基于挠度图像辨识的木材弹性模量校正研究

标图像大小的矩形，对经过二值化处理后的原始图像进
行裁剪，获取目标区域图像。受采光等外界环境影响，经
上述处理后的图像仍存在会影响到后期目标曲线提取与
分析的噪声区域，文中利用式（1）算法对目标区域图像进
行去噪处理：
嗓 园,i, j；
（I i，j）越 1,a<i<b,c< j<d。
（员）
式中：I(i, j)为图像像素值；i为图像矩阵的行向量；j为图像
LAI Fei, WANG Minghua, LI Xiaosong, DING Rui, LUO Ruihan, DENG Tingting, LI Ming
(School of Mechanical and Transport, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
基于挠度图像辨识的木材弹性模量校正研究
赖菲， 王明华， 李晓崧， 丁锐， 罗蕊寒， 邓婷婷， 李明 （西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）
摘 要：针对木材弯曲试验中因万能力学试验机测定应变与试件挠度变化不同步而导致测得的弹性模量不精确的问题，
矩阵的列向量；a<i<b，c< j<d为噪声所在区域。
1.2.2 提取目标曲线计算挠度
为获取试件中间位置的挠度变化进而修正载荷曲
线，需要将目标区域图像中的目标曲线单独分割出来。对
于有2 mm厚度的中心线来说，厚度过大不利于后期处理
图像矩阵和获取挠度数据，为了达到更快的处理效果，对
有厚度的中心线所对应的矩阵均值化，并平滑处理。编程
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中心线
力学试验装备 载荷
镜头为2.8~12.0 mm，
分 辨率为1920伊1080
试件
@60FPS, 试 验 的 示 意
图如图1所示。
1.2 试验方法
用于存储矩阵行向量，对图像矩阵中中心线的行向量均
值化后赋值于b（j）函数中。
通过以上的图像处理，最终得到了标记的目标曲线
图像，图像记录了试件受载时中心线弯曲变化全过程，通
过分析试件图像的挠度，利用式（5）转化成试件受载的实
际挠度：
泽（j）越（扎原藻）/凿。
（5）
式中：泽（j）为存储实际挠度；z为图像矩阵中目标曲线所在
采集图像的时间与实际挠度对应可获取试件受载的时
间-挠度曲线，如图3所示。
（c）对第 1 张图像二值化并裁剪
（a）第 1 张图像
（d）对第 178 张图像二值化并裁剪 （e）第 1 张图像提取出的目标曲线
（b）第 178 张图像张图像 （f）第 178 张图像提取出的目标曲线 图2 图像预处理提取目标曲线
行向量；e为试验最初图像矩阵中目标曲线的行向量；d为
经过平均试验得到的单位行向量对应实际挠度的倒数。
1.2.3 基于载荷-挠度曲线的弹性模量校正
原载荷-挠度曲线是榉木试件在三点弯曲至断裂全
过程中万能力学试验机系统导出的位于压头处试件上表
层的载荷-挠度曲线，直接利用该载荷-挠度曲线来计算
试件的弹性模量，无法客观地表征材料的弹性力学性能。
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员圆 y越园.园远6t-0.46 员园
愿
远
源 y2
圆
拟合直线 y
y1
园 园 员愿 猿远 缘源 苑圆 怨园 员园愿 员圆远 员源源 员远圆 员愿园
即修正的载荷-挠度曲线f。
通过图像处理的方法测定了试件中心线跨度中点的
实际挠度，修正了载荷-挠度曲线，在载荷-挠度曲线比例
极限内，弹性模量计算公式[10]为
猿
酝韵耘越（ 孕 ）·（ 造 ）。
驻
猿
源遭澡
（远）
式中：P为在弹性极限范围内所截取的载荷-挠度曲线的
上下载荷差；驻为试件中部的挠度；l为跨度；b 为试件宽
利用图像处理技术分析试验图像可得试件中心线跨度中
点的实际挠度，从而修正载荷-挠度曲线。
已知相机的采集频率为1 帧/s，利用式（5）得到了中
心线跨度中点的实际挠度，结合图像的采集时间，可得试
件中心线跨度中点的时间-实际挠度曲线。再通过线性拟
合得到时间与实际挠度的方程y，原载荷-挠度-时间数据
中将时间参数代入y并消除可得实际挠度与载荷的关系，
基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目“温室玫瑰病虫 害图像识别模型研究”（2021Y224）
度，同步试件受载与试件挠度变化。 因此，本文从图像处理角度提出一种弹性模量的校正
方法。首先根据静态弯曲试验法标准标记试件的中心层 为目标区域，以便获取试件中部的变形，接着通过截取目 标图像、目标图像去噪声、提取目标曲线、挠度计算等图 像处理步骤获得试件标记处的挠度并得到挠度与时间的 关系，然后用万能力学试验机获得的载荷与时间的关系 及图像处理获得的挠度与时间的关系，消去时间参数后 得到标记处的载荷-挠度关系曲线。最后在弹性极限范围 内，利用修正的载荷-挠度曲线进一步获取木材弹性模量。 1 材料与方法 1.1 试验材料与设备
提出一种基于挠度图像辨识的木材弹性模量校正方法。通过对试件进行三点弯曲加载试验，试验结果表明，利用图像处理
修正前后，3组试件的弹性模量分别为8.22、8.35、8.93 GPa和11.24、11.47、14.60 GPa。说明万能力学试验机所测木材弹性
模量相对保守，使用图像处理得到的载荷与挠度关系较原载荷-挠度曲线合理，该研究为静态弯曲载荷下的木材弹性模量
时间/s
图3 试件不同位置的时间-挠度曲线
图3是试验1的试件中心线跨度中点的时间-挠度曲 线和原时间-挠度曲线对比图，y1为万能力学试验机导出 的原时间-挠度曲线，y2为利用图像处理提取的试件中心 线跨中位置的时间-挠度曲线，y为对时间-挠度曲线y2进 行线性拟合后的修正时间-挠度曲线。
根据时间-挠度曲线y2可知，试件中心线跨中位置的 挠度变化与时间之间不存在完全线性关系，大约7 s时，中 心线跨中位置才开始出现挠度变化，而时间-挠度曲线y1 就已经发生人眼可以辨识的变形。这是因为木材是一种 疏松多孔的复合材料，加载初期，载荷作用只是使得试件 表面的木质纤维被压入材料内部，从而在表面形成压溃 现象，而对于试件中心线位置并无影响。此后随着载荷的 持续作用，木材内部未发生损伤的木质纤维受到来自表 面纤维的挤压作用，层层向材料内部扩展，材料内部原本 分布相对分散的纤维被迫聚集在一起，使得木材的力学 特性发生变化，有了较强抵抗载荷破坏的能力，对于载荷 的作用出现了局部屈服现象，因而时间-挠度曲线y2出现 多次的拐点。
0 引言 木材的弹性模量作为反映木材抵抗弹性变形能力的
基本特征参数，在一定程度上代表了木材弹性力学性能 的综合情况，准确获取木材的弹性模量是进行木材再加 工并将其应用于工程实际的基础。
目前在有关木材弹性模量测量方法中，常用的测试 方法分为静态法和动态法，其中标准测试方法为静态弯 曲试验法[1-3]。于金财等[4]和饶鑫等[5]通过万能力学试验机 进行三点静态弯曲试验测得木材的静态弹性模量；Llic等 [6]和 Yang等l[7]研究发现利用静态三点弯曲试验测得的弹 性模量平均值大于动态弹性模量；房友盼等[8]分别利用静 态弯曲法和动态法研究了试件宽度对木材弹性模量的影 响；Wang等[9]选取4种针叶材作为试验对象，通过应力波 和静态弯曲法探究了生材尺寸对动态弹性模量和静态弹 性模量的影响。然而木材是一种复杂的多孔复合非均质 材料，在弯曲试验初期，外部载荷只在木材表面形成压溃 作用，万能力学试验机测定的应变与试件挠度变化存在 不同步现象，无法测得真实的弹性模量。通过实时采集的 试验图像和后期图像处理可获取试件任意位置的受载挠
算法如下：式（2）用于获取带厚度的中心线所在图像矩阵
中的行向量，式（3）对记录的行向量均值化去除厚度，式
（4）重构标记目标曲线。
嗓 1,i=v；
（I i，j）-（I i+1，j）越 -1,i=w；
（2）
遭（躁）越 增垣憎 ； 圆
（猿）
嗓 1,i，j；
（I i，：I(i, j)是图像矩阵I中位于第i行、第j列的像素值；v、w
的校正提供了借鉴。
关键词：木材；弹性模量；图像辨识；挠度；校正
中图分类号:TN 911.73
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园21）07原园058原园4
Research on Wood Elastic Modulus Correction Based on Deflection Image Identification
均值化其行向量，最后再重构出这条中心线就提取出如
图2（e）、图2（f）所示的目标曲线。获取目标曲线图像后，结
合式（5），试件受载后目标曲线弯曲产生挠度，对应曲线
图像的矩阵行向量变化，当列向量一定，通过计算该矩阵
行向量与试验初始图像矩阵行向量的差，又已知单位行
向量对应实际挠度可计算得试件受载的实际挠度。根据
Abstract: To solve the problem that the measured value of wood elastic modulus is inaccurate due to the unsynchronized strain and the deflection measurement by universal mechanical testing machine in wood bending test, this paper proposes a correction method of wood elastic modulus based on the deflection image identification. The test results show that before and after image processing and correction, the elastic modulus of the three groups of specimens are respectively 8.22、 8.35、8.93 GPa and 11.24、11.47、14.60 GPa. It shows that the wood elastic modulus measured by universal mechanical testing machine is conservative, and the relationship between load and deflection obtained by image processing is more reasonable than the original load-deflection curve. This study provides reference for revising the elastic modulus of wood under static bending load. Keywords: wood; elastic modulus; image identification; deflection; correction
度；h为试件厚度。
2 结果与分析
图2是试验1的原始CCD图像经过图像预处理提取目
标曲线的阶段图像，图2（a）、图2（b）经过图像预处理锁定
出目标区域图像分别是图2（c）、图2（d）。图像去噪后利用
提取目标曲线的式（2）、式（3）、式（4）处理目标区域图像
矩阵中带厚度的中心线，首先确定它所在的行向量，然后
选择榉木作为试验材料，3组试件尺寸均为300 mm伊 20 mm伊20 mm（长伊宽伊厚）,密度分别为0.755、0.716、0.703 g/cm3，气干状态下绝对含水率稳定在14.3%左右。在试件 正对工业相机一侧的中心位置沿长度方向绘制一根300 mm伊2 mm（长伊厚）的直线，通过图像处理技术分析这根 中心线的挠度以得到试件中部的变形情况。采用 UTM5105型电子万能力学试验机对试件进行三点弯曲加 载试验，加载速度为5 mm/min，跨距设置为200 mm，同时 利用UC30工业相机采集试件受载的实时图像，实现CCD 图像与力值数据的同步采集，相机的采集频率设为1 帧/s，
1.2.1 图像预处理
悦悦阅
试验采集的原始
图像大小为800 dpi伊
计算机
图1 三点弯曲试验示意图
600 dpi，为了将试件 从背景中分离，文中 利用Hought变化将图
像域中检测到的直线转换成参数域的检测点，并通过对
离散点的累计统计完成直线检测，从而确定试件所在区
域的目标图像的大小；在此基础上，利用rect函数生成目