摘 要

木材是一种天然的生物质材料，有着许多自身的缺陷，这些木材缺陷会在不同程度上影响木材的材质，使木材的价值降低或者完全丧失。其中节子就是木材表面的缺陷之一，因此检测木材表面的节子就变得十分有意义。

几十年以来，人们一直致力于用各种方法测量木材表面的缺陷。早在20世纪50年代初，随着美国、加拿大等国家木材工业迅速发展，北美率先开始了木材无损检测的研究和应用。我国在20世纪70年代末期开始应用X射线检测方法对木材缺陷进行了实验性研究。随着电子、光学和计算机技术的不断发展，到目前为止应用到木材性质的无损检测技术已经达到几十种，如超声波检测、射线检测、核磁共振检测等。

基于光谱仪的木材表面节子的检测可以优化木材资源、提高木材的利用率。借助光谱仪检测木材表面的节子，可以直观地获得木材表面相应的图像信息，并且将之转化为数字信息，便于进一步的分析与研究。本论文介绍了检测木材表面的缺陷的技术在国内外的研究现状、光谱仪的原理、SpectraSmart(五铃光学）软件的使用步骤、支持向量机（SVM）以及LIBSVM的使用原理、检测木材表面的节子这一实验的具体步骤以及对实验所得数据的处理方法，具体而形象地解析了实验过程中每一步的目标与意义，便于读者去理解与掌握。通过综合而系统地分析该领域已有的研究，表明基于光谱仪的木材表面节子的检测在木材研究中具有良好的前景。

关键词：木材；节子；光谱仪；支持向量机；反射率

Detection of Wood Surface Knots Based on Spectrometer

ABSTRACT

Wood is a nature biomass material with lots of defects itself.These defects have impacted on the quality of wood products to some degree, which may lead to the reduction of wood value, or even cause them to be useless any more.Knot is one of the defects on the surface of wood, so it becomes meaningful to inspect knots on wood surface.

For decades, people have been working on various methods to measure wood surface defects. As early as the early 1950s, with the rapid development of the timber industry in the United States, Canada and other countries, North America took the lead in the research and application of wood non-destructive testing. China in the 20th century, the late 70s began to use X-ray detection of wood defects in the experimental study. With the continuous development of electronics, optics and computer technology, so far applied to the nature of the wood non-destructive testing technology has reached dozens, such as ultrasonic testing, ray detection, nuclear magnetic resonance detection.

The detection of wood surface knots based on spectrometers can optimize wood resources and improve the utilization of wood. With the purpose of the spectrometer to detect the knots of the wood surface, the corresponding image information of the wood surface can be obtained intuitively and transformed into digital information for further analysis and research. This paper introduces the research status of the technology of detecting the defects of wood surface at home and abroad, the principle of spectrometer, the steps of usage of spectra smart software, the support vector machine (SVM) and the theory of using LIBSVM, the specific steps of the experiment to detect the surface of the wood and the method of processing the experimental data, analysis each step in the process of the objectives and significance concretely and vividly, to facilitate the reader to understand and master. Through the comprehensive and systematic analysis of the existing research in this field, it is shown that the detection of wood surface knots based on spectrometers has a good prospect in wood research.

Key words：Wood; knot; support vector machine; reflectivity

目 录

1 前言 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 振动法检测 1

1.2.2 应力波检测 2

1.2.3 超声波检测 2

1.2.4 计算机断层扫描技术检测 3

1.3 本文的主要工作 3

2 相关原理介绍 5

2.1 前言 5

2.2 高光谱成像原理 5

2.3 光谱仪 5

2.3.1 光谱仪简介 5

2.3.2 光电扫描现状 6

2.3.3 OTO光谱仪介绍 6

2.4 SpectraSmart（五铃光学）软件 7

2.4.1 SpectraSmart简介 7

2.4.2 反射率测量原理 7

2.4.3 反射率测量步骤 8

2.5 支持向量机（SVM） 11

2.5.1 支持向量机简介 11

2.5.2 LIBSVM简介 11

2.5.3 LIBSVM的使用 12

2.6本章小结 14

3 实验 15

3.1 实验目的 15

3.2 实验所用器材 15

3.5 数据处理 19

3.5.1 绘制曲线图 19

3.5.2 支持向量机（SVM）处理数据 22

3.5.3 得出结论 32

3.6 本章小结 32

4 总结与展望 34

4.1 全文总结 34

4.2 展望 35

4.2.1 加强光谱仪检测技术在木材表面检测中的应用研究 35

4.2.2 开发便携式、预测准确地光谱仪成像检测仪器 35

致 谢 36

参考文献 37

1 前言

1.1 课题研究背景

随着我国经济的快速发展，木材的需求量一直呈上升趋势，这表明木材行业的发展欣欣向荣，同时也导致了森林资源的严重紧缺。因此在解决森林资源紧缺这一问题上，除了要合理采伐森林之外，如何提高木材的品质以及利用率已经成为木材行业的首要任务^[2-5]。

木材是一种天然的生物质材料，有许多自身的缺陷，这些自身的缺陷对木材的材质有着很大的影响，例如节子，而检测节子是本课题研究的重点。一直以来人们寻找各种方法来识别节子，其中比较多的是采用机器视觉^[16]进行识别木材节子，但是在检测的过程中，环境光对是个识别的正确率有影响^[7]。

本次研究采用了光谱仪来检测木材表面的节子的方法，检测了木材表面的节子、裂纹、心材以及正常部分的反射率，并且选取380~1000nm^[9]这一波段的数据进行后期的处理与研究。通过本课题的研究，可以发现一些木材缺陷的规律，为木材行业的发展与改善提供一些参考与帮助。

1.2 国内外研究现状

国内外对于木材的识别检测方法^[15]多种多样，其中常见的方法有振动法检测^[1]、应力波检测^[11]、超声波检测^[11-14]和计算机断层扫描技术检测^[1]。多年来，国内外众多研究者分别利用这些方法进行了研究。

1.2.1 振动法检测

2002年，Brancheriau等人总结了利用木材固有频率测定木材的弹性模量的基础理论；从理论的角度阐述了该方法检测木材弹性模量的可行性。