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          基于OpenCV的焊件缺陷檢測(cè)

          共 6894字,需瀏覽 14分鐘

           ·

          2020-12-12 15:56

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          01.?簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致組件報(bào)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(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障,并造成財(cái)產(chǎn)和生命損失。此外,由于焊接技術(shù)固有的弱點(diǎn)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(píng)估焊接質(zhì)量非常重要。
          可以通過圖像來檢測(cè)焊接中的缺陷,并精確測(cè)量每個(gè)缺陷的嚴(yán)重性,這將有助于并避免上述危險(xiǎn)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(cè)的效率,精度也能達(dá)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(duì)圖像分析和解釋,劃分的區(qū)域應(yīng)與對(duì)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(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題。

          對(duì)心臟(紅色),肺部(綠色)和鎖骨(藍(lán)色)的胸部X光進(jìn)行了分割


          03. 圖像中心距


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

          1. 面積(或總強(qiáng)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(gè)目錄。原始圖像存儲(chǔ)在“圖像”目錄中,分割后的圖像存儲(chǔ)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(cè)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(duì)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(jìn)制圖像或地面真相標(biāo)簽。這是我們的模型必須針對(duì)給定的原始圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)。在二進(jìn)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(jìn)制圖像


          05. 算法


          我們將使用U-Net來解決這個(gè)問題,通過以下三個(gè)主要步驟來檢測(cè)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(cè)量嚴(yán)重性

          訓(xùn)練模型

          使用的U-Net架構(gòu)

          注意事項(xiàng):

          • 每個(gè)藍(lán)色框?qū)?yīng)一個(gè)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(yùn)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(kuò)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(yùn)算

          • 在擴(kuò)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(kuò)展的每個(gè)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(jí)別上連接:
            A1 = U1 + C3
            A2 = U2 + C2
            A3 = U3 + C1
            每次串聯(lián)后,我們?cè)俅螒?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(jìn)制交叉熵?fù)p失函數(shù)。我們使用10批次、100個(gè)epochs(在所有輸入上運(yùn)行模型的次數(shù))。調(diào)整這些參數(shù),模型性能可能會(huì)有很大的改善可能。

          測(cè)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(jìn)行歸一化以加快計(jì)算速度。圖像進(jìn)入模型后以預(yù)測(cè)二進(jìn)制輸出,為了放大像素的強(qiáng)度,二進(jìn)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(cè)缺陷并通過顏色分級(jí)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(jì)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(jí)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(lán)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(yàn)指標(biāo)。

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

          范例1:

          原始圖像

          二進(jìn)制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測(cè)輸出

          范例2:

          原始圖像

          二進(jìn)制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測(cè)輸出

          范例3:

          原始圖像

          二進(jìn)制圖像(地面真相)

          具有嚴(yán)重性的預(yù)測(cè)輸出


          參考文獻(xiàn):

          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(kuò)展模塊中文版教程
          在「小白學(xué)視覺」公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù):擴(kuò)展模塊中文教程,即可下載全網(wǎng)第一份OpenCV擴(kuò)展模塊教程中文版,涵蓋擴(kuò)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(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目31講
          小白學(xué)視覺公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù):Python視覺實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目31講,即可下載包括圖像分割、口罩檢測(cè)、車道線檢測(cè)、車輛計(jì)數(shù)、添加眼線、車牌識(shí)別、字符識(shí)別、情緒檢測(cè)、文本內(nèi)容提取、面部識(shí)別等31個(gè)視覺實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目,助力快速學(xué)校計(jì)算機(jī)視覺。

          下載3:OpenCV實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目20講
          小白學(xué)視覺公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù):OpenCV實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目20講,即可下載含有20個(gè)基于OpenCV實(shí)現(xiàn)20個(gè)實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)OpenCV學(xué)習(xí)進(jìn)階。

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