CN114742837A - 基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助仪器及方法 - Google Patents

基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助仪器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器及方法，红外摄像头和投影头安装在外壳的外表面，外壳的内部设置有电源、处理器模块、散热模块、数据线组。本发明先采用红外摄像头扫描待加工的木材表面，得到木材蛀洞红外图像；通过处理器模块处理后，得到木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线；通过对等温曲线图像的分析，计算得到木材内部蛀洞位置信息；将木材蛀洞位置信息进行可视化图像渲染重建，然后通过投影头把木材蛀洞信息图像的成像投影到木材表面上。本发明可以对木材深层信息进行采集，实现木材内部状态从不可视化到可视化，并加强与木雕艺术工作者的互动，提高木材艺术品的加工质量与效率。

Description

基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助仪器及方法
技术领域
本发明属于新一代信息技术领域，具体涉及基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助仪器及方法。
背景技术
木材艺术品是具有一定艺术属性和文化内涵，能够满足人民群众日常生活所需，具有装饰、观赏性功能的商品。一件高质量的木材艺术品，不仅需要高超的加工手艺，还需要好的木材原材料。木材是一种天然材料，具有不耐虫蛀的缺点。蛀洞对于木材来说是不可避免的，而有蛀洞对木材艺术品的加工会产生极大的不利影响。由于蛀洞有时隐藏在木材的内部，我们的肉眼无法从木材表面看出木材里面是否有蛀洞。加工木材艺术品时，如根雕雕刻，如果木材里面有蛀洞，会影响木材艺术品的加工和最终呈现，甚至导致整个的木材艺术品加工失败，不能成为一件木材艺术品。现有的技术和发明中，没有可以有效解决此相关问题的仪器和方法，给木材艺术品加工带来诸多风险性和不利因素。专利CN 113658331 A公开了一种基于信息可视化技术的木雕手工艺保护方法，但其仅针对木材表面信息采集并通过显示屏交互进行模拟操作，并未对木材深层信息进行采集，也未对木材进行实际交互工作，因此难以有效的解决此问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助仪器及方法，可以对木材深层信息进行采集，实现木材内部状态从不可视化到可视化，并加强与木雕艺术工作者的互动，提高木材艺术品的加工质量与效率。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器，包括仪器外壳1、红外摄像头2、投影头3、启动开关4、电源5、处理器模块6、散热模块7、数据线组8。
如图1、2所示，红外摄像头2和投影头3安装在外壳1的外表面，外壳1的内部设置有电源5、处理器模块6、散热模块7、数据线组8；红外摄像头2和处理器模块6通过数据线组8相连接以进行数据交互，处理器模块6与投影头3通过数据线组8相连接以进行数据输出，电源5为红外摄像头2、投影头3、处理器模块6供电，散热模块7为投影头3和处理器模块6提供散热。
所述木材艺术品加工辅助仪器的应用，是先采用红外摄像头2扫描待加工的木材表面，得到木材蛀洞红外图像；通过处理器模块处理后，得到木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线；通过对等温曲线图像的分析，计算得到木材内部蛀洞位置信息；将木材蛀洞位置信息进行可视化图像渲染重建，然后通过投影头把木材蛀洞信息图像的成像投影到木材表面上，用光斑轮廓表示木材内部蛀洞的大小和形状，用颜色表示木材内部蛀洞的深度，使操作者肉眼可见。
一种基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，包括下述步骤：
（1）用红外摄像头扫描待加工的木材，得到木材蛀洞红外图像；
（2）对木材蛀洞红外图像进行图像预处理、图像分割及特征提取，获得木材蛀洞轮廓形态学梯度图，如图5（a）所示；
（3）建立木材蛀洞图像识别模型，将木材蛀洞轮廓形态学梯度图输入木材蛀洞图像识别模型；
（4）对木材蛀洞轮廓形态学梯度图进行分析，计算得到木材蛀洞位置信息，包括木材蛀洞大小、形状、深浅信息；
（5）将计算得到的木材蛀洞位置信息结合木材蛀洞轮廓形态学梯度图，进行图像可视化渲染重建；
（6）将渲染重建后得到的木材蛀洞图像通过投影头投影到木材表面，在木材表面显示出可视化的木材蛀洞图像，如图5（b）所示。
步骤（2）中，所述对木材蛀洞红外图像进行图像预处理，包括归一化、滤波、去噪等过程，使得到的红外图像数据不同色域边缘光滑平整，且不同色域边缘清晰度得到保证，公式如下：
Figure 334062DEST_PATH_IMAGE001
式中，c(ξ,x)表示为中心函数x与其邻近像素ξ的空间距离函数即空间权重，σ d 表示为空间距离标准差(σ d ＞0)，d(ξ,x)表示为像素间距离，s表示为相似权重，σ(f(ξ),f(x))表示像素值之间的距离，σ τ 表示为相似距离标准差(σ τ ＞0)，f(x)表示为整像素坐标输入图像，k(x)表示为滤波权值，h(x)表示为整像素坐标预处理输出图像即在像素点x处滤波后的值。
步骤（2）中，对预处理后红外图像数据进行图像分割、特征提取，得到木材蛀洞红外图像边缘轮廓图，获得木材蛀洞轮廓形态学梯度图，公式如下：
Figure 484551DEST_PATH_IMAGE002
式中，h表示为整像素坐标输入图像，（x,y）表示为图像上任意位置坐标，(s,t)表示为(x,y)的邻近点，b表示为结构元素，⊕表示为膨胀算子，
Figure 3389DEST_PATH_IMAGE003
表示为腐蚀算子，g表示为木材蛀洞轮廓形态学梯度公式。
步骤（3）中，所述建立木材蛀洞图像识别模型，是使用大量木材蛀洞图像数据作为训练集通过神经网络训练得到的。
步骤（4）中，对木材蛀洞轮廓形态学梯度图进行分析，把g(x,y)=n当做等值面同时也表示木材蛀洞大小，当符合以下公式且
Figure 213921DEST_PATH_IMAGE004
时木材内部蛀洞存在，
Figure 818209DEST_PATH_IMAGE005
时木材内部无蛀洞，
Figure 897023DEST_PATH_IMAGE006
时木材表面出现蛀洞，公式如下：
Figure 270367DEST_PATH_IMAGE007
式中▽g表示为梯度图像g(x,y)梯度变化最快的方向和变化量，
Figure 917380DEST_PATH_IMAGE008
表示为g(x,y)在x方向上的偏导，
Figure 743385DEST_PATH_IMAGE009
表示为g(x,y)在y方向上的偏导，T(n)表示为坐标（s,t）的集合可代表木材蛀洞位置区域，l为木材蛀洞中心单位方向，m表示为g(x,y)所有局部极小值坐标，
Figure 625890DEST_PATH_IMAGE010
表示为m坐标在木材蛀洞中心单位方向梯度幅值可代表木材蛀洞深浅。
步骤（5）中，所述将计算得到的木材蛀洞位置信息结合木材蛀洞轮廓形态学梯度图，是指先将木材蛀洞位置信息矩阵化，然后进行线性变换，从而将木材蛀洞位置信息转换为图像模态需要的特征向量尺寸即木材蛀洞信息特征向量，再与木材蛀洞轮廓形态学梯度图像特征向量拼接转化为木材蛀洞图像。
本发明的原理是：由于木材内部的蛀洞与周围材料的比热不同、环境变化温度不同，在木材表面形成温差，用红外摄像头2扫描和检测出的木材表面与木材内部得到不同色域即温差的红外图像数据，通过对图像数据处理可以得到如图5（a）所示木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线；然后输入到木材蛀洞图像识别模型中，同时对图像中的等温线密集区域、等温线中心区域密集程度大小以及等温曲线中心区域与边缘区域进行检测，等温曲线最密集的中心区域，就是木材存在蛀洞的位置，等温曲线的密集区域也反映了木材蛀洞的深浅和形状；等温曲线中心区域的轮廓表示蛀洞形状，若扫描检测出的蛀洞A12等温曲线中心位置区域9与边缘温度区域11相差越大，则表示木材内部的蛀洞越深，如投影蛀洞A12所示，越远离木材表面；反之，扫描检测出的蛀洞B13等温曲线中心位置区域10与边缘温度区域11温差越小，则表示木材内部的蛀洞越浅，如投影蛀洞B13所示，越靠近木材表面。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
（1）本发明在加工木材艺术品前，对木材进行高效准确检测扫描并直接通过投影的交互，使木材内部的情况呈现在木材表面，使人能肉眼看见木材内部的情况。
（2）本发明辅助木雕工作者在进行雕刻过程中避开蛀洞，或利用蛀洞进行巧妙的雕刻，增加木材艺术品的艺术性，提高木雕工作者的工作效率。
附图说明
图1为基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器正视图。
图2为加工辅助仪器侧剖视图。
图3为工作流程图。
图4为工作原理流程图。
图5为木材蛀洞形态学梯度图（a）及蛀洞投影效果图（b）。
其中，1、仪器外壳；2、红外摄像头；3、投影头；4、启动开关；5、电源；6、处理器模块；7、散热模块；8、数据线组；9、蛀洞A等温曲线中心位置区域；10、蛀洞B等温曲线中心位置区域；11、边缘温度区域；12、投影蛀洞A；13、投影蛀洞B。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但是，不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的一种基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器，可用于扫描检测木材内部的蛀洞，通过图像信息处理后，通过可视化重建将木材蛀洞信息投影到木材表面，使其肉眼可见。
一种基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器，如图1、图2所示，红外摄像头2和处理器模块6通过数据线组8相连接以进行数据交互，处理器模块6与投影头3通过数据线组8相连接以进行数据输出，红外摄像头2和投影头3并排安装在外壳1的外表面，电源5对红外摄像头2、投影头3、处理器模块6进行供电，散热模块7为投影头3和处理器模块6提供散热，启动开关4安装在外壳1外表面位置用于辅助仪器启动关闭。
所述木材艺术品加工辅助仪器的应用，如图3、图4所示，是先采用红外摄像头2扫描待加工的木材表面，得到木材蛀洞红外图像；通过处理器模块6处理后，得到木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线，然后将木材蛀洞轮廓形态学梯度图输入到处理器模块6里面的木材图像识别模型，自动识别木材蛀洞轮廓形态学梯度图；通过对等温曲线和中心温差的分析，计算得到木材内部蛀洞位置信息；由于木材内部的蛀洞与周围材料的比热不同、环境变化温度不同，在木材表面形成温差，用红外摄像头2扫描和检测出的木材表面与木材内部得到不同色域即温差的红外图像数据，通过对图像数据处理可以得到如图5（a）所示木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线；然后再通过输入到木材蛀洞图像识别模型中，同时对图像中的等温线密集区域、等温线中心区域密集程度大小以及等温曲线中心区域与边缘区域进行检测，等温曲线最密集的中心区域，就是木材存在蛀洞的位置，等温曲线的密集区域也反映了木材蛀洞的深浅和形状；等温曲线中心区域的轮廓初略表示蛀洞形状，若扫描检测出的蛀洞A12等温曲线中心位置区域9与边缘温度区域11相差越大，则表示木材内部的蛀洞越深，如投影蛀洞A12所示，越远离木材表面；反之，扫描检测出的蛀洞B13等温曲线中心位置区域10与边缘温度区域11温差越小，则表示木材内部的蛀洞越浅，如投影蛀洞B13所示，越靠近木材表面。将木材蛀洞位置信息矩阵化叠加到木材蛀洞轮廓形态学梯度图进行可视化图像渲染重建得到木材蛀洞图像如图5（b）所示，然后通过投影头3把木材蛀洞图像的成像投影到木材表面上，投影蛀洞A12所示为较深木材蛀洞，投影蛀洞B13所示为较浅木材蛀洞，用光斑轮廓表示木材内部蛀洞的大小和形状，用颜色表示木材内部蛀洞的深度，使操作者肉眼可见。
以上所述仅为本发明的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器，其特征在于：红外摄像头和投影头安装在外壳的外表面，外壳的内部设置有电源、处理器模块、散热模块、数据线组；红外摄像头和处理器模块通过数据线组相连接以进行数据交互，处理器模块与投影头通过数据线组相连接以进行数据输出；电源为红外摄像头、投影头、处理器模块供电，散热模块为投影头和处理器模块提供散热。
2.一种权利要求1所述的基于深层信息影像互动技术的木材艺术品加工辅助仪器的应用，其特征在于：先采用红外摄像头扫描待加工的木材表面，得到木材蛀洞红外图像；通过处理器模块处理后，得到木材蛀洞轮廓形态学梯度图即等温曲线；通过对等温曲线图像的分析，计算得到木材内部蛀洞位置信息；将木材蛀洞位置信息进行可视化图像渲染重建，然后通过投影头把木材蛀洞信息图像的成像投影到木材表面上，用光斑轮廓表示木材内部蛀洞的大小和形状，用颜色表示木材内部蛀洞的深度，使操作者肉眼可见。
3.一种基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）用红外摄像头扫描待加工的木材，得到木材蛀洞红外图像；
（2）对木材蛀洞红外图像进行图像预处理、图像分割及特征提取，获得木材蛀洞轮廓形态学梯度图；
（3）建立木材蛀洞图像识别模型，将木材蛀洞轮廓形态学梯度图输入木材蛀洞图像识别模型；
（4）对木材蛀洞轮廓形态学梯度图进行分析，计算得到木材蛀洞位置信息，包括木材蛀洞大小、形状、深浅信息；
（5）将计算得到的木材蛀洞位置信息结合木材蛀洞轮廓形态学梯度图，进行图像可视化渲染重建；
（6）将渲染重建后得到的木材蛀洞图像通过投影头投影到木材表面，在木材表面显示出可视化的木材蛀洞图像。
4.根据权利要求3所述的基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于：步骤（2）中，所述对木材蛀洞红外图像进行图像预处理，包括归一化、滤波、去噪过程，使得到的红外图像数据不同色域边缘光滑平整，且不同色域边缘清晰度得到保证，公式如下：
Figure 160106DEST_PATH_IMAGE001
式中，c(ξ,x)表示为中心函数x与其邻近像素ξ的空间距离函数即空间权重，σ d 表示为空间距离标准差(σ d ＞0)，d(ξ,x)表示为像素间距离，s表示为相似权重，σ(f(ξ),f(x))表示像素值之间的距离，σ τ 表示为相似距离标准差(σ τ ＞0)，f(x)表示为整像素坐标输入图像，k(x)表示为滤波权值，h(x)表示为整像素坐标预处理输出图像即在像素点x处滤波后的值。
5.根据权利要求3所述的基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于：步骤（2）中，对预处理后红外图像数据进行图像分割、特征提取，得到木材蛀洞红外图像边缘轮廓图，获得木材蛀洞轮廓形态学梯度图，公式如下：
Figure 978021DEST_PATH_IMAGE002
式中，h表示为整像素坐标输入图像，（x,y）表示为图像上任意位置坐标，(s,t)表示为(x,y)的邻近点，b表示为结构元素，⊕表示为膨胀算子，
Figure 415955DEST_PATH_IMAGE003
表示为腐蚀算子，g表示为木材蛀洞轮廓形态学梯度公式。
6.根据权利要求3所述的基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于：步骤（3）中，所述建立木材蛀洞图像识别模型，是使用大量木材蛀洞图像数据作为训练集通过神经网络训练得到的。
7.根据权利要求3所述的基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于：步骤（4）中，对木材蛀洞轮廓形态学梯度图进行分析，把g(x,y)=n当做等值面同时也表示木材蛀洞大小，当符合以下公式且
Figure 711939DEST_PATH_IMAGE004
时木材内部蛀洞存在，
Figure 184508DEST_PATH_IMAGE005
时木材内部无蛀洞，
Figure 173324DEST_PATH_IMAGE006
时木材表面出现蛀洞，公式如下：
Figure 98555DEST_PATH_IMAGE007
式中▽g表示为梯度图像g(x,y)梯度变化最快的方向和变化量，
Figure 198229DEST_PATH_IMAGE008
表示为g(x,y)在x方向上的偏导，
Figure 135092DEST_PATH_IMAGE009
表示为g(x,y)在y方向上的偏导，T(n)表示为坐标（s,t）的集合可代表木材蛀洞位置区域，l为木材蛀洞中心单位方向，m表示为g(x,y)所有局部极小值坐标，
Figure 419443DEST_PATH_IMAGE010
表示为m坐标在木材蛀洞中心单位方向梯度幅值可代表木材蛀洞深浅。
8.根据权利要求3所述的基于深层信息影像互动的木材艺术品加工辅助方法，其特征在于：步骤（5）中，所述将计算得到的木材蛀洞位置信息结合木材蛀洞轮廓形态学梯度图，是指先将木材蛀洞位置信息矩阵化，然后进行线性变换，从而将木材蛀洞位置信息转换为图像模态需要的特征向量尺寸即木材蛀洞信息特征向量，再与木材蛀洞轮廓形态学梯度图像特征向量拼接转化为木材蛀洞图像。
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