阔叶树材横切面构造的涨落谱分析

龙 涛，罗建举，孙建平

（广西大学，广西 南宁 530005）

阔叶树材横切面构造的涨落谱分析

龙 涛，罗建举，孙建平

（广西大学，广西 南宁 530005）

阔叶树材多用作室内装饰装修材料，主要是由于其组织构造复杂多变而具有较好的美学装饰价值。为了进一步探究木材的美学原理，运用傅立叶变换图像处理技术对6种具有典型管孔分布类型的阔叶树材横切面构造进行了涨落谱分析。结果表明6种阔叶树材横切面构造的涨落谱都与1/f涨落谱相近，特别是在8-12Hz频率段（对应于人体大脑的α波段）与1/f涨落谱几乎完全一致。这一结果进一步从理论上说明阔叶树材之所以更适合于用作室内装饰装修材料，是因为其表面构造呈1/f涨落。木材表面构造上这种接近于1/f涨落现象可以刺激人体大脑产生α节律波，从而让人获得舒适愉悦的美感。

阔叶树材；木材构造；横切面构造；涨落谱分析；1/f涨落谱

涨落（f l uctuation）是指一个物理系统处于热动平衡状态时，表征系统某种性质的物理量在其平均值附近作无规则微小变动的现象[1]。根据功率谱密度和频率在双对数坐标上的曲线所呈现的关系，可将自然界中的信号划分为三种类型：第一类信号的功率谱密度与频率之间无任何关系，功率谱密度曲线为水平直线，这是一种完全无规律的随机信号，称之为白色噪声或“白色涨落”；第二类信号的功率谱密度与频率具有很强相关性，这种信号称之为褐色噪声或“洛伦兹涨落”；第三类信号介于前面两类之间，其功率谱密度与频率具有一定的相关性，这种信号称为1/f噪声或“1/f涨落”，此时的功率谱密度曲线为斜率接近-1的一次函数图像[2]。近年来的研究发现，1/f涨落特性大量存在于生物系统中，并且与人的情感密切相关[3]。人体许多的生理信号同样具有明显的1/f涨落特性，而且人的视觉和听觉对1/f涨落信号有很好的认同感[4]。

人们观看事物时，图形的信息刺激人体感官，引起相应的神经活动，使脑电波发生变化而完成审美活动。人体脑电波中呈现出多种频率的波动，主要是1 Hz到30 Hz范围内，其中8～12 Hz称为α节律波。身体处于舒适状态时，脑电波会呈现出α节律波，此时是大脑的最佳状态[5]。王妍和任超世[6]的研究结果表明HRV的1/f涨落是由激素调节与自律性调节作用达到平衡过程中的动力学改变构成。前苏联生物学家阿拉巴特曾经指出，人们站在大海边之所以会感到心情舒畅、充满生机，是因为人体α节律波对海洋中8～12 Hz的次声波形成了一种响应。这就是说人们在外界环境中看到、听到和感觉到的1/f涨落可以激发人体大脑产生呈1/f涨落的α节律波。

木材在视觉和触觉上具有天然的舒适性，进入到木质环境中会让人顿生美感。木材给人的这种美感由何而来，这一直是人们非常感兴趣的热点问题。为此，国内外一些学者从木材解剖构造及其理化性能等方面展开了深入研究，在一定程度上解释了木材让人倍感舒适的原因[8-10]。本文拟从木材构造的涨落谱方面进行分析，试图从木材构造的涨落特性上探讨木材的美学原理。

1 材料与方法

1.1 木材试材

本研究选取了6种具有典型管孔分布类型的阔叶树材作为分析试材，所有材料取自广西大学林学院的木材标本馆，6种木材试材的名称及所属管孔分布类型见表1。

表1 六种木材试材及其管孔分布类型Table 1 Tested materials of six wood species and their pore distribution types

1.2 木材横切面构造图像加工方法

将木材试材制成具有标准三切面的试样，大小约为8(弦) ×10（径）×12(纵) mm。试样横切面要求与导管槽垂直，其径向尺寸要求有一个完整年轮。采用水煮法将试样软化，然后在平推式切片机（德国Leica SM2400）上进行切片，获得厚度为20～25 um的横切面切片。对木材切片进行染色、脱水、透明处理后用树脂胶将木材切片封固在玻片上阴干。最后在生物荧光显微镜（BA400EF-UPR9100，Motic公司生产）上拍摄照片，从而获得木材横切面构造图像。

1.3 木材横切面构造涨落谱分析方法

采用Matlab 7.0软件对木材横切面构造图像进行功率谱密度计算可以获得图像的涨落谱类型。本文采用间接计算法，首先将彩色图像转换为灰度图像，然后将数据转换为double型以提高计算精度。对数据进行矩阵转置，获得沿水平水平方向排列的一维数据，再计算序列的自相关函数，最后求解自相关函数估计的傅立叶（FFT）变换，得到功率谱密度曲线。功率谱密度实际上就是将原来对时间域的振动描述转化为频率域的振动描述[11]。计算图像的功率谱密度，就是将图形信号从统计的角度看其功率在各个频率点上的分布情况，得到图像的灰度变化曲线。

2 结果与分析

本研究对杂乱无章图形、平行条纹图案和6种木材横切面构造图像分别进行了功率谱密度计算，绘制出各种类型图的功率谱密度与频率的关系曲线图。由此可以比较和分析不同类型图的涨落谱。

2.1 杂乱无章图形的涨落谱分析

图1a所示图形是用电脑画图工具涂画而成，图形杂乱无章，没有任何规律，毫无美感可言。通过功率谱密度计算，获得该图形的功率谱密度与频率的关系曲线，如图1b所示。图1b中曲线几乎呈水平直线，说明该图形的涨落谱与白色涨落非常接近，毫无美感，对人的心理不能产生任何愉悦的感受。

2.2 平行条纹图案的涨落谱分析

图2a所示图案由一些平行条纹构成，条纹疏密完全一致，条纹色度变化具有很强的规律性。这样的图案给人严密、严肃的感觉，同时让人感到单调和乏味。通过功率谱密度计算，获得了该图案的功率谱密度与频率的关系曲线，如图2b所示。曲线在低频段（0～15 Hz）近似于水平，即接近于白色涨落。频率达到15 Hz以后，曲线快速下降，类似于洛伦兹涨落谱。因此，这种图案不能让人产生感觉舒适的α节律波，同样不能给人带来强烈的美感。

2.3 阔叶树材横切面构造图像的涨落谱分析

阔叶树材与针叶树材的主要区别在于前者具有导管，这使得阔叶树材的结构复杂多变，针叶树材结构简单而规律性强。因此，阔叶树材的装饰性好，多用作装饰装修材料。本研究选取6种具有典型管孔分布类型的阔叶树材进行涨落谱分析，试图从理论上解释木质环境能够给人带来舒适和美感的原因。

图1 杂乱无章图形的涨落谱分析结果Fig.1 Fluctuation spectrum analysis result of a disorganized graphics

图2 平行条纹图案的涨落谱分析结果Fig.2 Fluctuation spectrum analysis result of a parallel line pattern

2.3.1 白 栎

图3a所示为白栎木材横切面显微构造图像。白栎为环孔材，早材管孔相对很大，围绕年轮线呈圆环形分布；晚材管孔相对很小，聚集成带，恰似随风摇曳的火焰，忽左忽右地变化。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度与频率的关系曲线，如图3b所示，该曲线大致符合1/f涨落谱的特征。

2.3.2 槭 木

图3 白栎木材横切面构造图像的涨落谱分析Fig.3 Fluctuation spectrum analysis result of Quercus fabri cross-section structure

槭木为散孔材，木材横切面上早晚材管孔直径大小大致相同，分布也比较均匀，但管孔的组合方式多样，有单管孔和复管孔，复管孔又有短径列和长径列，如图4a所示。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度与频率的关系曲线，如图4b所示。该曲线除了0～5 Hz低 频段以外，其余频段都呈现出1/f涨落谱的特征。

2.3.3 显脉青冈

显脉青冈为辐射孔材，木材横切面上早晚材管孔大小没有多少区别，但管孔的分布很不均匀，它们沿径向聚集成辐射状条带，径向管孔带很长，可以穿过几个年轮，形成串串水珠倾泻而下的动感画面，如图5a所示。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度与频率的关系曲线，见图5b。该曲线除频率为25 Hz 附近外，其余频段基本符合1/f涨落谱的特征。

图4 槭木横切面构造图像的涨落谱分析结果Fig.4 Fluctuation spectrum analysis result of Acer mono cross-section structure

图5 显脉青冈木材横切面构造图像的涨落谱分析结果Fig.5 Fluctuation spectrum analysis result of Cyclobalanopsis supracostata cross-section structure

2.3.4 假山龙眼

图6a所示假山龙眼为弦列孔材，早晚材中管孔大小和分布基本相同，沿弦向（垂直于射线方向）聚集成短的条带，星散地分布于同样为弦向排列的轴向薄壁组织带中。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度与频率的关系曲线，如图6b所示。该曲线在频率为5 Hz 附近呈不稳定状态，其余频段基本符合1/f涨落谱的特征。

2.3.5 浪平腊梅

浪平腊梅为花样孔材，木材横切面上早晚材管孔大小和分布基本一致，管孔聚集成“之”字形，好似火苗，时而向左，时而向右，变化多多，如图7a所示。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度曲线，如图7b所示。该曲线与假山龙眼木材横切面图像的功率谱密度曲线极为相似，在频率为5 Hz 附近呈不稳定状态，其余频段基本符合1/f涨落谱的特征。

2.3.6 毛叶梭罗

如图8a所示毛叶梭罗为团状孔材，木材横切面上早晚材管孔大小和分布大致相同，管孔大多聚集成团，星散状分布。管孔团大小多变，小的管孔团由3～5个管孔组成，大的管孔团由10多个管孔组成。对该图像进行功率谱密度计算，获得了该图像的功率谱密度曲线，如图8b所示。这里与浪平腊梅木材的情况相同，功率谱密度曲线与假山龙眼木材横切面图像极为相似，在频率为5 Hz 附近呈不稳定状态，其余频段基本符合1/f涨落谱的特征。

图6 假山龙眼木材横切面构造图像的涨落谱分析结果Fig.6 Fluctuation spectrum analysis result of Heliciopsis henryi cross-section structure

图7 浪平腊梅木材横切面构造图像的涨落谱分析结果Fig.7 Fluctuation spectrum analysis result of Cimonanthus nitens cross-sectional structure

图8 毛叶梭罗木材横切面构造图像的涨落谱分析结果Fig.8 Fluctuation spectrum analysis result of Reevesia pubescens cross-section structure

3 结论与讨论

（1）无论是杂乱无章的图形，还是高度规律性的图案，都不能让人产生舒适愉悦的美感。从涨落谱分析结果来看，原因在于它们的功率谱密度曲线都不符合1/f涨落谱，因此不能激发人体大脑产生令人愉悦的α节律波。

（2）相对于针叶树材，阔叶树材更多地用作室内装饰装修材料，原因可能是阔叶树材表面的观赏性更好，更能够带给人们愉悦的美感。从木材构造上来看，阔叶树材具有导管，其细胞直径比其它组织细胞大许多。在生长发育过程中，大直径的导管会挤压其它细胞而破坏其它细胞组织生长发育的规律性，因而使木材组织构造产生多变性。变是产生美的必要条件，阔叶树材组织构造的多变性可能正是让人产生愉悦美感的关键。

（3）从本研究对阔叶树材横切面构造的涨落谱分析结果来看，6种具有典型管孔分布类型的阔叶树材横切面图像的功率谱密度曲线都与1/f涨落谱相近，特别是在8～12 Hz频率段（对应于人体大脑的α波段）与1/f涨落谱几乎完全一致。这一结果进一步从理论上说明阔叶树材之所以更适合于用作室内装饰装修材料，是因为其表面构造呈1/f涨落。木材表面构造上的这种1/f涨落现象可以刺激人体大脑产生α节律波，从而让人获得舒适愉悦的美感。

[1] 辞海编辑委员会.辞海（理科上）[M]. 上海：上海辞书出版社,1987.

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Fluctuation spectrum analysis on cross-section structure of hardwoods

LONG Tao, LUO Jian-ju, SUN Jian-ping
(College of Forestry, Guangxi University, Nanning 530005, Guangxi, China)

Hardwood is widely used as interior decoration materials, mainly because that its anatomical structure is in great complication and therefore it possesses good aesthetic decorative value. To further explore the aesthetic principles of wood, the fl uctuation spectrum analysis was carried out on cross-section structure of six hardwood species with typical pore distribution patterns by means of Fourier image transformation technology. The results show that all the fl uctuation spectra of cross-section structure of the six hardwood species were closely similar to 1/ffluctuation spectrum, especially in the frequency bands of 8～12Hz (corresponding to the human brain’sα-band) almost completely consistent with 1/ffl uctuation spectrum. This result further theoretically explains the reason why hardwood is more suitable as interior decoration materials lies in that its surface structure fl uctuation is close similar to 1/ffl uctuation. The wood surface structure fl uctuation similar to 1/ffl uctuation can stimulate the human body to produce A-rhythm brain waves, and let people feel comfortable and pleasant.

hardwood; wood structure; cross-sectional structure; fl uctuation spectrum analysis 1/ffl uctuation

S781.38

A

1673-923X(2015)06-0118-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.022

2014-10-23

广西科技攻关项目“木材美学图案装饰人造板生产技术研发与产业化”（桂科攻10100022-25）

龙 涛，硕士研究生 通讯作者：罗建举,博士,教授；E-mail：luojianju@foxmail.com

龙 涛，罗建举，孙建平. 阔叶树材横切面构造的涨落谱分析[J].中南林业科技大学学报,2015,35(6):118-123.

[本文编校：吴 彬]