸、灰度均 衡等。 b ) 几何变换：包括图像平移、垂直镜像、水平镜像、图像转置、图像 缩放、图像旋转等。 图2 2 软件处理界面 i o c ) 正交变换：包括傅立叶变换、离散余弦变换、沃尔什变换等。 d ) 图像增强：包括图像平滑、中值滤波、梯度锐化、拉普拉斯锐化等。 e ) 形态学变换：包括腐蚀、膨胀、开、闭、细化等。 n 边缘与轮廓：包括边缘检测、h o u g h 变化、轮廓提取、种子填充、 轮廓跟踪等。 g ) 图像分析：包括阀值分割、投影检测、差影检测等。 h ) 图像复原：模糊、复原、嗓声等。 2 竹材图像的预处理 借助开发软件的功能，对图像进行增强，使不同纹理的分化更清楚。 如，应用开发软件对细胞壁结晶区图像进行拉普拉斯变换，经变换处理后 竹材的纹理比处理前的原始图像更清楚，见图2 3 。另外，在主菜单的“查 看”子菜单中可以得到图像的直方图以及图像的颜色分布。竹笋期细胞壁 结晶区图像的灰度变化较大，利用图像分析功能菜单中的阀值分割方法可 以求得细胞壁结晶区的大小。软件中其它菜单功能都可以对图像进行预处 理，实际应用时根据需要选取，这里没有一一介绍。预处理后的图像将用 于图像分割。 图2 3 图像进行拉普拉斯变换的处理 2 6 小结 本章分析了竹材生长过程中植株的特点和竹材不同时期切片的采集制 作过程，介绍了竹子细胞壁结构形态图像的获取方法以及简单的图像预处 理过程，为进一步处理图像提供便利。 第三章图像处理基础 人类通过眼、耳、鼻、身接受信息，感知世界，并进而认识世界和改造 世界。据统计，约7 0 信息是通过视觉系统来获取的。图像是二维或三维景物 呈现在人们心目中的影像。如果接受并加工视觉信息的是电子计算机，则称之 为计算机图像处理和识别。 数字图像技术是一门快速发展的新兴学科，随着计算机发展，这一技术已 经应用到了各个领域。例如：在医学方面，利用x 光等技术所获得的图像可以 辅助医生及时地对症下药；在农业、林业以及水利等工程开发方面，利用来自 卫星、飞机等技术手段获得的遥感图像，可以对工程进展以及阶段性效果等进 行预测；在电影、电视等的发展进程中，利用计算机所绘制的卡通片，极大程 度地促进了这些娱乐设备的普及：当然，在如火如荼的世界杯大赛中，我们能 舒服地坐在家中欣赏来自万里之外的精彩场面，为自己喜爱的球队加油，也离 不开图像的功劳：在现代军事等方面的作用更是不言而喻。因此可以毫不夸张 地说，图像的应用范围已经涉及到人们生活的方方面面。 3 1 图像基本概念 3 1 1 图像 图像，一般是指客观景物通过某种设备或系统的一种映射，例如照片、电 视画面等都是最直观、最常见的图像实例，当然现实世界中的客观事物，必须 经过一定的变换处理过程，才能变成计算机可以理解并处理的数字图像。 数字图像，是指利用数字计算机以及其他数字相关技术，对现实世界的 真实图像施加某种运算和处理，从而达到某种预期的目的，例如：存储或者 加工处理等。 如果在应用程序的设计过程中，需要选择使用一种理想的图像格式，则 应该重新考虑图像的质量、图像的灵活性、图像的存取率以及应用程序是否 支持这种图像格式瞎几个方面的因素“”“。下面分别介绍影响图像处理中的 几个因素。 ( 1 ) 图像质量。图像质量与分辨率、每个像素点的位数、颜色标准以及正 确的媒介特征等各个因素密切相关，高质量的图像一般利用位图格式表示。 ( 2 ) 灵活性。是指一种图像文件格式是否可以方便而且可靠地接受改变， 即当改变平台时，在不同系统的图形显示或者传输设各之问转换时，或以不同 尺度和比例进行图像调整时，格式修改是否容易，而且这种修改是否会发生错 误。 ( 3 ) 效率。是指使用某个图像格式时所花费的计算、存储和传输资源的比 较。图像效率与图像质量成反比。 ( 4 ) 应用程序支持。对于大多数程序员来说，最关心的问题莫过于现有程序 支持何种图像格式，但是这个问题的答案却永远在变化，随着软件技术的不断 发展，每种软件支持的图像格式都在不断的更新。 3 1 2 图像分类 图像有各种各样的形式，如图3 1 组织结构图对图像进行归类，并根据图 像的类别选择不同的处理方法，处理方法的好坏直接影响到图像的处理结果， 处理速度、处理效果。 现在电视机的显像管已经被用作个人计算机的显示器，我们可以在个人 计算机中观看电视节目。随着图像处理技术和计算机技术的发展，摄像图像的 环境也越来越多，当然随着技术发展，模拟世界的电视机已经吸收数字化技术 和计算机技术，开始了全数字化的数字电视广播，图像的种类也越来越多样化。 3 。1 。3 数字图像表示方法 图3 1 图像分类图 如果希望将现实世界的一幅真实图像转化为计算机可以接受并描述的方 式，从而使得用户可以在自己的应用程序设计过程中方便地使用并操作它们， 则最基本的步骤是将图像转化为计算机可以接受的格式，即一连串的特定数 字，这即所谓的图像数字化过程，这样形成的图像一般称为数字图像。数字图 像的形成过程中最典型、最重要的几个处理过程依次为：建立空间物体的描述 模型、图像的采样、图像的量化以及图像的存储方式。其中采样是指如何在现 实世界空问中选取适宜数量的考察点，量化是指每个像素点用几位数值表示， 这与图像的颜色密切相关，例如：如果每个像素点用4 位数表示，则图像中最 多可以使用1 6 种颜色。存储方式一般包括两种，即位映射方式以及矢量表示 方式。以下为数字图像的形成过程。 首先，图像是对空间物体的描述，因此图像形成过程中最基础的一个步骤 是如何建立空间物体的描述模型。对于一个空间的三维物体形状而言，一般可 以通过测量物体空间不同坐标位置点与测量原点的距离。从而获得整个物体的 轮廓。而如果需要完全描述该物体的整体性质，例如描述物体构成成分的性质 等，则一般需要考虑物体表面的光亮度。一般情况下光亮度为物体空间坐标 ( x ，y ，z ) 、照射物体的光波长以及观察时间的函数，但是，图像的形成过程一 般需要对这种空问真实物体进行简化处理，典型的简化处理一般包括：假设三 维物体需要通过拍照等手段处理，从而得到二维图像，因此，物体坐标简化为 二维坐标( x ，y ) ，同时，假设图像为静态图像，照射物体的光为单色光，则物 体表面的光亮度一般可以描述为共式( 3 1 ) 。 i = f ( x ，y )( 3 1 ) 另外，按照数学描述的习惯情形，般在图像处理过程将物体表面光亮度 值作为z 轴，因此上述公式可以更改为习惯的数学公式( 3 2 ) 。 z = f ( x ，y )( o z o 。)( 3 2 ) 其( x ，y ) 中代表空间某点坐标，函数f ( x ，y ) 则与物体表面的光亮度成正比， 即如果某点的z 值比较大，则代表该点的亮度等级高，而如果某点的z 值比较 小，则代表该点的亮度等级比较低。所谓的数字图像是指物体的空间坐标位置 以及亮度变化都用离散数字量进行表示而形成的图像。值得注意的是，人眼观 察空问物体时，物体的亮度一般由两部分组成，即物体上的入射光强度和物体 表面的反射系数。其中，物体表面的反射系数有物体的材料、表面性质等特性 确定，而入射光强度完全由光源性质确定。另外，虽然理论上而言，由于光为 一种能量，因此z 的取值范围为( o z 图像变换。图像处理方法可以分为两大类：空域法和频域法。其中 频域法也称为变换域法。这种变换为线性变换。 ( 3 ) 图像的分析和特征提取。图像分析或图像的理解可看作是一个描述 过程，主要研究用自动或半自动装置或系统，从图像中提取出有用的测度、数 据或信息，生成非图像的描述或者表示，这是当前图像处理与识别领域中最活 跃的一个分支。图像分析并不仅仅是给景物中的某区域在一定数目的己知类别 中进行分类，还要对千变万化和难以预料的复杂景物加以描述，图像分析常常 依据某种知识来说明景物中物体与物体、物体与背景之间的关系。图像分析的 内容分为特征提取、符号描述、目标检测、景物匹配和识别几个部分。图像的 特征是指图像场中可作为标志的属性，其中有些是视赏直接感受到的自然特 征。 ( 4 ) 图像分割。人能方便地从一幅图像中找到感兴趣的物体或区域，而 要让计算机做到这一点却需要给它以客观测度，使之按照灰度、颜色或几何性 质等把一些物体或区域加以分开。 ( 5 ) 图像的形状描述。对于已经分离出来的区域或物体边界，用适当的 数学语言( 如图论、句法、形态学等) 来表示其统计或者区域之间的关系，得出 一种简练的表达方式，如果只描述形状称作形状描述。 3 7 小结 本章介绍图像的概念、图像的文件描述、图像处理的硬件组成、彩色图像、 灰度图像，数字图像处理的方法及主要内容。这些概念与方法是我们分析竹材 细胞壁显微结构形态的基础。 9 第四章竹材细胞壁显微结构的图像分析 图像处理的一个重要分支为图像分析，这类处理的输入是图像，但所要求 的输出是已知图像或景物中的特定区域或目标的描述。描述一般是针对图像中 或景物中的特定区域或目标。为了描述，首先要进行分割，有些分割运算可直 接用于整张图像，有些只能用于局部分割出的图像，目前图像分割还没有统一 的方法来处理，也没有成功分割的准则，只能就图论图来处理。 4 1 非纹理图像分割简述 所谓图像分割是指把原始图像分为各具特色的区域并提取感兴趣目标的 技术和过程。这里的特征可以是灰度、颜色、纹理等。这些区域是互不相交： 每个区域都满足区域内某一特征的一致性。图像分割的定义是；将一幅图像 g ( x ，y ) 进行分割就是将图像划分为满足如下条件的子区域g l ，9 2 ，9 3 。 n a ) u g 。( x ，y ) = g ( x ，y ) ，即所有的子区域组成了整幅图像。 k b ) g 。是连通的区域。 c ) g k ( x ，y ) n g ，o ，y ) = 妒，即任何两个子区域不存在公共元素。 d ) 区域满足一定的均匀性条件。均匀性一般指同一区域内的像素点之间 的灰度值差异较小或灰度值的变化较缓慢或纹理相似性。 图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤，只有在图像分割的基础上 才髓实现目标分离，特征提取和参数的测量从而将原始图像转换为更抽象的形 式，使得高层的分析和理解成为可能。 图像分割是图像处理中的主要问题，也是计算机视觉领域低层次视觉中的 主要问题，同时它又是一个经典问题，由于问题的重要性和困难性，从七十年 代起图像分割问题就吸引了很多图像处理和机器视觉界的研究人员为之付出 了巨大的努力，但目前为l 匕大部分研究成果都是针对某一类型图像分割。 图像的形式又多种多样，根据图像的种类，我们选取不同的方法对图像进 行处理。图像分割一般的三个基本途径： a ) 基于区域的分割： b ) 基于边缘检测的分割： c ) 边缘和区域相结合的分割。 本文就这三种途径分别分析竹材细胞壁显微结构图像的处理，并结合竹材 2 0 图像的特性提出自己的处理方法一窗口过滤法，本方法将在第五章中详细介绍。 4 1 。1 基于边缘检测的分割 基本思想是先检测图像中的边缘点，再按一定策略，从而构成分割区域。 在竹材图像中分割区域与被分割区域，都属于网状结构，难度存在于边缘位置 点的分辨。或者说不能用这种的方法处理。 4 1 2 基于区域的分割 基本思想是根据图像的特征将图像空间划分为不同的区域。常用的特征包 括：原始图像中的灰度、颜色变得来的特征。方法有阀值法、区域生长法、聚 类法、松弛法等。 1 几种方法的简单介绍 a 1 阀值法通过设定不同的特征阀值，将像素点分为若干类，其难点在于阀 值的设定。 b 1 聚类法在特征空间对像素点进行聚类。由于缺乏对像素点的拓扑关系的 考虑，往往进行后处理，这一问题处理体现在本文纹理图像的分割。 c ) 区域生长从一个已知点开始，加上与己知点相似的临近点形成为一个区 域。这个相似性准确可以是灰度级、色彩、组织、梯度或者其他属性，相似性 测量可以由确定的阀值来判断，它的方法是从满足检测准则点开始，在各个方 向向上生长区域，当其邻域满足检测准则就并入小块区域，当新的点被合并后， 再用新的区域重复这一过程，直到没有可按受的临近点生长过程为止。 d ) 松弛法是一种动态调伏的标号方法。把对应不同目标的标号分别负于图 像中每个像素，根据相邻像素之间的相容性，通过的迭代调整标号，直到收敛。 这些方法中阀值法实用又方便，在大多数图像处理中，是首选的方法之一。下 面详细介绍应用阀值法分割普通图像与竹材细胞壁显微结构图像的处理效果。 2 阀值法分割 阀值法是把图像灰度分为不同的等级，然后用设置灰度门限的方法确定有 ( a ) 原图 ( b ) 直方图( c ) 阀值分割 图4 1 单一阀值分割的效果图 意义的区域。假定一幅图像如4 1 ( a ) ，它的直方图为图4 。l ( b ) 所示，由直 方图可以知道图像的大部分像素值分布情况，灰度的集中部分代表图像的某个 区域。取一个合适的阀值，大于阀值的像素点保留，小于阀值的剔除，这样就 可以达到分割图像目的。 对于灰度变化复杂的图像，在多数情况下利用单一阀值不能得到比较好的 分割结果