CN109741326A - 基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统及方法 - Google Patents

基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统及方法,无须手工提取裂纹的形状、颜色、分布等特征,只需要提供尽量多的磁芯上表面裂纹的图片,将这些裂纹进行标注,输入到卷积神经网络,该网络能够自动学习裂纹的特征并形成具有泛化能力的检测模型,从而检测出磁芯表面的是否存在裂纹,如果存在将裂纹使用红色进行逐像素进行标注,能够达到99%+的准确率,同时漏检率极低。本发明应用于图像识别的技术领域。

Description

基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统及方法
技术领域
本发明涉及图像识别的技术领域,特别涉及基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统及方法。
背景技术
工业领域会大量使用磁芯(铁氧体)生产各种电子设备的线圈和变压器,使用基数庞大,涉及领域通常需要保证磁芯所用的电子器件稳定、持久,如果磁芯有表面裂纹,后续的使用中会因为震动等原因使裂纹扩大造成电子器件故障,所以对磁芯质量的要求严苛,必须保证磁芯不能出现影响使用的表面裂纹。
目前深度学习技术(卷积神经网络是深度学习技术的一种)近两三年来在学术界、工业界都取得了巨大的成就,各大互联网巨头谷歌(Google)、 微软(Microsoft)、脸谱(Facebook)、阿里巴巴、百度等相继成立深度学习研究机构,以解决在图像、语音、文字等领域的各类问题。然而深度学习技术在磁芯表面裂纹检测方面的研究尚未有成果。
磁芯体积通常很小,裂纹形状不规则,同时存在很多极细的、人眼很难直接观测到的裂纹,对于人工检测的难度极大、检测的准确率很低。近几年机器视觉检测磁芯表面裂纹系统问世,目的是辅助人工检测磁芯表面裂纹, 提升检测准确率。这类利用传统机器视觉算法进行磁芯表面裂纹检测的系统,大多数是利用类似于专家决策系统的图像识别算法进行裂纹识别,需要预先手工提取裂纹的形状、颜色、分布等特征。但由于磁芯表面裂纹的形状具有不确定性、分布的离散性,同时磁芯表面凹凸不平、颜色斑杂,这类检测方法无法适应这种复杂的检测,漏检率很高,准确率很低,只有30%~60%。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供了一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测模型的确定系统及方法,以解决现有技术所存在的基于类似于专家决策系统的图像识别算法识别磁芯表面裂纹准确率低的问题。
本发明所采用的技术方案是:本发明提供的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统,它包括:
图像信息获取单元:用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
卷积神经网络配置单元:用于调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分別进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元:用于将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优模型;
第二图像信息获取单元,用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
测试单元,用于将所述测试集输入最优磁芯表面裂纹检测模型,得到测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性。
优选的,所述卷积神经网络的结构包括:输入层、第一卷积层、第二卷积层、.....、第二十四卷积层、第一池化层、第二池化层、.....、第二十四池化层及全连接输出层;
所述输入层,用于输入磁芯表面裂纹图像信息;
所述第一卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与输入层输入的磁芯表面裂纹图像信息进行卷积运算得到第一卷积特征图;
所述第一池化层,用于对第一卷积层输出的第一卷积特征图进行采样,得到采样区域的第一层特征平均值;
所述第二卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与第一池化层输出的第一层特征平均值进行卷积运算得到第二卷积层特征图;
所述第二池化层,用于对第二卷积层输出的第二卷积特征图进行采样,得到采样区域的第二层特征平均值;
所述的第三卷积层至二十四卷积层重复第一卷积层和第二卷积层的操作、所述的第三池化层至二十四池化层重复第一池化层和第二池化层的操作;
所述全连接输出层,用于对第二十四池化层输出的第二十四层特征平均值进行训练,输出磁芯表面裂纹检测结果,所述结果包括:正常、裂纹标注图像。
优选的,所述卷积神经网络配置单元包括:
初始化模块,用于初始化卷积神经网络中的所有权重;
激活值生成模块,用于根据训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与第一卷积层权重作矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
误差确定模块,用于利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差;
权重更新模块,用于利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
训练结果保存模块,用于完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
本发明还提供的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定方法,包括以下步骤:
s1.通过所述图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
s2.通过所述卷积神经网络配置单元调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分别进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
s3.将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,通过最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型;
s4.通过第二图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
s5.将所述测试集输入所述最优磁芯表面裂纹检测模型,得到所述测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,并统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性,所述磁芯表面裂纹检测结果包括:正常、裂纹标注图像。
优选的,在步骤s1中,还包括对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像进行预处理,并转化为一定的数据格式,所述预处理包括:对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像的大小进行归一化处理、做主成分分析、白化处理、图像增强处理。
优选的,在步骤s2中,还包括以下步骤:
d1.初始化卷积神经网络中的所有权重;
d2.根据所述训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与笫一卷积层权重做矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
d3.利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差;
d4.利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
d5.重复d2〜d4,直至完成预设的迭代次数后,完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
本发明的有益效果是:由于本发明通过获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集,并调整卷积神经元网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分别进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数,最后将所述交叉验证集分別作为所述多个不同结构卷积神经网络的输入,将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型。这样,通过训练集对多个不同结构的卷积神经网络分别进行训练,再通过交叉验证集确定磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络,并将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络将作为最优磁芯表面裂纹检测模型,利用该最优磁芯表面裂纹检测模型对获取到的磁芯表面裂纹图像进行检测,能够增加检测结果的准确率和可靠性。无须手工提取裂纹的形状、颜色、分布等特征,只需要提供尽量多的磁芯上表面裂纹的图片,将这些裂纹进行标注,输入到卷积神经网络,该网络能够自动学习裂纹的特征并形成具有泛化能力的检测模型,从而检测出磁芯表面的是否存在裂纹,如果存在将裂纹使用红色进行逐像素进行标注,能够达到99%+的准确率,同时漏检率极低。
附图说明
图1是本发明提供的基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测模型的确定方法的方法流程图一;
图2是本发明实施例提供的卷积神经网络的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示,在本实施例中,本发明提供的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统,包括:
图像信息获取单元:用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
卷积神经网络配置单元:用于调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分別进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元:用于将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优模型;
第二图像信息获取单元,用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
测试单元,用于将所述测试集输入最优磁芯表面裂纹检测模型,得到测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性。
在本实施例中,可在一配置文件中配置卷积神经网络的结构信息,所述卷积神经网络的结构包括:输入层、第一卷积层、第二卷积层、.....、第二十四卷积层、第一池化层、第二池化层、.....、第二十四池化层及全连接输出层。可配置所述全连接输出层的神经元构成(包括:神经元个数)以及输入参数和输出参数,还能配置神经元激活函数为ReLu函数,所述ReLu函数能够避免训练过程陷入因为梯度弥散而导致训练停滞的情况,使得之后的训练起不到任何作用,还会导致训练完后的卷积神经网络的检测结果的准确率降低。
所述输入层由原始图像像素排列构成,用于输入磁芯表面裂纹图像信息;
所述第一卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与输入层输入的磁芯表面裂纹图像信息进行卷积运算得到第一卷积特征图,卷积特征图相比于原始图像特征(像素)而更抽象、概括,更能表征原始图像;
所述第一池化层,用于对第一卷积层输出的第一卷积特征图进行采样,得到采样区域的第一层特征平均值,以解决过拟合的情况,井降低计算量,提升计算效率;
所述第二卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与第一池化层输出的第一层特征平均值进行卷积运算得到第二卷积层特征图;
所述第二池化层,用于对第二卷积层输出的第二卷积特征图进行采样,得到采样区域的第二层特征平均值;
所述的第三卷积层至二十四卷积层重复第一卷积层和第二卷积层的操作、所述的第三池化层至二十四池化层重复第一池化层和第二池化层的操作;
所述全连接输出层,用于对第二十四池化层输出的第二十四层特征平均值进行训练,输出磁芯表面裂纹检测结果,所述结果包括:正常、裂纹标注图像(将裂纹在输入的磁芯表面裂纹图中用红色逐像素标注出来)。
在本实施例中,还需在解决器的配置文件中指定learning rate (学习速率)为0.01,迭代次数为150000次, momentum (动量)为0.9,weight decay (权重衰退)为0.0005,指定模式为图形处理器(Graphic ProcesS1ng Unit,GPU)
在本实施例中,所述卷积神经网络配置单元包括:
初始化模块,用于初始化卷积神经网络中的所有权重;
激活值生成模块,用于根据训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与第一卷积层权重作矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
误差确定模块,用于利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差,所述误差称为残差,表明了该层对最终输出值的残差产生了多少影响;以此类推,可以算出每一层相应的残差;
权重更新模块,用于利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
训练结果保存模块,用于完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
如图1所示,在本实施例中,本发明提供的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定方法,包括以下步骤:
s1.通过所述图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
s2.通过所述卷积神经网络配置单元调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分别进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
s3.将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,通过最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型;
s4.通过第二图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
s5.将所述测试集输入所述最优磁芯表面裂纹检测模型,得到所述测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,并统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性,所述磁芯表面裂纹检测结果包括:正常、裂纹标注图像(将裂纹在输入的磁芯表面裂纹图中用红色逐像素标注出来)。
所述的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测模型的确定方法,通过获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集,并调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分别进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数,最后将所述交叉验证集分别作为所述多个不同结构卷积神经网络的输入,将诊结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型。这样,通过训练集对多个不同结构的卷积神经网络分别进行训练,再通过交叉验证集确定磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络,并将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络将作为最优磁芯表面裂纹检测模型,利用该最优磁芯表面裂纹检测模型对获取到的磁芯表面裂纹图像进行检测,能够增加检测结果的准确率和可靠性。
例如,可以调整5个卷积神经网络每层神经元的个数,通过所述训练集分别对调整后的10个结构卷积神经元网络分别进行训练,确定5个不同结构的卷积神经网络的参数信息,也就是说这10个不同结构卷积神经网络的输入相同,最后将交叉验证集作为这5个卷积神经网络的输入,得到各卷积神经网络的检测结果及准确率,并将检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型。
基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测模型的确定方法是一种基于机器学习的裂纹检测,其检测结果更为精准,因为机器学习是基于统计学的原理,通过超大规模数据量的训练构建出最优的权重得到最优磁芯表面裂纹检测模型。
在本实施例中,不仅需获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集,还需获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集,再将所述测试集输入最优磁芯表面裂纹检测模型,得到测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,通过统计得到该最优磁芯表面裂纹检测模型的检测准确率力 99%+,因为测试集中的各测试样本代表磁芯实际的表面裂纹,从而能够证明最优磁芯表面裂纹检测模型的检测结果具备较高的准确率和可靠性。
在本实施例中,获取到的训练集、交叉验证集、测试集中的各磁芯表面裂纹检测样本图像的比例为9:3:3。
在本实施例中,步骤s1还包括对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像进行预处理,并转化为一定的数据格式,所述预处理包括:对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像的大小进行归一化处理、做主成分分析、白化处理、图像增强处理。
例如,可以利用tensorflow工具构建卷积神经网络,具体的,从 tensorflow的github上下载全部tensorflow代码构建卷积神经网络,其中,tensorflow是一个深度学开源工具,github是一个分布式版本控制系统,这样,在对训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像进行预处理后,还需将预处理后的磁芯表面裂纹图像转换为tensorflow能处理的tfrecord数据格式,tfrecord是一种数据格式。
在本实施例中,在步骤s2还包括以下步骤:
d1.初始化卷积神经网络中的所有权重;
d2.根据所述训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与笫一卷积层权重做矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
d3.利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差;
d4.利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
重复d2〜d4,直至完成预设的迭代次数后,完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
本发明应用于图像识别的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的,但是并不构成对本发明含义的限制,对于本领域的技术人员,根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (6)

1.基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统,其特征在于:它包括:
图像信息获取单元:用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
卷积神经网络配置单元:用于调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分別进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元:用于将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优模型;
第二图像信息获取单元,用于获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
测试单元,用于将所述测试集输入最优磁芯表面裂纹检测模型,得到测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统,其特征在于:所述卷积神经网络的结构包括:输入层、第一卷积层、第二卷积层、.....、第二十四卷积层、第一池化层、第二池化层、.....、第二十四池化层及全连接输出层;
所述输入层,用于输入磁芯表面裂纹图像信息;
所述第一卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与输入层输入的磁芯表面裂纹图像信息进行卷积运算得到第一卷积特征图;
所述第一池化层,用于对第一卷积层输出的第一卷积特征图进行采样,得到采样区域的第一层特征平均值;
所述第二卷积层,用于将预先训练好的第一层卷积核与第一池化层输出的第一层特征平均值进行卷积运算得到第二卷积层特征图;
所述第二池化层,用于对第二卷积层输出的第二卷积特征图进行采样,得到采样区域的第二层特征平均值;
所述的第三卷积层至二十四卷积层重复第一卷积层和第二卷积层的操作、所述的第三池化层至二十四池化层重复第一池化层和第二池化层的操作;
所述全连接输出层,用于对第二十四池化层输出的第二十四层特征平均值进行训练,输出磁芯表面裂纹检测结果,所述结果包括:正常、裂纹标注图像。
3.根据权利要求1所述的基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定系统,其特征在于:所述卷积神经网络配置单元包括:
初始化模块,用于初始化卷积神经网络中的所有权重;
激活值生成模块,用于根据训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与第一卷积层权重作矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
误差确定模块,用于利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差;
权重更新模块,用于利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
训练结果保存模块,用于完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
4.一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定方法,其特征在于:它包括以下步骤:
s1.通过所述图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为训练集及交叉验证集;
s2.通过所述卷积神经网络配置单元调整卷积神经网络每层神经元的个数,利用所述训练集对调整后的多个不同卷积神经网络分别进行训练,确定多个不同结构的卷积神经网络的参数;
s3.将所述交叉验证集分别输入所述多个不同结构卷积神经网络,通过最优磁芯表面裂纹检测模型确定单元将磁芯表面裂纹检测结果准确率最高的卷积神经网络作为最优磁芯表面裂纹检测模型;
s4.通过第二图像信息获取单元获取磁芯表面裂纹图像信息作为测试集;
s5.将所述测试集输入所述最优磁芯表面裂纹检测模型,得到所述测试集中各测试样本的磁芯表面裂纹检测结果,并统计磁芯表面裂纹检测结果的准确性,所述磁芯表面裂纹检测结果包括:正常、裂纹标注图像。
5.根据权利要求4所述的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定方法,其特征在于:在步骤s1中,还包括对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像进行预处理,并转化为一定的数据格式,所述预处理包括:对所述训练集、交叉验证集及测试集中的磁芯表面裂纹图像的大小进行归一化处理、做主成分分析、白化处理、图像增强处理。
6.根据权利要求4所述的一种基于卷积神经网络的磁芯表面裂纹检测的确定方法,其特征在于:在步骤s2中,还包括以下步骤:
d1.初始化卷积神经网络中的所有权重;
d2.根据所述训练集中给定的训练样本,进行前向传导运算,即由输入层与笫一卷积层权重做矩阵运算得到第一池化层所有神经元的激活值,将此与第一池化层权重作矩阵运算得到第二卷积层所有神经元的激活值,以此类推,最终得到全连接输出层的激活值;
d3.利用全连接输出层产生的激活值与实际值之间的误差和全连接输出层的权重,确定第二十四池化层的误差,以此类推,算出每一层相应的误差;
d4.利用每一层的误差算出相应的偏导数,利用偏导数来更新所有权重;
d5.重复d2〜d4,直至完成预设的迭代次数后,完成卷积神经网络的训练过程,保存训练结果。
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