基于速度修正插值法的木材径切面缺陷成像方法与流程

本发明涉及木材无损检测技术领域，尤其是涉及一种可快速、准确对树木径切面缺陷成像的基于速度修正插值法的木材径切面缺陷成像方法。

背景技术：

随着计算机技术、传感技术及无损检测技术的发展，树木物理、力学性质和缺陷的检测技术也上升到了新的高度。对于木材径切面的成像方法的研究，也逐步的进入了林业科研人员的视野当中。

现有技术的应力波无损检测技术存在如下缺点：以横截面为主对木材内部进行检测，不能很好的反映树木内部径向上的缺陷情况，不能直观反映缺陷在树干中的位置及其范围大小。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了克服现有技术中横截面成像方法无法直观反映缺陷的不足，提供了一种可快速、准确对树木径切面缺陷成像的基于速度修正插值法的木材径切面缺陷成像方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于速度修正插值法的木材径切面缺陷成像方法，包括如下步骤：

(1-1)建立材径切面的模型；

(1-2)测量应力波在传感器间的传播时间，计算传播速度实验值；

(1-3)对传感器测量的速度数据进行修正；

(1-4)将传感器间的线速度转换成交点的点速度；

(1-5)基于交点的速度和坐标，利用插值算法进行成像。

本发明首先建立木材径切面的模型，然后测量得到应力波在传感器间的传播时间并计算其传播速度，对传感器测量的速度数据进行修正，将传感器间的线速度转换成特殊点的点速度，根据特殊点的点速度及其坐标运用插值方法进行成像。

本发明具有成像准确度高，成像速度快的特点。

作为优选，步骤(1-1)包括如下步骤：

(2-1)选取树木，测量树木高度为h处的周长和直径d，将m个应力波传感器分别由1至n，其中m＝2n，由上到下的放置在树木横截面右侧，第n+1至m个传感器由下至上的放置在树木左侧；记录每个传感器与地面或某一参考点的高度hi，1≤i≤m；

(2-2)建立树木的径切面坐标模型，以左下角的传感器为坐标的原点，即第n+1个传感器，每个传感器的位置用坐标s(xi，yi)表示；得到任意两个位于不同侧的传感器与水平面所成的角度θjk，其中n+1≤j≤m，1≤k≤n。

作为优选，步骤(1-2)包括如下步骤：

使用脉冲锤按照第1应力波传感器至第m应力波传感器的顺序进行敲击，记录被敲击的应力波传感器之外的其它应力波传感器收到应力波的时刻，计算得到每条应力波传播路径的传播速度实验值

作为优选，步骤(1-3)包括如下步骤：

利用公式对进行修正，表示修正后的速度数据，k0是常数。

作为优选，步骤(1-4)包括如下步骤：

(4-1)列出两两传感器之间的连线的直线方程ljk；得到两两传感器之间连线交点的坐标c(xc，yc)；将传感器之间的线速度转换成交点的速度重复步骤(4-1)直到径切面上所有交点的坐标和点速度均已求解。

作为优选，步骤(1-5)包括如下步骤：

(6-1)基于径切面所有交点的坐标c’(xc，yc)和点速度利用空间插值方法对树木的径切面进行插值，在径切面上的选取点速度未知的待插值点在距离该插值点最近的邻域内选择g个已知点速度的计算待插值点的速度大小其中0＜i1＜(h0-hn)*d；重复步骤(6-1)计算出径切面内所有待插值点的速度；

(6-2)对于平面内所有点的速度数据，根据速度大小的差异，从小到大分别映射到红黄绿三种颜色上，完成对木材径切面的缺陷的成像；分别求出中最大的速度vmax和最小的速度vmin；用e表示木材的缺陷程度，利用公式计算e；当0≤e≤w时，将e映射到红色和黄色之间的某种颜色，当w＜e≤1时，将e映射到黄色和绿色之间的某种颜色来表示树木的缺陷情况。

作为优选，传感器位置坐标s(xi，yi)的计算方法如下：

当1≤i≤n时，xi＝d/2，yi＝hi-hn/2+1；

当n+1≤i≤m时，xi＝0，yi＝hi-hn/2+1；

角度θjk的计算方法如下：

如果hj＞hk，那么θjk就可以表示为：

当hk＜hn/2+1时，

当hk＞hn/2+1时，

如果hj＜hk，那么θjk就可以表示为：

作为优选，利用两点间的距离公式计算出在每个径切面中被敲击的应力波传感器和其它应力波传感器之间的距离d，或者根据所求的的角度θjk来确定该角度对应两个传感器的距离d，计算公式如下：d＝d/sin(θjk)；

计算机记录脉冲锤敲击应力波传感器的时刻t1，其它应力波传感器收到应力波信号的时刻t2；

用公式计算

作为优选，设传感器间连线的直线方程为：

ljk＝(-1)^r*tan(θjk)*x+bjk；

其中x表示ljk中任意两直线交点的横坐标；如果hj＞hk，r＝1；如果hj＜hk，r＝2；bjk＝hj；

设两条直线方程y1，y2为：

y1＝k1*x+b1，y2＝k2*x+b2，k1＝k2＝(-1)^r*tan(θjk)；其中(y1，y2)∈ljk，利用公式计算c(xc，yc)的坐标xc和yc；

利用公式计算速度其中，vl1至vln分别表示每条经过交点c(xc，yc)的线段所具有的线速度，其中有假设径切面上有n1个交点c(xc，yc)，则0＜α≤n1。

作为优选，将距离待插值点最近的g个已知点的速度0＜g＜n1，根据与待插值点的距离大小排序得到新的序列用表示，表示第u个与待插值点距离最近的已知点的速度，其中1≤u≤g，表示与待插值点距离最近的已知点的速度，表示与待插值点距离最远的已知点的速度，利用公式

计算待插值点的预估值；其中，为邻域内已知点的速度，dumax为第u个与待插值点的距离最远的已知点与待插值点的距离，同时d1max，d2max，...，dumax是一个递减的序列，d0max＝0，dz表示第z个与待插值点的距离最近的已知点。

因此，本发明具有如下有益效果：成像准确度高，成像速度快。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的树木实物及传感器布置图；

图3是本发明的树木径切面模型图；

图4是本发明的未经修正的线速度示例图；

图5是本发明的修正后的线速度示例图；

图6是本发明的线速度转换成交点速度的示例图；

图7是本发明的树木的径切面缺陷成像效果图；

图8是本发明的一种流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图8所示，一种基于速度修正插值法的木材径切面缺陷成像方法，包括如下步骤：

步骤100，测量树木的直径，布置传感器并测量传感器的位置

选取树木，测量树木高度为h处的周长和直径d。将12个应力波传感器分别由1至6，由上到下的放置在树木横截面右侧，第7至12个传感器由下至上的放置在树木左侧。同时记录下每个传感器与地面的高度hi(1≤i≤m)；

步骤200，根据测量的树木直径、传感器位置建立木材径切面模型，然后求s(xi，yi)以及角度θjk。

建立树木的径切面坐标模型，以左下角的传感器为坐标的原点，即第7个传感器。每个传感器的位置可以用坐标s(xi，yi)，来表示。通过计算也可以得到任意两个位于不同侧的传感器与水平面所成的角度θjk，其中7≤j≤12，1≤k≤6；

步骤300，利用应力波传感器测量并计算得到传播速度实验值

使用脉冲锤按照第1应力波传感器至第12应力波传感器的顺序进行敲击，记录被敲击的应力波传感器之外的其它应力波传感器收到应力波的时刻。计算得到每条应力波传播路径的传播速度实验值

步骤400，将测量速度进行修正得到

任意两个应力波传感器之间可以形成一条应力波传播路径，k0表示一个常数与应力波纵向传播速度vl和横向传播速度vr有关，利用公式对测量得到的速度数据进行修正，表示测量得到的速度数据，表示修正后的速度数据；

步骤500，通过两两传感器连线的直线方程ljk计算得到交点c(xc，yc)，同时将线速度转换交点的速度

将两两传感器之间的连线所形成的直线方程ljk求出；就可以得到两两传感器之间连线交点的坐标c(xc，yc)；将传感器之间的线速度vl通过计算转换成交点的速度假设径切面上有n1个交点c(xc，yc)，则0＜α≤n1。重复步骤500，直到所有交点坐标以及都已求解。

步骤600，在木材径切面上选取一个点，在其周围选取距离最近的4个交点

通过选取点的坐标，以及上面步骤求得的交点坐标c(xc，yc)，利用距离公式求得距离最近的4个交点，并计算该预估点与4个交点的距离di(1≤i≤4)。

步骤700，求取该预估点的速度

根据求得的距离di并排序得到递减的d1max，d2max，...d4max序列，然后结合求得的4个交点的速度计算得到新的用表示。通过公式计算可以得到该预估点的速度

步骤800，将该预估点的速度映射到红黄绿之间的某种颜色

将得到的平面内所有点的速度数据，根据速度大小的差异，从小到大分别映射到红黄绿三种颜色上，以此完成对木材径切面的缺陷的成像。分别求出中最大的速度vmax和最小的速度vmin；带入公式当0≤e≤0.5时，将e映射到红色和黄色之间的某种颜色，当0.5＜e≤1时，将e映射到黄色和绿色之间的某种颜色来表示树木的缺陷情况，并将该点标记为已完成成像的点，i1自加1。

步骤900，判断径切面上所有点的速度是否均已求解

通过遍历所有径切面上的点，如果所有点均已成像完毕，则结束。如果找到未完成的点(即0＜i1＜(h0-hn)*d)，则转入步骤600，直至所有点均成像完毕。

其中，传感器位置坐标s(xi，yi)的计算方法如下：

当1≤i≤n时，xi＝d/2，yi＝hi-hn/2+1；

当n+1≤i≤m时，xi＝0，yi＝hi-hn/2+1；

角度θjk的计算方法如下：

如果hj＞hk，那么θjk就可以表示为：

当hk＜hn/2+1时，

当hk＞hn/2+1时，

如果hj＜hk，那么θjk就可以表示为：

通过传感器坐标s(xi，yi)，利用两点间的距离公式计算出在每个径切面中被敲击的应力波传感器和其它应力波传感器之间的距离d，或者根据所求的的角度θjk来确定该角度对应两个传感器的距离d，计算公式如下：d＝d/sin(θjk)；

计算机记录脉冲锤敲击应力波传感器的时刻t1，其它应力波传感器收到应力波信号的时刻t2；

用公式计算

通过传感器坐标s(xi，yi)，两两传感器之间的角度θjk，树木的直径以及各传感器离地高度hi可以根据以下公式计算出传感器间连线的直线方程ljk；

ljk＝(-1)^r*tan(θjk)*x+bjk

其中x表示ljk中任意两直线交点的横坐标；如果hj＞hk，r＝1；如果hj＜hk，r＝2；而bjk＝hj；

通过已知的直线方程ljk，假设两条直线方程为：y1＝k1*x+b1，y2＝k2*x+b2(k1＝k2＝(-1)^r*tan(θjk))；那么就可以通过以下公式计算出c(xc，yc)的坐标，xc就可以表示为：交点的纵坐标yc可以表示为：

将传感器之间的线速度vl通过计算转换成交点的速度用以下公式来确定交点的速度：vpα＝max(vl1，vl2，...，vln)；其中vl1至vln分别表示每条经过该交点的线段所具有的速度，假设径切面上有n1个交点c(xc，yc)，则0＜α≤n1。

将距离待插值点最近的g个已知点的速度根据与待插值点的距离大小排序得到新的序列用表示，表示第u个与待插值点距离最近的已知点的速度。其中1≤u≤g同时表示与待插值点距离最近的已知点的速度。表示与待插值点距离最远的已知点的速度。利用公式计算待插值点的预估值；其中为邻域内已知点的速度，dumax为第u个与待插值点的距离最远的已知点与待插值点的距离，同时d1max，d2max，...，dumax是一个递减的序列，d0max＝0，dz表示第z个与待插值点的距离最近的已知点，其中g表示邻域内参与插值计算的已知点的个数，0＜g＜n1。

实例：

实验采用如图2所示的木材，将传感器分别放置在树木的两侧，右边从上到下分别是1-6号传感器，左边从下到上分别是7-12号传感器，每个传感器的间隔为10cm，即hi+i-hi＝10cm；

实验时每次使用脉冲锤依次敲击1-12号传感器，记录应力波在各个传感器之间的传播时间。为保证数据的准确性，采用每个传感器敲击三次求取平均时间。

具体实验步骤如下：

步骤一，将传感器分别放置在树木的两侧，右边从上到下分别是1-6号传感器，左边从下到上分别是7-12号传感器，记录下木材的周长、传感器间的距离以及相互间的角度数据，输入电脑形成如图3的木材径切面的模型。

步骤二，将传感器与电脑连接，通过敲击传感器可以获得该传感器到达其他传感器所使用的时间，可以计算得出传感器间的速度数据。有效的数据共有36组。

步骤三，将得到的应力波速度数据根据速度不同映射到不同颜色如图4所示，然后在将进行修正，利用公式得到修正后速度在将其映射可以得到修正后得到修正后的线速度图如图5所示。

可以看到未修正的速度线图，并不符合实际的情况。根据实际情况可以看到缺陷是位于2、6号传感器以及7、11号传感器之间的，而未修正的速度线图并不能很好地反应该缺陷情况；修正后的速度线图能够比较直观的看到，当应力波经过缺陷区域时，速度是下降的呈现偏向红色的低速状态，而完好区域呈现偏向绿色。

步骤四，将两两传感器之间的连线所形成的直线方程ljk求出；就可以得到两两传感器之间连线交点的坐标c(xc，yc)；将传感器之间的线速度通过计算转换成交点的速度并用不同颜色给予点速度的成像，如图6所示。

步骤五，在径切面上的按顺序选择点速度未知的待插值点利用坐标c(xc，yc)以及其对应的点速度对树木的径切面进行插值。选取距离该插值点最近的4个已知点速度的点将根据与待插值点的距离大小排序得到序列计算预估点与该四个点的距离分别为di以及dimax；利用公式求出该待插值点的速度大小

步骤六，遍历径切面上所有的点，按照速度的大小映射到不同颜色中，重复步骤五和六，知道所有的点都已经成像。

结合图2真实缺陷情况和图7的缺陷成像结果来看，该发明方法可以比较好的还原出缺陷的位置、大小、以及大致的形状，印证了本发明的的可行性。

本发明可以有效的对木材径切面的缺陷进行成像，成像结果准确并快速，能够比较好的还原缺陷的位置、大小。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。