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          基于OpenCV的焊件缺陷檢測

          共 8105字,需瀏覽 17分鐘

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          2024-07-14 10:05

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          01. 簡介
          焊接缺陷是指焊接零件表面出現(xiàn)不規(guī)則、不連續(xù)的現(xiàn)象。焊接接頭的缺陷可能會導(dǎo)致組件報廢、維修成本高昂,在工作條件下的組件的性能顯著下降,在極端情況下還會導(dǎo)致災(zāi)難性故障,并造成財產(chǎn)和生命損失。此外,由于焊接技術(shù)固有的弱點和金屬特性,在焊接中總是存在某些缺陷。不可能獲得完美的焊接,因此評估焊接質(zhì)量非常重要。
          可以通過圖像來檢測焊接中的缺陷,并精確測量每個缺陷的嚴(yán)重性,這將有助于并避免上述危險情況的出現(xiàn)。使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和U-Net架構(gòu)可提高檢測的效率,精度也能達到98.3%。
          02. 圖像分割

          圖像分割是指將圖像劃分為包含相似屬性的不同像素區(qū)域。為了對圖像分析和解釋,劃分的區(qū)域應(yīng)與對象特征密切相關(guān)。圖像分析的成功取決于分割的可靠性,但是圖像的正確分割通常是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。

          對心臟(紅色),肺部(綠色)和鎖骨(藍色)的胸部X光進行了分割
          03. 圖像中心距

          圖像中心距是圖像像素強度的某個特定加權(quán)平均值。圖像矩可用于描述分割后的對象。通過圖像瞬間發(fā)現(xiàn)的圖像簡單屬性包括:

          1. 面積(或總強度)

          2. 質(zhì)心

          3. 有關(guān)其方向的信息
          04. 數(shù)據(jù)

          該數(shù)據(jù)集包含兩個目錄。原始圖像存儲在“圖像”目錄中,分割后的圖像存儲在“標(biāo)簽”目錄中。讓我們來看看這些數(shù)據(jù):原始圖像是RGB圖像,用于訓(xùn)練模型和測試模型。這些圖片的尺寸各不相同。直觀地,較暗的部分是焊接缺陷。模型需要對這些圖像執(zhí)行圖像分割。

          來自“圖像”的原始圖像

          “標(biāo)簽”目錄的圖像是二進制圖像或地面真相標(biāo)簽。這是我們的模型必須針對給定的原始圖像進行預(yù)測。在二進制圖像中,像素具有“高”值或“低”值。白色區(qū)域或“高”值表示缺陷區(qū)域,而黑色區(qū)域或“低”值表示無缺陷。

          來自“標(biāo)簽”的二進制圖像
          05. 算法

          我們將使用U-Net來解決這個問題,通過以下三個主要步驟來檢測缺陷及其嚴(yán)重性:

          • 圖像分割

          • 使用顏色顯示嚴(yán)重性

          • 使用圖像矩測量嚴(yán)重性

          訓(xùn)練模型

          使用的U-Net架構(gòu)

          注意事項:

          • 每個藍色框?qū)?yīng)一個多通道特征圖

          • 通道數(shù)顯示在框的頂部。

          • (x,y)尺寸位于框的左下邊緣。

          • 箭頭表示不同的操作。

          • 圖層名稱位于圖層下方。

          • C1,C2,...。C7是卷積運算后的輸出層

          • P1,P2,P3是最大池化操作的輸出層

          • U1,U2,U3是上采樣操作的輸出層

          • A1,A2,A3是跳過連接。

          • 左側(cè)是收縮路徑,其中應(yīng)用了常規(guī)卷積和最大池化操作

          • 圖像尺寸逐漸減小,而深度逐漸增大。

          • 右側(cè)是擴展路徑,在其中應(yīng)用了(向上采樣)轉(zhuǎn)置卷積和常規(guī)卷積運算

          • 在擴展路徑中,圖像尺寸逐漸增大,深度逐漸減小

          • 為了獲得更好的精確位置,在擴展的每個步驟中,我們都使用跳過連接,方法是將轉(zhuǎn)置卷積層的輸出與來自編碼器的特征圖在同一級別上連接:
            A1 = U1 + C3
            A2 = U2 + C2
            A3 = U3 + C1
            每次串聯(lián)后,我們再次應(yīng)用規(guī)則卷積,以便模型可以學(xué)習(xí)組裝更精確的輸出。

          import numpy as npimport cv2import osimport randomimport tensorflow as tf
          h,w = 512,512
          def create_model():
          inputs = tf.keras.layers.Input(shape=(h,w,3))
          conv1 = tf.keras.layers.Conv2D(16,(3,3),activation='relu',padding='same')(inputs) pool1 = tf.keras.layers.MaxPool2D()(conv1)
          conv2 = tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu',padding='same')(pool1) pool2 = tf.keras.layers.MaxPool2D()(conv2)
          conv3 = tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu',padding='same')(pool2) pool3 = tf.keras.layers.MaxPool2D()(conv3)
          conv4 = tf.keras.layers.Conv2D(64,(3,3),activation='relu',padding='same')(pool3)
          upsm5 = tf.keras.layers.UpSampling2D()(conv4) upad5 = tf.keras.layers.Add()([conv3,upsm5]) conv5 = tf.keras.layers.Conv2D(32,(3,3),activation='relu',padding='same')(upad5)
          upsm6 = tf.keras.layers.UpSampling2D()(conv5) upad6 = tf.keras.layers.Add()([conv2,upsm6]) conv6 = tf.keras.layers.Conv2D(16,(3,3),activation='relu',padding='same')(upad6)
          upsm7 = tf.keras.layers.UpSampling2D()(conv6) upad7 = tf.keras.layers.Add()([conv1,upsm7]) conv7 = tf.keras.layers.Conv2D(1,(3,3),activation='relu',padding='same')(upad7)
          model = tf.keras.models.Model(inputs=inputs, outputs=conv7)
          return model
          images = []labels = []
          files = os.listdir('./dataset/images/')random.shuffle(files)
          for f in files: img = cv2.imread('./dataset/images/' + f) parts = f.split('_') label_name = './dataset/labels/' + 'W0002_' + parts[1] label = cv2.imread(label_name,2)
          img = cv2.resize(img,(w,h)) label = cv2.resize(label,(w,h))
          images.append(img) labels.append(label)
          images = np.array(images)labels = np.array(labels)labels = np.reshape(labels, (labels.shape[0],labels.shape[1],labels.shape[2],1))
          print(images.shape)print(labels.shape)
          images = images/255labels = labels/255
          model = tf.keras.models.load_model('my_model')#model = create_model() # uncomment this to create a new modelprint(model.summary())
          model.compile(optimizer='adam', loss='binary_crossentropy',metrics=['accuracy'])model.fit(images,labels,epochs=100,batch_size=10)model.evaluate(images,labels)
          model.save('my_model')
          該模型使用Adam優(yōu)化器編譯,由于只有兩類(缺陷或沒有缺陷),因此我們使用二進制交叉熵?fù)p失函數(shù)。我們使用10批次、100個epochs(在所有輸入上運行模型的次數(shù))。調(diào)整這些參數(shù),模型性能可能會有很大的改善可能。

          測試模型

          由于模型采用的尺寸為512x512x3,因此我們將輸入的尺寸調(diào)整為該尺寸。接下來,我們通過將圖像除以255進行歸一化以加快計算速度。圖像進入模型后以預(yù)測二進制輸出,為了放大像素的強度,二進制輸出已乘以1000。
          然后將圖像轉(zhuǎn)換為16位整數(shù)以便于圖像操作。之后,算法將檢測缺陷并通過顏色分級在視覺上標(biāo)記缺陷的嚴(yán)重性,并根據(jù)缺陷的嚴(yán)重性為具有缺陷的像素分配權(quán)重。然后考慮加權(quán)像素,在此圖像上計算圖像力矩。最終將圖像轉(zhuǎn)換回8位整數(shù),并以顏色分級及其嚴(yán)重性值顯示輸出圖像。
          import numpy as npimport cv2from google.colab.patches import cv2_imshowimport osimport randomimport tensorflow as tf
          h,w = 512,512num_cases = 10
          images = []labels = []
          files = os.listdir('./dataset/images/')random.shuffle(files)
          model = tf.keras.models.load_model('my_model')
          lowSevere = 1midSevere = 2highSevere = 4
          for f in files[0:num_cases]: test_img = cv2.imread('./dataset/images/' + f) resized_img = cv2.resize(test_img,(w,h)) resized_img = resized_img/255 cropped_img = np.reshape(resized_img, (1,resized_img.shape[0],resized_img.shape[1],resized_img.shape[2]))
          test_out = model.predict(cropped_img)
          test_out = test_out[0,:,:,0]*1000 test_out = np.clip(test_out,0,255)
          resized_test_out = cv2.resize(test_out,(test_img.shape[1],test_img.shape[0])) resized_test_out = resized_test_out.astype(np.uint16)
          test_img = test_img.astype(np.uint16)
          grey = cv2.cvtColor(test_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
          for i in range(test_img.shape[0]): for j in range(test_img.shape[1]): if(grey[i,j]>150 & resized_test_out[i,j]>40): test_img[i,j,1]=test_img[i,j,1] + resized_test_out[i,j] resized_test_out[i,j] = lowSevere elif(grey[i,j]<100 & resized_test_out[i,j]>40): test_img[i,j,2]=test_img[i,j,2] + resized_test_out[i,j] resized_test_out[i,j] = highSevere elif(resized_test_out[i,j]>40): test_img[i,j,0]=test_img[i,j,0] + resized_test_out[i,j] resized_test_out[i,j] = midSevere else: resized_test_out[i,j] = 0
          M = cv2.moments(resized_test_out) maxMomentArea = resized_test_out.shape[1]*resized_test_out.shape[0]*highSevere print("0th Moment = " , (M["m00"]*100/maxMomentArea), "%")
          test_img = np.clip(test_img,0,255) test_img = test_img.astype(np.uint8)
          cv2_imshow(test_img) cv2.waitKey(0)
          07. 結(jié)果

          我們使用顏色來表示缺陷的嚴(yán)重程度:

          1. 綠色表示存在嚴(yán)重缺陷的區(qū)域。

          2. 藍色表示缺陷更嚴(yán)重的區(qū)域。

          3. 紅色區(qū)域顯示出最嚴(yán)重的缺陷。

          零階矩將以百分比形式顯示在輸出圖像旁邊,作為嚴(yán)重程度的經(jīng)驗指標(biāo)。

          以下是三個隨機樣本,它們顯示了原始輸入,地面真實情況以及由我們的模型生成的輸出。

          范例1:

          原始圖像

          二進制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測輸出

          范例2:

          原始圖像

          二進制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測輸出

          范例3:

          原始圖像

          二進制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測輸出


          參考文獻:

          https://www.cs.auckland.ac.nz/courses/compsci773s1c/lectures/ImageProcessing-html/topic3.htm#adaptive

          https://medium.com/r/?url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FImage_moment

          https://medium.com/r/?url=https%3A%2F%2Ftowardsdatascience.com%2Funderstanding-semantic-segmentation-with-unet-6be4f42d4b47

          https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/welding-defect


          代碼鏈接:https://github.com/malakar-soham/cnn-in-welding


              
          下載1:OpenCV-Contrib擴展模塊中文版教程
          在「小白學(xué)視覺」公眾號后臺回復(fù):擴展模塊中文教程即可下載全網(wǎng)第一份OpenCV擴展模塊教程中文版,涵蓋擴展模塊安裝、SFM算法、立體視覺、目標(biāo)跟蹤、生物視覺、超分辨率處理等二十多章內(nèi)容。

          下載2:Python視覺實戰(zhàn)項目52講
          小白學(xué)視覺公眾號后臺回復(fù):Python視覺實戰(zhàn)項目即可下載包括圖像分割、口罩檢測、車道線檢測、車輛計數(shù)、添加眼線、車牌識別、字符識別、情緒檢測、文本內(nèi)容提取、面部識別等31個視覺實戰(zhàn)項目,助力快速學(xué)校計算機視覺。

          下載3:OpenCV實戰(zhàn)項目20講
          小白學(xué)視覺公眾號后臺回復(fù):OpenCV實戰(zhàn)項目20講即可下載含有20個基于OpenCV實現(xiàn)20個實戰(zhàn)項目,實現(xiàn)OpenCV學(xué)習(xí)進階。

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