JP2008076167A - Method of inspecting surface state of object by image processing, and image processing program for it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、材料の表面を検査する方法及びそのためのプログラムに関し、特に耐候性鋼材のさび外観のような材料の表面状態を評価する場合に有効な画像処理を用いて材料の表面を検査する方法及びそのための画像処理のプログラムに関する。 The present invention relates to a method for inspecting the surface of a material and a program therefor, and more particularly to a method for inspecting the surface of a material using image processing effective in evaluating the surface state of the material such as the rust appearance of weathering steel. And an image processing program therefor.
耐候性鋼材は、大気中において乾湿を適切に繰り返すうちに、その表面に緻密で密着性に優れたさび(保護性さび)が形成されてさびが安定化し、腐食速度が著しく遅くなるという特性をもつ。このため適切な使用方法と維持管理を施せば、橋梁等の構造物が半永久的に無塗装で使用可能になり、LCC(Life Cycle Cost:初期建設費用、維持管理費用、更新費を含めたトータルコスト)の面でも優れた鋼材である。このような塗装の塗り替えを必要としない耐候性鋼材の鋼橋への適用は年々増加しており、2002年には年間10万tを超え、全鋼橋に占める割合は15%に至っているが、このことは、旧建設省土木研究所により提唱され、架け替えを前提とせず将来にわたりLCCを最小限に抑えるというミニマムメンテナンス橋構想に相応したものであると言える。 Weathering steel has the characteristics that rust (protective rust) is formed on the surface of the rust (protective rust) and the rust is stabilized and the corrosion rate is remarkably slowed by repeated repeated drying and drying in the atmosphere. Have. For this reason, if appropriate usage and maintenance are applied, structures such as bridges can be used semi-permanently without painting, and LCC (Life Cycle Cost: total including initial construction costs, maintenance costs, and renewal costs) It is an excellent steel material in terms of cost. The application of weather-resistant steel materials that do not require repainting to steel bridges is increasing year by year. In 2002, it exceeded 100,000 tons and accounted for 15% of all steel bridges. This is advocated by the Ministry of Construction's Civil Engineering Research Institute, and can be said to correspond to the minimum maintenance bridge concept of minimizing LCC in the future without assuming replacement.
耐候性鋼材のさび安定化度の評価についてこれまでに種々研究がなされており、外観検査、さび厚測定、透明テープ試験、イオン透過抵抗法等さまざまな手法が提案されている。このうちの外観検査以外の手法では、対象とする部位に直接接触して試験、測定を行う必要があり、そのため足場を設置するというような煩雑な作業が不可欠となる。直接接触できないか、著しく困難な場合には、外観検査のみで評価せざるを得ないことにもなる。しかし、外観検査は「目視でよく観察」し、さび評価の目安を示す基準写真によって判別する方法であり、定量性、客観性の面で劣り、点検者による評価のばらつきが大きかった。 Various studies have been conducted so far on the evaluation of the degree of rust stabilization of weathering steel, and various methods such as appearance inspection, rust thickness measurement, transparent tape test, ion permeation resistance method, etc. have been proposed. Of these methods, methods other than appearance inspection require testing and measurement in direct contact with the target site, and thus a complicated operation such as installing a scaffold is indispensable. When direct contact is impossible or extremely difficult, it is necessary to evaluate only by appearance inspection. However, the appearance inspection is a method of “observing well by visual inspection” and discriminating with a reference photograph showing a standard of rust evaluation, which is inferior in terms of quantitativeness and objectivity, and has a large evaluation variation by the inspector.
耐候性鋼材のさび安定化度を表することについて、次のような文献に記載されている。 It describes in the following literature about expressing the rust stabilization degree of a weathering steel material.
非特許文献1には、さび層の塩化物イオンに対する抵抗力を計測する環境遮断性に着目した評価手法について記載されており、非特許文献2には、鋼材の電位を計測し、電気化学的な特性からさび層の防食性能を評価する手法について記載されている。これらは、さびの化学反応論から導かれた技術であり信頼性が高いが、測定に関する知識、経験や特殊な装置が必要であり、一般的な日常点検で使用されるには至っていない。また、非特許文献3には、画像処理技術を利用して鋼橋の塗膜劣化度を定量的に評価することについて記載されているが、画像パターンとしてさび外観のような不規則性をもつ対象物の表面状態を精度よく検査するのに適切なものではない。
耐候性鋼材のさび安定化度を評価するための従来の技術においては、経験や知識を要するもの、特殊な装置が不可欠なものが多く、また、さび安定化度の評価を含め一般的に対象物の表面状態を検査するための画像処理を用いた手法についても実際的に使用されるには至っていない。このため、経験、知識あるいは特殊な装置を要することなく、画像処理により対象物の表面状態を検査するのに有効な手法が望まれていた。 Many conventional techniques for evaluating the degree of rust stabilization of weathering steel require experience and knowledge, and special equipment is indispensable. A technique using image processing for inspecting the surface state of an object has not actually been used. Therefore, there has been a demand for an effective method for inspecting the surface state of an object by image processing without requiring experience, knowledge, or a special device.
本発明は、前述した課題を解決すべくなしたものであり、本発明による対象物の表面状態を検査する方法は、表面状態が評点により分類される対象物の表面状態を撮像した画像について画像処理を行って表面状態を表す評点の識別により対象物の表面状態を検査する方法であって、対象物の表面を撮像して得られ評点が付与されている画像について水平方向及び鉛直方向にウェーブレット変換を行い、最大解像度をkとして全解像度の周波数エネルギー和に対する解像度mにおける画像全体の周波数エネルギーEmの比En mと解像度mにおける水平方向及び鉛直方向の周波数エネルギー和に対する斜め方向のエネルギーの比El mとの解像度mごとの値を成分とする2k次元の特徴ベクトルEを求めるウェーブレット解析を複数の画像の各々に対して行うことと、多次元の複数のベクトルを超平面により2つのクラスに分類するサポートベクトルマシンにより前記複数の画像にそれぞれ対応する2k次元の特徴ベクトルEを評点にしたがって分類して評点が未知の画像の評点をその特徴ベクトルEにより識別するための識別モデルを構築することと、構築された前記識別モデルにより評点が未知の画像についての特徴ベクトルEからその評点を識別することと、からなるものである。前記対象物の表面状態は耐候性鋼材のさびの状態であるようにしてもよい。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the method for inspecting the surface state of an object according to the present invention is an image of an image obtained by imaging the surface state of an object whose surface state is classified by a score. A method for inspecting a surface state of an object by identifying a score representing a surface state by performing processing, wherein a wavelet is obtained in a horizontal direction and a vertical direction with respect to an image provided with a score obtained by imaging the surface of the object. It performs conversion ratio in an oblique direction of energy to frequency energy sum of the horizontal and vertical directions in the ratio E n m and resolution m of frequency energy Em of the entire image at a resolution m for frequency energy sum of all resolutions up to resolution as k A wavelet analysis for obtaining a 2k-dimensional feature vector E whose components are values for each resolution m with E l m is a plurality of images. What to do for each and classifying the 2k-dimensional feature vector E corresponding to each of the plurality of images according to the score by a support vector machine that classifies the multi-dimensional vectors into two classes by hyperplane Constructing an identification model for identifying a score of an unknown image by its feature vector E, identifying the score from the feature vector E for an image whose score is unknown by the constructed identification model, It consists of You may make it the surface state of the said object be a rust state of a weather-resistant steel material.
また、本発明による対象物の表面状態を検査することをコンピュータ上で実行するための画像処理プログラムは、対象物の表面を撮像して得られ評点が付与されている複数の画像の各々について水平方向及び鉛直方向にウェーブレット変換を行い、最大解像度をkとして全解像度の周波数エネルギー和に対する解像度mにおける画像全体の周波数エネルギーEmの比En mと解像度mにおける水平方向及び鉛直方向の周波数エネルギー和に対する斜め方向のエネルギーの比El mとの解像度mごとの値を成分とする2k次元の特徴ベクトルEを求め、多次元の複数の特徴ベクトルを超平面により2つのクラスに分類するサポートベクトルマシンの機能により前記複数の画像にそれぞれ対応する2k次元の特徴ベクトルEを評点にしたがって分類して評点が未知の画像の評点をその特徴ベクトルEにより識別するための識別モデルを構築し、構築された前記識別モデルにより既定の評点が未知の画像についての特徴ベクトルEからその評点を識別することにより、表面状態が評点により分類され対象物の表面状態を撮像した画像について画像処理を行って表面状態を表す評点の識別により対象物の表面状態を検査するものである。 Further, an image processing program for executing on a computer to inspect the surface state of an object according to the present invention is provided for each of a plurality of images obtained by imaging the surface of an object and assigned with a score. performs wavelet transform and vertical directions, with respect to the frequency energy sum of the horizontal and vertical directions in the ratio E n m and resolution m of frequency energy Em of the entire image at a resolution m for frequency energy sum of all resolutions up to resolution as k A support vector machine that obtains a 2k-dimensional feature vector E whose components are values of resolution m for each of the energy ratios E 1 m in the oblique direction and classifies a plurality of multi-dimensional feature vectors into two classes by a hyperplane. 2k-dimensional feature vector E corresponding to each of the plurality of images according to the function according to the score An identification model for classifying and identifying a score of an image whose score is unknown by its feature vector E is constructed, and the score is identified from the feature vector E for an image whose default score is unknown by the constructed discrimination model. Thus, the surface state of the object is inspected by identifying the score representing the surface state by performing image processing on an image obtained by capturing the surface state of the object with the surface state classified by the score.
本発明は、対象物の表面を撮像して得られた画像についてウェーブレット解析を行い、サポートベクトルマシンを用いた学習により識別モデルを構築することにより、画像に対応する特徴ベクトルから対象物の表面状態が簡易に、精度よく識別できるものである。 The present invention performs wavelet analysis on an image obtained by imaging the surface of an object, and constructs an identification model by learning using a support vector machine, so that the surface state of the object is obtained from a feature vector corresponding to the image. Can be easily and accurately identified.
本発明による対象物の表面状態の検査に関し、対象物の表面状態として耐候性鋼材のさび外観の場合を例にとって説明する。この例は、耐候性鋼材の表面をデジタルカメラで撮像して得られた画像について画像処理を行い、それに基づいてさび外観を適切に評価するものであり、この画像処理は、耐候性鋼材の表面を撮像して得られた画像についてウェーブレット(wavelet)変換を行い、それにより得られた周波数特性からさび外観の評点を識別するのである。そこで、最初にウェーブレット変換を用いた多重解像度解析について説明する。
〔ウェーブレット変換を用いた多重解像度解析〕
ウェーブレットは、図1に示すような局在性のある平均値0の波として定義されるΨ(t)で表現される。Ψ(t)をt軸上でシフトあるいは拡大縮小した基底Ψab(t)と任意の信号f(t)との内積をウェーブレット変換といい、式(1)で定義される。
The inspection of the surface state of the object according to the present invention will be described by taking as an example the case of the rust appearance of a weather resistant steel material as the surface state of the object. In this example, image processing is performed on an image obtained by imaging the surface of a weathering steel material with a digital camera, and the rust appearance is appropriately evaluated based on the image processing. This image processing is performed on the surface of the weathering steel material. Wavelet transform is performed on the image obtained by imaging the image, and the score of the rust appearance is identified from the frequency characteristics obtained by the wavelet transform. First, multiresolution analysis using wavelet transform will be described.
[Multi-resolution analysis using wavelet transform]
The wavelet is expressed by Ψ (t) defined as a wave with a mean value of 0 as shown in FIG. An inner product of a base ψ ab (t) obtained by shifting or enlarging Ψ (t) on the t-axis and an arbitrary signal f (t) is called wavelet transform, and is defined by Expression (1).
適当な直交基底関数をウェーブレットとし、式(1)のa,bを次のように離散化する。 An appropriate orthogonal basis function is a wavelet, and a and b in Equation (1) are discretized as follows.
a=2−j,b=k・2−j
(ここで、j=0,±1,±2,・・・;k=0,±1,±2,・・・)
また、変数tを整数値nで置き換えると、N個のサンプリングデータからなる離散信号に対するf[n]に対する離散ウェーブレット変換は
a = 2 −j , b = k · 2 −j
(Where j = 0, ± 1, ± 2,...; K = 0, ± 1, ± 2,...)
If the variable t is replaced with an integer value n, the discrete wavelet transform for f [n] for a discrete signal composed of N sampling data is
離散ウェーブレット変換は多重解像度解析の1つであり、原信号を直交系のスケーリング関数の1次結合で近似した時に、解像度mの近似関数とそれより1レベル粗いm+1の近似関数との差分がウェーブレットの1次結合となる。つまり、ウェーブレット変換は、原信号の解像度を落としながら低域側の信号を次々と2分割していき、各解像度ごとに高域側の信号を出力するサブバンド分解と等価である。 Discrete wavelet transform is one of multi-resolution analysis. When the original signal is approximated by a linear combination of orthogonal scaling functions, the difference between the approximate function of resolution m and the approximate function of m + 1 coarser by one level is the wavelet. Is the primary combination. That is, the wavelet transform is equivalent to subband decomposition in which a low-frequency signal is divided into two successively while reducing the resolution of the original signal, and a high-frequency signal is output for each resolution.
関数f(t)で表される原画像を逐次2分割し高域側を出力する状況を示すと、図2のようになる。原関数f(t)を周波数成分で逐次分解していくにあたり、原画像について最も高い周波数成分の成分画像を抜き出しこれをH1とし、原画像から成分画像H1を差し引いた残りの成分画像をL1とする。次に、成分画像L1について次に高い周波数成分の成分画像H2を抜き出し、L1からH2を差し引いた成分画像をL2とする、というように逐次反復していく。周波数成分による分解の各段階において、それぞれ成分画像の解像度が対応したものとなる。 FIG. 2 shows a situation where the original image represented by the function f (t) is sequentially divided into two and the high frequency side is output. When the original function f (t) is sequentially decomposed with frequency components, the component image of the highest frequency component is extracted from the original image and is designated as H1, and the remaining component image obtained by subtracting the component image H1 from the original image is denoted as L1. To do. Next, iteratively repeats such that the component image H2 of the next highest frequency component is extracted from the component image L1, and the component image obtained by subtracting H2 from L1 is L2. At each stage of decomposition by frequency components, the resolutions of the component images correspond to each other.
このような過程において、原画像の1次元情報としての関数f(t)について周波数成分の分解がなされるが、画像としては2次元の変量分布であるので、水平向及び垂直方向の変量f(t),g(t)について周波数成分による分解を行う。この場合、最初に例えば各行の画像信号に対して水平方向の1次元ウェーブレット変換を行い、高域の成分画像Hと低域の成分画像Lとに分割する。次に、周波数成分で分割された成分画像Hの各列の信号に対して鉛直方向のウェーブレット変換を行ってHHとHLとの成分画像に分割し、また、成分画像Lの各列の信号に対してウェーブレット変換を行ってLHとLLとの成分画像に分割する。この水平方向の分割と鉛直方向の分割とにより、4つの周波数成分(LL,LH,HL,HH)が算出される。各周波数成分は、LLが原画像の基本的情報が含まれる低域成分であり、LHおよびHLはそれぞれ水平方向および鉛直方向のエッジが強調され、HHは対角方向のエッジが強調される特性をもつ。その次の段階では、4つに分解された周波数成分のうち、その段階でのLL成分をさらに4つに分解し、以下同じように低周波数側を4つに分解する過程を反復する。このように水平方向と鉛直方向とに分解された4つの成分画像のうちLLの成分画像に対してさらに水平方向と鉛直方向との分解を行い、以下同様に反復する(図3)。 In such a process, the frequency component of the function f (t) as the one-dimensional information of the original image is decomposed. However, since the image has a two-dimensional variable distribution, the horizontal and vertical variables f ( t) and g (t) are decomposed by frequency components. In this case, first, for example, the horizontal one-dimensional wavelet transform is performed on the image signals of each row, and the image is divided into a high-frequency component image H and a low-frequency component image L. Next, the wavelet transform in the vertical direction is performed on the signal of each column of the component image H divided by the frequency component to divide it into component images of HH and HL. Then, wavelet transform is performed to divide into LH and LL component images. Four frequency components (LL, LH, HL, HH) are calculated by the horizontal division and the vertical division. Each frequency component is a low-frequency component in which LL includes basic information of the original image, LH and HL are enhanced in horizontal and vertical edges, and HH is enhanced in diagonal edges. It has. In the next stage, among the frequency components decomposed into four, the LL component at that stage is further decomposed into four, and the process of decomposing the low frequency side into four in the same manner is repeated. Of the four component images decomposed in the horizontal direction and the vertical direction in this way, the LL component image is further decomposed in the horizontal direction and the vertical direction, and the same is repeated thereafter (FIG. 3).
原画像が210×210ピクセルであったとして、図2のような周波数成分による分解を水平方向、垂直方向に行う過程と、各段階の成分画像の1画素に含まれる現画像の情報量との関係を示すと、表1のようになる。 Assuming that the original image is 2 10 × 2 10 pixels, the process of performing the decomposition by the frequency component as shown in FIG. 2 in the horizontal direction and the vertical direction, and the information amount of the current image included in one pixel of the component image at each stage Is shown in Table 1.
また、En mの分布図の重心に相当するCAは The CA corresponding to the center of gravity of the distribution map of E n m is
〔さび画像の評定〕
画像処理の目標として、耐候性鋼材のさび外観を適切に評価することがある。さび画像によりさび外観を判別するのには個人差が伴うが、熟練技術者は的確に判別し得る。外観耐候性鋼材のさび外観については表2のような外観評点の基準がある。
[Rust image rating]
A goal of image processing is to appropriately evaluate the rust appearance of weathering steel. Discrimination of the rust appearance from the rust image involves individual differences, but a skilled engineer can accurately discriminate. Appearance Weather-resistant steel materials have rust appearance standards as shown in Table 2.
最大解像度別にさび画像について前述したEn mの分布重心CAの平均値、標準偏差を求め、線形近似により、En mやCAがさびの粗密さを大まかではあるが定量的に表現できることがわかる。En mやCAは各解像度における画像全体のエネルギーに着目した特徴量である。そのため、表2における評点3〜5のさび画像の評価には適しているが、評点1,2のさび画像のように層状ないしうろこ状のさびで均一でないものについての評価には適切とは言えない。そのため、より精度を高めるためにパターン認識の手法を用いるのがよい。
〔パターン認識手法を用いた判別〕
評点1,2のような層状剥離さびないしうろこ状さびのような非均一的な画像に対しては、局所的な分布特性を表現する指標が必要であり、各解像度について新たな特徴量として
By calculating the mean value and standard deviation of the distribution center of gravity CA of E n m described above for the rust image for each maximum resolution, and by linear approximation, it can be seen that E n m and CA can roughly express the roughness of the rust quantitatively. . E n m and CA is a characteristic quantity that focuses on energy of the entire image at each resolution. Therefore, it is suitable for the evaluation of rust images with a rating of 3 to 5 in Table 2, but is appropriate for the evaluation of layered or scaly rust like the rust images with a rating of 1 and 2, which are not uniform. Absent. For this reason, it is preferable to use a pattern recognition technique in order to increase the accuracy.
[Distinction using pattern recognition technique]
For non-uniform images such as delamination rust or scaly rust such as grades 1 and 2, an index that expresses local distribution characteristics is required, and a new feature value for each resolution is required.
・特徴ベクトルEを学習パターンとした外観評点の識別モデルをサポートベクトルマシンにより構築する。
・構築された識別モデルによりさび画像の識別を行い、その結果により識別モデルを用いたさび画像の識別の有効性について検証する。
という段階に分けて説明する。
(a)サポートベクトルマシンによる識別モデルの構築
サポートベクトルマシン(Support Vector Machine;以下、SVM)は、2クラスの分類問題を解くために作られた学習機械である。式(11)における特徴ベクトルEは2k次元の特徴量空間に分布するサポートベクトルとして示されるが、このような2クラスのパターン分布には、超平面によって2つに分けられる線形分離可能な場合と、分けることができない非線形な場合とが存在する。SVMはこの両方に適用可能で、マージン最大化と呼ばれる手法に基づいた汎化能力の高いものと言える。
-An appearance score identification model using the feature vector E as a learning pattern is constructed by a support vector machine.
・ Identify the rust image using the constructed identification model, and verify the effectiveness of identifying the rust image using the identification model.
This will be described in stages.
(A) Construction of Identification Model by Support Vector Machine A support vector machine (hereinafter referred to as “SVM”) is a learning machine created to solve a two-class classification problem. The feature vector E in the equation (11) is shown as a support vector distributed in a 2k-dimensional feature amount space. However, in such a two-class pattern distribution, a linearly separable case divided into two by a hyperplane is possible. There are non-linear cases that cannot be separated. SVM can be applied to both, and can be said to have a high generalization ability based on a technique called margin maximization.
一般的な線形識別器における次元数dの学習パターンX=(x1,・・・,xd)tの識別関数は、 The learning function X = (x 1 ,..., X d ) t in the general linear classifier has a learning function X of dimension d,
線形分離が不可能な特徴量空間の場合、式(12)のような識別関数では十分な識別性能が得られない。そこで、非線形関数Φ(X)を用いて特徴ベクトルX∈Rdをより高次元の空間Rqに写像する。これにより、写像先のq次元ユークリッド空間で線形識別を行えば、実質的にもとの空間で非線形識別を行ったのと同等になる(図5)。 In the case of a feature space incapable of linear separation, a discriminant function such as Expression (12) cannot obtain a sufficient discriminating performance. Therefore, the feature vector XεR d is mapped to a higher-dimensional space R q using a nonlinear function Φ (X). Thus, if linear identification is performed in the q-dimensional Euclidean space of the mapping destination, it is substantially equivalent to performing nonlinear identification in the original space (FIG. 5).
スカラーを出力する任意のh個の非線形関数φj(X)(j=1,・・・,h)を用い、関数Φ(X)を Using any number of nonlinear functions φ j (X) (j = 1,..., H) that output scalars, the function Φ (X) is
の形のRBF関数がある。ここで、γ(γ>0)はカーネルパラメータである。
There is an RBF function of the form Here, γ (γ> 0) is a kernel parameter.
このようにして、SVMを用いた学習により、さび画像の場合について表2に示される外観評点基準に従ってそれぞれ評点が付されている多数のさび画像を、個々のさび画像に対応する特徴ベクトルEによってどの評点のものであるか識別できるようにするための識別モデルを構築する。このために、図4(a),(b)に示すように、評点が既知の特徴ベクトルEをSVMを用いてクラス分けして5つの評点に分類できる識別モデルを作り上げる。ここで、SVMは2クラスの分類問題を解く学習機械であるため、全クラスの外観評点に対して対象とする評点の画像とそれ以外の画像とを1種類ずつ総当たりで分類する(2クラス分類の繰り返し)問題として考える。 In this way, by learning using the SVM, a large number of rust images each given a score according to the appearance score criteria shown in Table 2 for the case of a rust image are represented by the feature vector E corresponding to each rust image. Build an identification model to be able to identify which grade it belongs to. For this purpose, as shown in FIGS. 4A and 4B, feature models E whose scores are known are classified using SVM to create an identification model that can be classified into five scores. Here, since the SVM is a learning machine that solves the two-class classification problem, the image of the target score and the other images are classified one-by-one for each of the appearance scores of all classes (two classes). (Repeat classification)
このようにSVMを用いた学習の過程を経て構築された識別モデルを用いることにより識別されていないさび画像がどの評点のものであるか画像さらにその識別モデルを用いてさび画像を自動的に識別することができる。識別モデルを構築しさび画像の評点を識別することをフローで示すと図6のようになる。
(b)識別モデルによりさび画像の識別とその結果による識別モデルを用いたさび画像の識別の有効性
図6に示すようなフローによりさび画像の評点を識別するための識別モデルの構築を実際にさび画像について実行し、構築された識別モデルを用いてさび画像の識別を行い、その結果を別途外観評定で得られた結果と対比し、識別モデルの有効性について検証する。
By using the identification model constructed through the learning process using SVM in this way, it is possible to automatically identify the rust image by using the identification model and the image of which score the unidentified rust image belongs to. can do. FIG. 6 shows a flow of constructing the identification model and identifying the score of the rust image.
(B) Identification of a rust image using an identification model and effectiveness of identification of a rust image using the identification model based on the identification model As a result, the construction of an identification model for identifying the score of a rust image by a flow as shown in FIG. It is executed on the rust image, the rust image is identified using the constructed identification model, and the result is compared with the result obtained by the appearance evaluation separately to verify the effectiveness of the identification model.
解析に用いるさび画像は、経過年数6年の無塗装橋梁から有効画素数300万画素のデジタルカメラで採取したものであり、得られた画像は全て
Y=0.299R+0.587G+0.114B
(R,G,Bは赤、緑、青の濃度値)の式によりグレースケールに変換するという前処理を行っている。さび画像558枚とそれらの外観評点を全パターンとし、それらの一部を学習パターンとして識別モデルを構築する。全パターンの外観評点は表3に示すようになっている。学習パターンはパターン数の制約による識別モデルのロバスト性を検証するために、全画像データに対する学習パターンの比率αを10%〜50%に変化させ適合率を比較する。また、学習の偏りを防ぐため、各条件での識別はランダムに選択した学習パターンによる識別モデル30組について行い、それらの適合率を平均して評価する。この識別モデルに対する適合率の評価は図7のフローの形で行う。
The rust images used in the analysis were taken from a 6-year-old unpainted bridge with a digital camera with 3 million effective pixels.
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Pre-processing is performed in which R, G, and B are converted to a gray scale according to an expression of red, green, and blue. An identification model is constructed with 558 rust images and their appearance scores as all patterns, and a part of them as a learning pattern. Table 3 shows the appearance scores of all patterns. For the learning pattern, in order to verify the robustness of the identification model due to the restriction on the number of patterns, the ratio α of the learning pattern with respect to all the image data is changed from 10% to 50%, and the matching rates are compared. Further, in order to prevent bias in learning, identification under each condition is performed on 30 identification models based on randomly selected learning patterns, and the matching ratios are averaged and evaluated. Evaluation of the relevance ratio for this identification model is performed in the form of the flow of FIG.
全パターンのうちの学習パターンの割合αを10%〜50%の範囲で変えていった場合の適合率の変化は図8(a)のようになり、最大解像度(k)は5〜8の場合について行っている。また、図8(b)には、最大解像度(k)を8とし、特徴ベクトル(E,En m,El m)と学習パターンの割合αを変えた場合の適合率の変化を示している。図8(a),(b)に示す結果から、学習パターンの割合が増えると適合率が向上するのは明らかである。全体のパターン数が一定であるため、学習パターンが増えると、残りの識別対象となるパターンの数は経るが、学習により適合率が向上することになる。また、図8(b)に示す結果からすれば、特徴ベクトルとしてEn m及びEl mを単独で用いるより、これらを併せたEを用いた方が適合率がよく、識別に有効なパラメータとなることがわかる。 When the ratio α of the learning patterns among all the patterns is changed in the range of 10% to 50%, the change in the matching rate is as shown in FIG. 8A, and the maximum resolution (k) is 5-8. Going about the case. Further, in FIG. 8 (b), the maximum resolution (k) is 8, shows a feature vector (E, E n m, E l m) changes in the adaptation rate when changing the ratio α of the learning pattern Yes. From the results shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), it is clear that the matching rate improves as the ratio of the learning pattern increases. Since the total number of patterns is constant, if the number of learning patterns increases, the number of remaining patterns to be identified passes, but the relevance rate is improved by learning. Further, according to the result shown in FIG. 8B, the matching rate is better when E is used as a feature vector than when E n m and E l m are used alone, and the parameter is effective for identification. It turns out that it becomes.
特徴ベクトルの次元数(d)と学習パターンの数(n)は適合率に大きく影響し、一般に2クラスの分類問題で統計的に信頼できる結果を得るのにn>2(d+1)の条件を満たす必要があると考えられている。図8(a)に示す結果では、最大解像度の違い(k=5,6,7,8)は適合率にそれほど影響を及ぼしていないと言える。最大解像度を低くすれば特徴ベクトルの次元数を削減でき、同じ学習パターン数であるとしても信頼性の向上につながるとともに、ウェーブレット変換やSVMの学習に要する時間が短縮される。ウェーブレット変換に際し低周波域での周波数エネルギーに対する誤差が大きいというようなことを踏まえて考えると、最大解像度は5〜6が合理的であると言える。 The number of feature vector dimensions (d) and the number of learning patterns (n) greatly affect the precision, and generally n> 2 (d + 1) is necessary to obtain a statistically reliable result in a two-class classification problem. It is considered necessary to meet. In the results shown in FIG. 8A, it can be said that the difference in the maximum resolution (k = 5, 6, 7, 8) does not significantly affect the precision. If the maximum resolution is lowered, the number of dimensions of the feature vector can be reduced. Even if the number of learning patterns is the same, the reliability is improved and the time required for wavelet transform and SVM learning is shortened. Considering that the error with respect to the frequency energy in the low frequency region is large in the wavelet transform, it can be said that 5 to 6 is reasonable for the maximum resolution.
表4に、最大解像度を6、学習パターンの割合(α)を50%として、学習パターンについての特徴ベクトルEにより学習を行って識別モデルを構築し、この識別モデルにより他の(100−α)%のパターンの識別を行うこと、これを学習パターンをランダムに選択することで識別モデルの構築、評価を30回行って得られた識別結果を合計したものを外観評定と対比して示す。表4において、SVMにより構築された識別モデルによる識別結果が外観評点と一致する対角線上の枠内の結果が正しい識別がなされたことを示し、その割合がカッコ内数字の適合率となる。最も高い適合率は評点1で94%、最も低い場合で評点3の72%であり、全体として学習モデルによる識別として良好な適合率が得られている。 Table 4 shows that the maximum resolution is 6 and the ratio (α) of the learning pattern is 50%, learning is performed using the feature vector E for the learning pattern, and an identification model is constructed. % Of patterns are identified, and a learning model is selected at random, and an identification model is constructed and evaluated 30 times, and the total of the identification results obtained is shown in comparison with the appearance rating. In Table 4, it is shown that the result in the diagonal frame in which the identification result by the identification model constructed by SVM matches the appearance score is correctly identified, and the ratio is the matching rate of the numbers in parentheses. The highest relevance rate is 94% with a score of 1 and 72% of a score of 3 with the lowest, and a good relevance rate is obtained as a whole by discrimination by a learning model.
ここでの説明では、識別モデルの構築とその有効性の検証とを行うという面から、全画像パターンのうちの一部(α%)を学習パターンとし、構築された識別モデルにより残りの(100−α)%のパターンの識別を行い、その識別結果か正しい評点と一致する適合率により識別モデルの有効性を確認したものであるが、このようにさび画像についてのウェーブレット解析、SVMを用いた学習により識別モデルを構築することにより、さび画像の評点の識別を自動的に行うことができる。識別を自動的に行うために精度の高い識別モデルを構築することが必要であり、そのためにはできるだけ多数、多様な画像のパターンを蓄積する必要がある。 In the description here, from the aspect of constructing an identification model and verifying its effectiveness, a part (α%) of all image patterns is used as a learning pattern, and the remaining (100 -Α)% of patterns were identified, and the effectiveness of the identification model was confirmed by the matching result that matched the identification result or the correct score. In this way, wavelet analysis on rust images and SVM were used. By building an identification model by learning, it is possible to automatically identify the score of the rust image. In order to automatically perform identification, it is necessary to construct a highly accurate identification model. To that end, it is necessary to accumulate as many and various image patterns as possible.
本発明を耐候性鋼材表面のさび画像をもとにさび外観を評価する場合の例に関して説明したが、ここでのウェーブレット解析、SVMを用いた学習による識別モデルの構築、それにより自動的識別を行うという手法は、特に耐候性鋼材のさび外観の評価に限られることはなく、一般的な材料の表面状態、あるいは地面・植生の状態等を撮像した画像により評価するような場合にも、表面状態が評点により分類されるものとして、適用可能なものである。 Although the present invention has been described with respect to an example of evaluating a rust appearance based on a rust image on the surface of a weather resistant steel material, a wavelet analysis here, construction of an identification model by learning using SVM, and automatic identification by that The method of performing is not particularly limited to the evaluation of the rust appearance of weathering steel, and even when evaluating the surface condition of general materials or the image of the ground / vegetation condition etc. Applicable as the state is classified by score.
Claims (3)
対象物の表面を撮像して得られ評点が付与されている画像について水平方向及び鉛直方向にウェーブレット変換を行い、最大解像度をkとして全解像度の周波数エネルギー和に対する解像度mにおける画像全体の周波数エネルギーEmの比En mと解像度mにおける水平方向及び鉛直方向の周波数エネルギー和に対する斜め方向のエネルギーの比El mとの解像度mごとの値を成分とする2k次元の特徴ベクトルEを求めるウェーブレット解析を複数の画像の各々に対して行うことと、
多次元の複数のベクトルを超平面により2つのクラスに分類するサポートベクトルマシンにより前記複数の画像にそれぞれ対応する2k次元の特徴ベクトルEを評点にしたがって分類して評点が未知の画像の評点をその特徴ベクトルEにより識別するための識別モデルを構築することと、
構築された前記識別モデルにより評点が未知の画像についての特徴ベクトルEからその評点を識別することと、
からなることを特徴とする対象物の表面状態を検査する方法。 A method for inspecting a surface state of an object by identifying a score representing the surface state by performing image processing on an image obtained by imaging the surface state of the object whose surface state is classified by a score,
The image obtained by imaging the surface of the object is subjected to wavelet transform in the horizontal direction and the vertical direction with respect to the image, and the frequency energy Em of the entire image at the resolution m with respect to the frequency energy sum of all resolutions with the maximum resolution as k. wavelet analysis for obtaining the 2k-dimensional feature vector E to the value of each resolution m and components of the ratio E l m of energy in an oblique direction with respect to the frequency energy sum of the horizontal and vertical directions in the ratio E n m and resolution m of Doing for each of the plurality of images;
A support vector machine that classifies a plurality of multi-dimensional vectors into two classes according to a hyperplane classifies the 2k-dimensional feature vector E corresponding to each of the plurality of images according to the score, and determines the score of an image whose score is unknown. Building an identification model for identification by feature vector E;
Identifying the score from the feature vector E for an image with an unknown score by the constructed identification model;
A method for inspecting a surface state of an object characterized by comprising:
The entire image at resolution m with respect to the sum of frequency energy of all resolutions, with wavelet transform performed in the horizontal and vertical directions for each of a plurality of images obtained by imaging the surface of the object and given a score. the frequency energy Em of the ratio E n m and 2k dimension whose value is the component for each resolution m of the ratio E l m of diagonal energy to frequency energy sum of the horizontal and vertical directions at resolution m feature vectors E The score is unknown by classifying the 2k-dimensional feature vector E corresponding to each of the plurality of images according to the score by the function of the support vector machine that classifies the multi-dimensional feature vectors into two classes by the hyperplane. An identification model for identifying the score of an image by its feature vector E is constructed. A score that represents the surface state by performing image processing on an image obtained by capturing the surface state of the target object by identifying the score from the feature vector E of the image whose score is unknown by the identification model. An image processing program for executing on a computer to inspect the surface state of an object based on identification.
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