JP2021163078A - Foreign matter detection device, foreign matter removal device, and foreign matter detection method - Google Patents

Foreign matter detection device, foreign matter removal device, and foreign matter detection method Download PDF

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Abstract

To provide a foreign matter detection device capable of accurately detecting foreign matter from iron-based scrap mixed with foreign matter.SOLUTION: A foreign matter detection device 1 is provided, comprising a target image acquisition unit 2 configured to acquire a captured target image of a target object including iron-based scrap, and an image discrimination unit 3 configured to detect foreign matter by discriminating iron-based scrap and foreign matter other than the iron-based scrap from the target object on the basis of the target image.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、異物検出装置に係り、特に、鉄系スクラップに混在した異物を検出する異物検出装置に関する。
また、この発明は、このような異物検出装置を用いて異物を除去する異物除去装置にも関している。
さらに、この発明は、鉄系スクラップに混在した異物を検出する異物検出方法にも関している。
The present invention relates to a foreign matter detecting device, and more particularly to a foreign matter detecting device for detecting foreign matter mixed in iron-based scrap.
The present invention also relates to a foreign matter removing device that removes foreign matter by using such a foreign matter detecting device.
Furthermore, the present invention also relates to a foreign matter detecting method for detecting foreign matter mixed in iron-based scrap.

環境負荷を低減しつつ鉄鋼製品を製造するため、鉄原料として鉄系スクラップの利用増加が望まれている。市中から集められる鉄系スクラップは、加工装置、自動車、電気装置等の様々な製品の廃棄物として生み出されている。これらの製品は、制御等に利用される電子機器、アクチュエータとなるモータ、各種センサ、さらに、電子機器とアクチュエータおよびセンサ等を接続する電線などの様々な機器により構成されている。このような製品の廃棄物から鉄主体の材料を取り出すことにより、鉄系スクラップとしているが、鉄主体の材料と他の材料は製品製造時に密接に接続されていることが多いため、鉄以外の成分を含む材料が鉄系スクラップに混在することがある。鉄以外の成分を含む材料としては、例えば、銅を含む電気モータ、銅を含む電線、銅または他の金属を含む電子基板、液体を含む可能性がある空き缶などがある。 In order to manufacture steel products while reducing the environmental load, it is desired to increase the use of iron-based scrap as an iron raw material. Iron-based scrap collected from the city is produced as waste of various products such as processing equipment, automobiles, and electric equipment. These products are composed of various devices such as electronic devices used for control and the like, motors serving as actuators, various sensors, and electric wires connecting electronic devices with actuators and sensors. Iron-based scrap is obtained by extracting iron-based materials from the waste of such products, but iron-based materials and other materials are often closely connected during product manufacturing, so other than iron. Materials containing components may be mixed in iron scrap. Materials containing components other than iron include, for example, electric motors containing copper, electric wires containing copper, electronic substrates containing copper or other metals, empty cans that may contain liquids, and the like.

一方、鉄鋼製品を生産する場合、鉄鋼製品を構成する組成が重要となる。例えば、鉄鋼製品に異物として銅成分が多く含まれると、製造時に割れの原因となり、問題が生じる。この銅成分は、鉄鋼製品を製造するために鉄系スクラップとともに溶解されると、製造過程では取り除くことが困難である。異物に関しては、銅以外でも問題になることがある。例えば、内部に液体が含まれた飲料用缶が鉄系スクラップに混在する場合には、鉄系スクラップの融解時に、液体が高温により気化して飲料用缶が破裂し、製造装置を破損するおそれがある。 On the other hand, when producing steel products, the composition constituting the steel products is important. For example, if a steel product contains a large amount of copper as a foreign substance, it causes cracks during manufacturing, which causes a problem. When this copper component is melted together with iron scrap for manufacturing steel products, it is difficult to remove it in the manufacturing process. Regarding foreign substances, there may be problems other than copper. For example, when a beverage can containing a liquid inside is mixed with iron scrap, the liquid may vaporize due to high temperature and the beverage can may burst and damage the manufacturing equipment when the iron scrap is melted. There is.

このように、鉄以外の成分を含む材料は、鉄系スクラップとともに溶解した場合に、鉄鋼製品の製造時に種々の問題を発生させるため、溶解前にできる限り取り除くことが望ましい。
鉄系スクラップから異物となる鉄以外の材料を取り除くには、鉄系スクラップ内における異物の位置を特定する必要がある。
As described above, it is desirable to remove the material containing components other than iron as much as possible before melting because it causes various problems in the production of steel products when melted together with iron-based scrap.
In order to remove non-iron materials that become foreign substances from iron-based scrap, it is necessary to identify the position of the foreign substances in the iron-based scrap.

近年、対象物を撮像した画像から、画像要素(画素)毎に被撮像物の種別を判定する、いわゆる、深層学習を利用した画像セグメンテーションによる物体認識技術が開発されている。例えば、道路と自動車とを識別するセマンティックセグメンテーションにおいて、道路を「0」、自動車を「1」と判別するものであれば、道路と自動車とが撮像された画像を入力すると、道路上に位置する画像要素は「0」、自動車の上に位置する画像要素は「1」と判定され、入力された画像と同一サイズを有し且つ「0」と「1」の2値で表された結果行列が出力される。結果行列における値「1」の座標を抽出することにより、自動車の位置を特定することができる。 In recent years, an object recognition technique based on image segmentation using so-called deep learning, in which the type of an imaged object is determined for each image element (pixel) from an image obtained by capturing an object, has been developed. For example, in the semantic segmentation that distinguishes a road from an automobile, if the road is determined to be "0" and the automobile is determined to be "1", when an image of the road and the automobile is input, the vehicle is located on the road. The image element is determined to be "0", the image element located above the automobile is determined to be "1", and the result matrix has the same size as the input image and is represented by two values of "0" and "1". Is output. By extracting the coordinates of the value "1" in the result matrix, the position of the automobile can be specified.

画像セグメンテーションにより画像要素毎に精度の高い種別判定を行うためには、大量の教師データを用いた機械学習が必要になる。それぞれの教師データは、対象物となる物体を撮像した教師画像と、教師画像内の判別したい物体が撮像されている画像要素に物体を特定することができるラベルを付した教師ラベルとを有するものである。 Machine learning using a large amount of teacher data is required in order to perform highly accurate type determination for each image element by image segmentation. Each teacher data has a teacher image that captures an object as an object, and a teacher label with a label that can identify the object on the image element in which the object to be discriminated in the teacher image is captured. Is.

特に、鉄系スクラップは、寸法が管理された製造プロセスで生産されるものでないため、様々な形状、大きさがあり、姿勢もランダムである。鉄以外の成分を含む異物となるものも、様々な形状、大きさがあり、姿勢もランダムである。様々な形状、大きさ、姿勢を持つ鉄系スクラップに、同様に様々な形状、大きさ、姿勢を持つ異物が混在する画像の組み合わせはほぼ無限大であり、鉄系スクラップから異物を判別するには、鉄系スクラップに異物を含んだ教師画像と教師ラベルを大量に用意しなくてはならない。 In particular, iron-based scrap is not produced by a dimensionally controlled manufacturing process, so it has various shapes and sizes, and its posture is random. Foreign substances containing components other than iron also have various shapes and sizes, and their postures are random. There are almost infinite combinations of images in which foreign matter with various shapes, sizes, and postures is mixed with iron-based scraps with various shapes, sizes, and postures. Must prepare a large number of teacher images and teacher labels containing foreign matter in iron scrap.

ここで、教師画像と教師ラベルとからなる教師データを大量に作成する方法として、特許文献1の方法が提案されている。特許文献1の方法によれば、事前に用意したある一定量の教師画像と教師ラベルとからなる初期教師データを用いた機械学習により画像セグメンテーションの第1機械学習モデルを生成し、第1機械学習モデルを用いて初期教師データにおける教師画像以外の教師画像に対して画像セグメンテーションすることにより、これらの教師画像に対する教師ラベルを作成する。このようにして、大量の教師画像と教師ラベルとが作成される。 Here, the method of Patent Document 1 has been proposed as a method of creating a large amount of teacher data including a teacher image and a teacher label. According to the method of Patent Document 1, a first machine learning model of image segmentation is generated by machine learning using initial teacher data consisting of a certain amount of teacher images and teacher labels prepared in advance, and the first machine learning is performed. Teacher labels for these teacher images are created by image segmentation of teacher images other than the teacher images in the initial teacher data using the model. In this way, a large number of teacher images and teacher labels are created.

特開2019−101535号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-101535

しかしながら、特許文献1の方法により大量の教師データを作成し、画像セグメンテーションを用いて、異物を含む鉄系スクラップが撮像された画像から異物の位置を特定しようとしても、第1機械学習モデルを生成するために必要な一定量の教師画像と教師ラベルを、異物を含む鉄系スクラップの画像から異物を判別することができる程度の数量だけ準備することが困難であるという問題がある。 However, even if a large amount of teacher data is created by the method of Patent Document 1 and an attempt is made to identify the position of a foreign substance from an image obtained by capturing an iron-based scrap containing a foreign substance by using image segmentation, a first machine learning model is generated. There is a problem that it is difficult to prepare a certain amount of teacher images and teacher labels necessary for this purpose in a quantity sufficient to distinguish foreign substances from the image of iron-based scrap containing foreign substances.

その理由は、鉄系スクラップに混在する異物は、多くは鉄系スクラップ業者が取り除く作業を行うため、異物が混在した鉄系スクラップを撮影した画像は少ないからである。さらに、鉄系スクラップと異物の形状、大きさ、姿勢はほぼランダムであるため、あらゆる混在パターンを想定した画像を準備することは困難である。 The reason is that most of the foreign matter mixed in the iron-based scrap is removed by the iron-based scrap supplier, so there are few images of the iron-based scrap mixed with the foreign matter. Furthermore, since the shapes, sizes, and orientations of iron scrap and foreign matter are almost random, it is difficult to prepare an image assuming all mixed patterns.

また、異物が混在した鉄系スクラップの画像を大量に入手できたとしても、異物と鉄系スクラップは似ていることが多いため、熟練した作業員でないと判別が難しく、多数の熟練した作業員を確保することは難しい。たとえ、熟練した作業員を多数集められたとしても、形状、大きさ、姿勢にランダム性の強い鉄系スクラップと異物とが混在した教師画像から異物を見つけ出し、教師ラベルを作成する作業を、人手で行うには多大の時間と労力を要する。 In addition, even if a large amount of images of iron-based scrap containing foreign matter can be obtained, it is difficult to distinguish between foreign matter and iron-based scrap because they are often similar to each other, and many skilled workers. It is difficult to secure. Even if a large number of skilled workers are gathered, the work of finding foreign substances from the teacher image in which iron scrap and foreign substances with strong randomness in shape, size, and posture are mixed and creating a teacher label is manually performed. It takes a lot of time and effort to do it.

そもそも、鉄系スクラップから取り除かれた異物を撮影することはあっても、異物が混在している状態の鉄系スクラップを撮影することは少ないため、教師画像を確保すること自体、難しいことが多い。
このため、従来は、異物が混在する鉄系スクラップから精度よく異物を検出して取り除くことが困難であった。
In the first place, although it is possible to photograph foreign matter removed from iron-based scrap, it is rare to photograph iron-based scrap in a state where foreign matter is mixed, so it is often difficult to secure a teacher image itself. ..
For this reason, conventionally, it has been difficult to accurately detect and remove foreign matter from iron-based scrap in which foreign matter is mixed.

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、異物が混在する鉄系スクラップから精度よく異物を検出することができる異物検出装置を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような異物検出装置を用いて異物が混在する鉄系スクラップから異物を除去する異物除去装置を提供することも目的としている。
さらに、この発明は、異物が混在する鉄系スクラップから精度よく異物を検出することができる異物検出方法を提供することも目的としている。
The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide a foreign matter detecting device capable of accurately detecting foreign matter from iron-based scrap in which foreign matter is mixed.
Another object of the present invention is to provide a foreign matter removing device for removing foreign matter from iron-based scrap in which foreign matter is mixed by using such a foreign matter detecting device.
Another object of the present invention is to provide a foreign matter detecting method capable of accurately detecting foreign matter from iron-based scrap in which foreign matter is mixed.

この発明に係る異物検出装置は、鉄系スクラップを含む対象物が撮像された対象物画像を取得する対象物画像取得部と、対象物画像に基づいて対象物から鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物とを判別することにより異物を検出する画像判別部とを備えるものである。 The foreign matter detection device according to the present invention includes an object image acquisition unit that acquires an image of an object in which an object including iron scrap is imaged, and an object other than iron scrap and iron scrap from the object based on the object image. It is provided with an image discrimination unit that detects foreign matter by discriminating it from foreign matter.

画像判別部は、対象物画像を複数の画像要素に分割して画像要素毎に鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物のいずれであるかを判定し且つ異物であると判定された画像要素の集合体を異物と認識する種別判定部を含むことが好ましい。
種別判定部は、多層ニューラルネットワークにより構成され、多層ニューラルネットワークのパラメータは、鉄系スクラップに異物が混在する教師画像と、教師画像に対応し且つ教師画像内の異物が存在する位置に所定の標識によるラベル付けがなされた教師ラベルと、を含む複数の教師データに基づいて機械学習されることが好ましい。
The image discrimination unit divides the object image into a plurality of image elements, determines whether each image element is an iron-based scrap or a foreign substance other than the iron-based scrap, and determines whether the image element is a foreign substance. It is preferable to include a type determination unit that recognizes the aggregate as a foreign substance.
The type determination unit is composed of a multi-layer neural network, and the parameters of the multi-layer neural network are a teacher image in which foreign matter is mixed in iron-based scrap and a predetermined marker at a position corresponding to the teacher image and where the foreign matter exists in the teacher image. It is preferable that machine learning is performed based on a plurality of teacher data including a teacher label labeled by.

画像判別部は、複数の教師データを作成する教師データ作成部と、教師データ作成部により作成された複数の教師データを用いて、種別判定部を構成する多層ニューラルネットワークのパラメータを機械学習させる種別判定機能学習部とを含むことが好ましい。
教師データ作成部は、鉄系スクラップのみが撮像された鉄系スクラップ画像を取得する鉄系スクラップ画像取得部と、異物が含まれる異物含有画像を取得する異物含有画像取得部と、異物含有画像から異物の画像部分を切り出す画像切り出し部と、画像切り出し部により切り出され且つ鉄系スクラップを背景にした異物の画像部分を鉄系スクラップ画像に貼り付けることにより教師画像を作成する教師画像作成部と、教師画像に対応する教師ラベルを作成する教師ラベル作成部とを含むことが好ましい。
The image discrimination unit is a type that uses a teacher data creation unit that creates a plurality of teacher data and a plurality of teacher data created by the teacher data creation unit to machine-learn the parameters of the multi-layer neural network that constitutes the type determination unit. It is preferable to include a determination function learning unit.
The teacher data creation unit is composed of an iron-based scrap image acquisition unit that acquires an iron-based scrap image in which only iron-based scrap is captured, a foreign matter-containing image acquisition unit that acquires a foreign matter-containing image containing foreign matter, and a foreign matter-containing image. An image cut-out part that cuts out an image part of a foreign object, a teacher image creation part that creates a teacher image by pasting an image part of a foreign substance that is cut out by the image cut-out part and has an iron-based scrap as a background on an iron-based scrap image. It is preferable to include a teacher label creation unit that creates a teacher label corresponding to the teacher image.

この発明に係る異物除去装置は、上記の異物検出装置と、種別判定部による判定結果に基づいて実空間における異物の位置を特定する異物位置特定部と、異物位置特定部により特定された異物の位置に基づいて、対象物から異物を除去する異物除去部とを備えるものである。 The foreign matter removing device according to the present invention includes the above-mentioned foreign matter detecting device, a foreign matter position specifying unit that identifies the position of the foreign matter in the real space based on the determination result by the type determination unit, and the foreign matter identified by the foreign matter position specifying unit. It is provided with a foreign matter removing portion that removes foreign matter from the object based on the position.

この発明に係る異物検出方法は、鉄系スクラップを含む対象物が撮像された対象物画像を取得する対象物画像取得ステップと、対象物画像に基づいて鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物とを判別することにより異物を検出する判別ステップとを備える方法である。 The foreign matter detection method according to the present invention includes an object image acquisition step of acquiring an object image in which an object including iron scrap is imaged, and iron scrap and foreign matter other than iron scrap based on the object image. It is a method including a discrimination step of detecting a foreign substance by discriminating.

この発明によれば、対象物画像取得部が、鉄系スクラップを含む対象物が撮像された対象物画像を取得し、画像判別部が、対象物画像に基づいて対象物から鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物とを判別することにより異物を検出するので、異物が混在する鉄系スクラップから精度よく異物を検出することが可能となる。 According to the present invention, the object image acquisition unit acquires an object image in which an object including iron scrap is imaged, and the image discrimination unit acquires iron scrap and iron from the object based on the object image. Since the foreign matter is detected by distinguishing it from foreign matter other than the scrap, it is possible to accurately detect the foreign matter from the iron scrap in which the foreign matter is mixed.

この発明の実施の形態1に係る異物検出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the foreign matter detection apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 鉄系スクラップと異物とを含む対象物が撮像された対象物画像を示す図である。It is a figure which shows the object image which imaged the object containing iron scrap and foreign matter. 複数の画像要素に分割された対象物画像を示す図である。It is a figure which shows the object image divided into a plurality of image elements. 図3の対象物画像に対して画像要素毎に種別判定を行うことにより得られる判定行列を画像要素の位置に合わせて表示した図である。It is a figure which displayed the determination matrix obtained by performing the type determination for each image element with respect to the object image of FIG. 3 in accordance with the position of an image element. 実施の形態1係る異物検出装置に用いられた教師データ作成部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the teacher data creation part used for the foreign matter detection apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 鉄系スクラップ画像を示す図である。It is a figure which shows the iron scrap image. 異物含有画像を示す図である。It is a figure which shows the foreign matter containing image. 異物含有画像から切り出された異物の画像部分を示す図である。It is a figure which shows the image part of the foreign matter cut out from the foreign matter containing image. 異物の画像部分を鉄系スクラップ画像に貼り付けることにより作成された教師画像を示す図である。It is a figure which shows the teacher image created by pasting the image part of a foreign substance on an iron scrap image. 複数の画像要素に分割された教師画像を示す図である。It is a figure which shows the teacher image divided into a plurality of image elements. 図10の教師画像に対応して作成された教師ラベルを示す図である。It is a figure which shows the teacher label created corresponding to the teacher image of FIG. 実施の形態2に係る異物除去装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the foreign matter removing apparatus which concerns on Embodiment 2. 異物除去装置に用いられる異物除去部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the foreign matter removing part used in the foreign matter removing apparatus. 鉄系スクラップと異物とを含む対象物から異物を除去して、鉄系スクラップを電気炉に装入する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation which removes foreign matter from the object containing iron scrap and foreign matter, and charges iron scrap into an electric furnace. 異物を除去している異物除去部を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the foreign matter removing part which removes a foreign matter.

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1
図1に、実施の形態1に係る異物検出装置1の構成を示す。
異物検出装置1は、鉄系スクラップが含まれる対象物を撮像することにより対象物画像を取得する対象物画像取得部2と、対象物画像取得部2に有線または無線により接続され且つ対象物画像に基づいて対象物から鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物とを判別する画像判別部3とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 shows the configuration of the foreign matter detecting device 1 according to the first embodiment.
The foreign matter detection device 1 is connected to an object image acquisition unit 2 that acquires an object image by imaging an object containing iron-based scrap and an object image acquisition unit 2 by wire or wirelessly, and is an object image. It is provided with an image discrimination unit 3 for discriminating between iron-based scrap and foreign matter other than iron-based scrap from the object based on the above.

ここで、鉄系スクラップは、例えば、スクラップ業者から調達することができる。スクラップ業者により市中から集められた鉄系スクラップは、自動車、建材などの廃棄物として生み出されたもので、鉄以外の材料からなる廃棄物が混在しやすい。鉄系スクラップに混在する鉄以外の材料の中には、鉄鋼製品として望ましくない成分のもの、生産プロセスで問題を起こすものが存在する。鉄鋼製品として望ましくない成分を含むものとしては、例えば、銅を含む電気モータ、電線、電子基板があり、生産プロセスで問題を引き起こすものとしては、内部に液体が含まれる飲料缶、内部に爆発性の気体原料が残っているガス管等である。鋼板に銅が含まれてしまうと、鋼板の加工時に割れの原因になることがある。液体を含む飲料缶、爆発性の気体原料を含むガス管が鉄系スクラップと共に電気炉に装入されると、電気炉内で爆発が生じ、電気炉および周辺の製造装置を破損するおそれがある。 Here, iron-based scrap can be procured from, for example, a scrap supplier. Iron-based scrap collected from the market by scrap companies is produced as waste for automobiles, building materials, etc., and waste made of materials other than iron is likely to be mixed. Among the materials other than iron mixed in iron-based scrap, there are materials that are not desirable as steel products and those that cause problems in the production process. Examples of steel products containing undesired components include electric motors, electric wires, and electronic substrates containing copper, and those that cause problems in the production process are beverage cans containing liquid inside and explosive inside. It is a gas pipe or the like in which the gas raw material of the above remains. If the steel sheet contains copper, it may cause cracks during processing of the steel sheet. If a beverage can containing a liquid or a gas pipe containing an explosive gas raw material is charged into an electric furnace together with iron scrap, an explosion may occur in the electric furnace and damage the electric furnace and surrounding manufacturing equipment. ..

対象物画像取得部2は、取得した対象物画像を有線または無線により画像判別部3に転送する機能を有している。対象物画像取得部2として、可視光を利用して対象物を撮像する一般的な可視光カメラだけでなく、赤外線を利用して対象物を撮像する赤外線カメラを用いることもできる。また、対象物画像取得部2は、1台のカメラにより構成することもでき、また、複数台のカメラにより構成することもできる。対象物画像は、カメラから見た対象物の表面しか捉えることができないため、例えば、鉄鋼製品の複数の製造工程にそれぞれカメラを設置し、これら複数のカメラにより構成される対象物画像取得部2により、複数の対象物画像を取得することが望ましい。 The object image acquisition unit 2 has a function of transferring the acquired object image to the image discrimination unit 3 by wire or wirelessly. As the object image acquisition unit 2, not only a general visible light camera that uses visible light to image an object, but also an infrared camera that uses infrared light to image an object can be used. Further, the object image acquisition unit 2 can be configured by one camera, or can be configured by a plurality of cameras. Since the object image can only capture the surface of the object as seen from the camera, for example, cameras are installed in each of a plurality of manufacturing processes of steel products, and the object image acquisition unit 2 composed of these plurality of cameras is used. Therefore, it is desirable to acquire a plurality of object images.

図1に示されるように、画像判別部3は、対象物画像取得部2に接続された種別判定部4と、種別判定部4に接続された種別判定機能学習部5と、種別判定機能学習部5に接続された教師データ作成部6とを有している。 As shown in FIG. 1, the image discrimination unit 3 includes a type determination unit 4 connected to the object image acquisition unit 2, a type determination function learning unit 5 connected to the type determination unit 4, and a type determination function learning. It has a teacher data creation unit 6 connected to the unit 5.

種別判定部4は、対象物画像取得部2により取得された対象物画像を、複数の画像要素に分割し、画像要素毎に鉄系スクラップと鉄系スクラップ以外の異物のいずれであるかを判定し、対象物画像の複数の画像要素と同じ個数で且つ同じ配列を有する複数の行列要素からなる判定行列を出力する。判定行列のそれぞれの行列要素には、鉄系スクラップと異物とを判別し得る数値が入力される。すなわち、判定行列には、異物であると判定された画像要素に対応する行列要素として、所定の標識となる数値が入力され、異物ではないと判定された画像要素に対応する行列要素として、上記の所定の標識となる数値とは異なる数値が入力される。従って、種別判定部4から出力される判定行列のそれぞれの行列要素の数値に基づいて、鉄系スクラップに混在している異物を検出することが可能となる。
このような種別判定部4は、多数のパーセプトロンからなる多層ニューラルネットワークにより構成されている。
The type determination unit 4 divides the object image acquired by the object image acquisition unit 2 into a plurality of image elements, and determines whether each image element is an iron-based scrap or a foreign substance other than the iron-based scrap. Then, a determination matrix composed of a plurality of matrix elements having the same number and the same arrangement as the plurality of image elements of the object image is output. A numerical value capable of discriminating between iron scrap and foreign matter is input to each matrix element of the determination matrix. That is, a numerical value serving as a predetermined marker is input to the determination matrix as a matrix element corresponding to the image element determined to be a foreign substance, and the matrix element corresponding to the image element determined to be a foreign substance is described above. A numerical value different from the numerical value that serves as a predetermined indicator of is input. Therefore, it is possible to detect the foreign matter mixed in the iron-based scrap based on the numerical value of each matrix element of the determination matrix output from the type determination unit 4.
Such a type determination unit 4 is composed of a multi-layer neural network composed of a large number of perceptrons.

種別判定部4には、種別判定機能学習部5と教師データ作成部6とが順次接続されており、種別判定部4を構成する多層ニューラルネットワークのパラメータは、教師データ作成部6により作成される複数の教師データを用いて種別判定機能学習部5により機械学習されている。
図2に、対象物画像取得部2により取得された対象物画像GAの一例を示す。対象物画像GAは、鉄系スクラップSを含む対象物Aが撮像された画像であり、図2に示される対象物画像GAには、鉄系スクラップSの間に異物Fが混在している対象物Aが写っている。
The type determination function learning unit 5 and the teacher data creation unit 6 are sequentially connected to the type determination unit 4, and the parameters of the multi-layer neural network constituting the type determination unit 4 are created by the teacher data creation unit 6. Machine learning is performed by the type determination function learning unit 5 using a plurality of teacher data.
FIG. 2 shows an example of the object image GA acquired by the object image acquisition unit 2. The object image GA is an image obtained by capturing an object A including the iron scrap S, and the object image GA shown in FIG. 2 is an object in which foreign matter F is mixed between the iron scrap S. Object A is in the picture.

種別判定部4は、機械学習された多数のパーセプトロンからなる多層ニューラルネットワークにより構成され、図3に示されるように、対象物画像GAを複数の画像要素Eに分割した後、画像要素E毎に鉄系スクラップSと異物Fのいずれであるかを判定し、図4に示されるような、判定結果を表す判定行列LAを出力する。判定行列LAは、対象物画像GAの複数の画像要素Eと同じ個数で且つ同じ配列を有する複数の行列要素からなる行列である。 The type determination unit 4 is composed of a multi-layer neural network composed of a large number of machine-learned perceptrons, and as shown in FIG. 3, after dividing the object image GA into a plurality of image elements E, each image element E It is determined whether it is iron-based scrap S or foreign matter F, and a determination matrix LA representing the determination result as shown in FIG. 4 is output. The determination matrix LA is a matrix composed of a plurality of matrix elements having the same number and the same arrangement as the plurality of image elements E of the object image GA.

図4に示される判定行列LAは、図3に示した対象物画像GAに対応するもので、対象物画像GAにおいて異物Fであると判定された画像要素Eに対応して、図4に太線で表されている2つの行列要素MFとして、所定の標識となる数値「1」が入力され、異物Fではないと判定された画像要素Eに対応する行列要素には、数値「0」が入力されている。
従って、図4に示される判定行列LAから、数値「1」が入力されている2つの行列要素MFに対応する対象物画像GAの画像要素Eに異物Fが写っており、数値「0」が入力されている他の行列要素に対応する対象物画像GAの画像要素Eには異物Fが写っていないこととなり、数値「1」の2つの行列要素MFに対応し且つ異物Fであると判定された2つの画像要素Eの集合体を異物Fと認識することができる。
The determination matrix LA shown in FIG. 4 corresponds to the object image GA shown in FIG. 3, and corresponds to the image element E determined to be a foreign object F in the object image GA, and is shown by a thick line in FIG. A numerical value "1" serving as a predetermined marker is input as the two matrix element MFs represented by, and a numerical value "0" is input to the matrix element corresponding to the image element E determined not to be a foreign object F. Has been done.
Therefore, from the determination matrix LA shown in FIG. 4, the foreign matter F is reflected in the image element E of the object image GA corresponding to the two matrix element MFs in which the numerical value "1" is input, and the numerical value "0" is It means that the foreign matter F does not appear in the image element E of the object image GA corresponding to the other input matrix elements, and it is determined that the foreign matter F corresponds to the two matrix elements MF of the numerical value "1". The aggregate of the two image elements E can be recognized as the foreign matter F.

図1に示したように、種別判定部4には、種別判定機能学習部5が接続され、種別判定機能学習部5には、教師データ作成部6が接続されている。
種別判定部4を構成する多層ニューラルネットワークのパラメータが、種別判定機能学習部5により機械学習されることで、種別判定部4は、このような対象物画像GAの画像要素E毎の鉄系スクラップSと異物Fのいずれであるかの判定を行うことができる。
機械学習された種別判定部4が、精度の高い種別判定を行うためには、種別判定機能学習部5が、多数の教師データを用いて種別判定部4を機械学習することが望まれる。
As shown in FIG. 1, the type determination function learning unit 5 is connected to the type determination unit 4, and the teacher data creation unit 6 is connected to the type determination function learning unit 5.
The parameters of the multi-layer neural network constituting the type determination unit 4 are machine-learned by the type determination function learning unit 5, so that the type determination unit 4 is an iron scrap for each image element E of such an object image GA. It is possible to determine whether it is S or foreign matter F.
In order for the machine-learned type determination unit 4 to perform type determination with high accuracy, it is desired that the type determination function learning unit 5 machine-learns the type determination unit 4 using a large amount of teacher data.

種別判定機能学習部5に接続された教師データ作成部6は、多数の教師データを作成することができる。なお、教師データ作成部6により作成される多数の教師データは、それぞれ、教師画像と、この教師画像に対応する教師ラベルとから構成されている。 The teacher data creation unit 6 connected to the type determination function learning unit 5 can create a large number of teacher data. The large number of teacher data created by the teacher data creation unit 6 is composed of a teacher image and a teacher label corresponding to the teacher image, respectively.

教師画像は、鉄系スクラップSに異物Fが混在している画像である。教師画像の解像度は、鉄系スクラップSと異物Fとを識別することができればよく、教師画像の大きさは制限されない。教師画像は、カラー画像でも白黒画像でも構わないが、色の違いにより異物Fを鉄系スクラップSから識別する可能性を考慮すると、種別判定部4による種別判定の精度を向上させるために、教師画像はカラー画像であることが望ましい。 The teacher image is an image in which foreign matter F is mixed with iron scrap S. The resolution of the teacher image is limited as long as the iron scrap S and the foreign matter F can be distinguished, and the size of the teacher image is not limited. The teacher image may be a color image or a black-and-white image, but in consideration of the possibility of identifying the foreign matter F from the iron-based scrap S due to the difference in color, the teacher image is to improve the accuracy of the type determination by the type determination unit 4. The image is preferably a color image.

一方、教師ラベルは、教師画像に対応し且つ教師画像内の異物Fが存在する位置に所定の標識によるラベル付けがなされたものである。具体的には、教師ラベルは、教師画像を複数の画像要素Eに分割した際に、教師画像の複数の画像要素Eと同じ個数で且つ同じ配列を有する複数の行列要素からなる行列であって、教師画像内の異物Fが存在する画像要素Eに対応する行列要素に、異物Fを表す所定の標識となる数値「1」が入力され、異物Fが存在しない、その他の画像要素Eに対応する行列要素に、数値「0」が入力された行列により構成されている。 On the other hand, the teacher label corresponds to the teacher image and is labeled with a predetermined label at the position where the foreign matter F exists in the teacher image. Specifically, the teacher label is a matrix composed of a plurality of matrix elements having the same number and the same arrangement as the plurality of image elements E of the teacher image when the teacher image is divided into a plurality of image elements E. , A numerical value "1" which is a predetermined marker representing the foreign matter F is input to the matrix element corresponding to the image element E in which the foreign matter F exists in the teacher image, and corresponds to the other image element E in which the foreign matter F does not exist. It is composed of a matrix in which a numerical value "0" is input to the matrix element to be used.

図5に示されるように、教師データ作成部6は、鉄系スクラップ画像取得部7と、異物含有画像取得部8と、異物含有画像取得部8に接続された画像切り出し部9と、鉄系スクラップ画像取得部7および画像切り出し部9の双方に接続された教師画像作成部10と、教師画像作成部10に接続された教師ラベル作成部11とを有している。 As shown in FIG. 5, the teacher data creation unit 6 includes an iron-based scrap image acquisition unit 7, a foreign matter-containing image acquisition unit 8, an image cutting-out unit 9 connected to the foreign matter-containing image acquisition unit 8, and an iron-based image. It has a teacher image creation unit 10 connected to both the scrap image acquisition unit 7 and the image cutout unit 9, and a teacher label creation unit 11 connected to the teacher image creation unit 10.

鉄系スクラップ画像取得部7は、図6に示されるように、鉄系スクラップSのみが撮像された鉄系スクラップ画像G1を取得するもので、鉄系スクラップSのみを撮像することにより鉄系スクラップ画像G1を取得するカメラから構成することもでき、また、ネットワーク、通信等を介して、鉄系スクラップSのみが撮像された鉄系スクラップ画像G1の画像信号を取得するものでもよい。
種々の形状の鉄系スクラップSが存在するため、様々な形状の鉄系スクラップSの画像を多数取得することが望ましい。
As shown in FIG. 6, the iron-based scrap image acquisition unit 7 acquires the iron-based scrap image G1 in which only the iron-based scrap S is imaged, and the iron-based scrap image acquisition unit 7 acquires only the iron-based scrap S by imaging the iron-based scrap S. It may be configured by a camera that acquires the image G1, or may acquire the image signal of the iron scrap image G1 in which only the iron scrap S is captured via a network, communication, or the like.
Since there are iron-based scraps S having various shapes, it is desirable to acquire a large number of images of iron-based scraps S having various shapes.

異物含有画像取得部8は、図7に示されるように、少なくとも一部に異物Fが含まれる異物含有画像G2を取得するもので、鉄系スクラップ画像取得部7と同様に、異物Fを撮像することにより異物含有画像G2を取得するカメラから構成することもでき、また、ネットワーク、通信等を介して、異物Fが撮像された異物含有画像G2の画像信号を取得するものでもよい。 As shown in FIG. 7, the foreign matter-containing image acquisition unit 8 acquires the foreign matter-containing image G2 in which the foreign matter F is contained in at least a part thereof, and captures the foreign matter F in the same manner as the iron-based scrap image acquisition unit 7. It can also be configured by a camera that acquires the foreign matter-containing image G2 by the above, or may acquire the image signal of the foreign matter-containing image G2 in which the foreign matter F is captured via a network, communication, or the like.

後述する教師画像作成部10により作成される教師画像は、異物含有画像G2から切り出された異物Fの画像部分を鉄系スクラップ画像G1に貼り付けることにより得られるため、教師画像の生成時に、背景となる鉄系スクラップ画像G1との差異を小さくする目的で、例えば図7に示されるように、鉄系スクラップSを背景にして異物Fを撮像することが望ましい。
また、鉄鋼製品を生産する際に鉄系スクラップSに混在する異物Fの形状には種々のものがあるため、様々な形状の異物Fの画像を多数取得することが望ましい。
Since the teacher image created by the teacher image creation unit 10 described later is obtained by pasting the image portion of the foreign matter F cut out from the foreign matter-containing image G2 on the iron-based scrap image G1, the background is generated when the teacher image is generated. For the purpose of reducing the difference from the iron-based scrap image G1, it is desirable to image the foreign matter F against the background of the iron-based scrap S, for example, as shown in FIG.
Further, since there are various shapes of the foreign matter F mixed in the iron-based scrap S when producing a steel product, it is desirable to acquire a large number of images of the foreign matter F having various shapes.

画像切り出し部9は、図8に示されるように、異物含有画像取得部8により取得された異物含有画像G2から異物Fの画像部分G3を切り出すものである。具体的には、画像切り出し部9は、異物含有画像G2に対する画像処理により、異物Fの形状に合わせて、異物F以外の部分の異物含有画像G2を除去し、異物Fの画像部分G3を切り出す。例えば、異物Fの上端、下端、左端および右端にそれぞれ接するように、図7に示される破線の矩形部分Bを設定し、異物含有画像G2から矩形部分Bに沿って異物Fを切り出すことができる。異物Fの背景をできる限り含まないように、異物Fの画像部分G3を切り出すことができれば、切り出しの画像処理方法自体は制限されるものではない。 As shown in FIG. 8, the image cutting unit 9 cuts out the image portion G3 of the foreign matter F from the foreign matter-containing image G2 acquired by the foreign matter-containing image acquisition unit 8. Specifically, the image cutting unit 9 removes the foreign matter-containing image G2 of the portion other than the foreign matter F according to the shape of the foreign matter F by image processing on the foreign matter-containing image G2, and cuts out the image portion G3 of the foreign matter F. .. For example, the rectangular portion B of the broken line shown in FIG. 7 can be set so as to be in contact with the upper end, the lower end, the left end, and the right end of the foreign matter F, and the foreign matter F can be cut out from the foreign matter-containing image G2 along the rectangular portion B. .. If the image portion G3 of the foreign matter F can be cut out so as not to include the background of the foreign matter F as much as possible, the image processing method itself for cutting out is not limited.

教師画像作成部10は、画像切り出し部9により切り出された異物Fの画像部分G3を、鉄系スクラップ画像取得部7により取得された鉄系スクラップ画像G1の上に貼り付けることにより、図9に示されるような教師画像GTを作成する。鉄系スクラップ画像G1に異物Fの画像部分G3が貼り付けられることから、教師画像GTは、鉄系スクラップSに異物Fが混在する画像として作成される。 The teacher image creation unit 10 attaches the image portion G3 of the foreign matter F cut out by the image cutout unit 9 onto the iron scrap image G1 acquired by the iron scrap image acquisition unit 7, so that FIG. 9 shows. Create a teacher image GT as shown. Since the image portion G3 of the foreign matter F is attached to the iron-based scrap image G1, the teacher image GT is created as an image in which the foreign matter F is mixed with the iron-based scrap S.

教師ラベル作成部11は、図10に示されるように、教師画像GTを複数の画像要素Eに分割した後、図11に示されるように、教師画像GTの複数の画像要素Eと同じ個数で且つ同じ配列を有する複数の行列要素からなる行列として教師ラベルLTを作成する。このとき、教師画像GT内の異物Fが存在する画像要素Eに対応する行列要素MFに、異物Fを表す所定の標識となる数値「1」が入力され、異物Fが存在しない、その他の画像要素Eに対応する行列要素に、数値「0」が入力される。 The teacher label creating unit 11 divides the teacher image GT into a plurality of image elements E as shown in FIG. 10, and then, as shown in FIG. 11, has the same number as the plurality of image elements E of the teacher image GT. Moreover, the teacher label LT is created as a matrix composed of a plurality of matrix elements having the same array. At this time, a numerical value "1" which is a predetermined marker representing the foreign matter F is input to the matrix element MF corresponding to the image element E in which the foreign matter F exists in the teacher image GT, and other images in which the foreign matter F does not exist. A numerical value "0" is input to the matrix element corresponding to the element E.

ここで、教師画像GTは、異物含有画像G2から切り出された異物Fの画像部分G3を鉄系スクラップ画像G1に貼り付けることにより作成されているため、教師ラベル作成部11は、教師画像GTから異物Fを識別する手間をかけることなく、異物Fの画像部分G3を貼り付けた位置に対応する行列要素に数値「1」を入力するだけで、容易に且つ機械的に教師ラベルLTを作成することができる。
なお、図11においては、便宜的に、異物Fに対応する行列要素MFに数値「1」を入力し、その他の行列要素に数値「0」を入力したが、異物Fに対応する行列要素MFとその他の行列要素とが互いに異なる数値を有していれば、他の数値とすることもできる。
Here, since the teacher image GT is created by pasting the image portion G3 of the foreign matter F cut out from the foreign matter-containing image G2 on the iron-based scrap image G1, the teacher label creating unit 11 is created from the teacher image GT. The teacher label LT can be easily and mechanically created by simply inputting the numerical value "1" into the matrix element corresponding to the position where the image portion G3 of the foreign matter F is pasted without taking the trouble of identifying the foreign matter F. be able to.
In FIG. 11, for convenience, the numerical value "1" is input to the matrix element MF corresponding to the foreign matter F, and the numerical value "0" is input to the other matrix elements, but the matrix element MF corresponding to the foreign matter F is input. If and other matrix elements have different numerical values, they can be other numerical values.

また、教師画像作成部10は、鉄系スクラップ画像取得部7により取得された複数の鉄系スクラップ画像G1と、異物含有画像取得部8により取得された複数の異物含有画像G2から切り出される複数の異物Fの画像部分G3とをランダムに組み合わせ、さらに、異物Fの位置、角度、大きさ、異物Fの反転化、1枚の教師画像GTにおける異物Fの個数を、ランダムに設定することにより、実際に鉄系スクラップSに異物Fが混在している画像を用意することなく、多数の教師画像GTを作成することができる。
教師ラベル作成部11は、このようにして教師画像作成部10により作成される多数の教師画像GTにそれぞれ対応する多数の教師ラベルLTを作成する。
Further, the teacher image creation unit 10 is cut out from a plurality of iron-based scrap images G1 acquired by the iron-based scrap image acquisition unit 7 and a plurality of foreign matter-containing images G2 acquired by the foreign matter-containing image acquisition unit 8. By randomly combining the image portion G3 of the foreign matter F, and further randomly setting the position, angle, size of the foreign matter F, inversion of the foreign matter F, and the number of foreign matter F in one teacher image GT. A large number of teacher image GTs can be created without actually preparing an image in which foreign matter F is mixed in the iron-based scrap S.
The teacher label creation unit 11 creates a large number of teacher label LTs corresponding to the large number of teacher image GTs created by the teacher image creation unit 10 in this way.

教師データ作成部6の教師画像作成部10および教師ラベル作成部11により作成された多数の教師画像GTおよび多数の教師ラベルLTを用いて、種別判定機能学習部5が種別判定部4を構成する多層ニューラルネットワークのパラメータを機械学習させることで、種別判定部4による種別判定の精度を向上させることが可能となる。 The type determination function learning unit 5 constitutes the type determination unit 4 by using a large number of teacher image GTs and a large number of teacher label LTs created by the teacher image creation unit 10 and the teacher label creation unit 11 of the teacher data creation unit 6. By machine learning the parameters of the multi-layer neural network, it is possible to improve the accuracy of the type determination by the type determination unit 4.

以上説明したような種別判定部4、種別判定機能学習部5および教師データ作成部6を含む異物検出装置1の画像判別部3は、CPU(中央処理装置)と、CPUに接続されたDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)等の主記憶装置、CPUに接続されたSSD(ソリッド・ステート・ドライブ)もしくはHDD(ハード・ディスク・ドライブ)等の大容量記憶装置、並びにCPUを作動させるプログラムにより構成することができる。
教師データ作成部6により作成され且つ種別判定部4が種別判定を行う際のモデルとなる多数の教師データと、種別判定部4を構成する多層ニューラルネットワークのパラメータとを大容量記憶装置に格納し、CPUが主記憶装置を利用しながら演算を行うことで、種別判定部4による種別判定処理が実行される。
The image discrimination unit 3 of the foreign matter detection device 1 including the type determination unit 4, the type determination function learning unit 5, and the teacher data creation unit 6 as described above includes a CPU (central processing unit) and a DRAM connected to the CPU. By a main storage device such as dynamic random access memory), a large-capacity storage device such as SSD (solid state drive) or HDD (hard disk drive) connected to the CPU, and a program that operates the CPU. Can be configured.
A large number of teacher data created by the teacher data creation unit 6 and used as a model for the type determination unit 4 to perform type determination, and parameters of the multi-layer neural network constituting the type determination unit 4 are stored in a large-capacity storage device. , The CPU performs the calculation while using the main storage device, so that the type determination process by the type determination unit 4 is executed.

次に、図1〜図11を参照しつつ、実施の形態1に係る異物検出装置1の動作について説明する。
まず、対象物画像取得部2により、鉄鋼製品を製造するために収集された鉄系スクラップSを含む対象物Aが撮像され、図2に示されるような対象物画像GAが取得される。
取得された対象物画像GAは、有線または無線により対象物画像取得部2から画像判別部3に転送され、画像判別部3の種別判定部4に入力される。
Next, the operation of the foreign matter detecting device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 11.
First, the object image acquisition unit 2 takes an image of the object A including the iron-based scrap S collected for manufacturing the steel product, and acquires the object image GA as shown in FIG.
The acquired object image GA is transferred from the object image acquisition unit 2 to the image discrimination unit 3 by wire or wirelessly, and is input to the type determination unit 4 of the image discrimination unit 3.

種別判定部4は、多数の教師データを用いて機械学習された多数のパーセプトロンからなる多層ニューラルネットワークにより構成されており、種別判定部4に入力された対象物画像GAは、図3に示されるように、複数の画像要素Eに分割された後、画像セグメンテーションにより画像要素E毎に鉄系スクラップSと異物Fのいずれであるかが判定される。そして、図4に示されるように、異物Fであると判定された画像要素Eに対応する行列要素MFに数値「1」が入力され、異物Fではないと判定された画像要素Eに対応する行列要素に数値「0」が入力された判定行列LAが種別判定部4から出力される。
判定行列LAから数値「1」が入力されている行列要素MFを抽出することにより、対象物A内に異物Fが含まれていることを検出することができる。さらに、数値「1」の行列要素MFに対応し且つ異物Fであると判定された画像要素Eの集合体を異物Fと認識することが可能となる。
The type determination unit 4 is composed of a multi-layer neural network composed of a large number of perceptrons machine-learned using a large number of teacher data, and the object image GA input to the type determination unit 4 is shown in FIG. As described above, after being divided into a plurality of image elements E, it is determined by image segmentation whether the image element E is an iron-based scrap S or a foreign matter F. Then, as shown in FIG. 4, the numerical value "1" is input to the matrix element MF corresponding to the image element E determined to be the foreign matter F, and corresponds to the image element E determined not to be the foreign matter F. The determination matrix LA in which the numerical value "0" is input to the matrix element is output from the type determination unit 4.
By extracting the matrix element MF in which the numerical value "1" is input from the determination matrix LA, it is possible to detect that the object A contains the foreign matter F. Further, the aggregate of the image elements E corresponding to the matrix element MF of the numerical value "1" and determined to be the foreign matter F can be recognized as the foreign matter F.

種別判定部4では、画像セグメンテーションにより画像要素E毎に鉄系スクラップSと異物Fのいずれであるかの種別判定を行っているが、一般に、多層ニューラルネットワークのパラメータを機械学習させて調整するには、パラメータの個数の10倍程度以上もの教師データ数が必要と言われている。このような多数の教師データを用意するために、実物の異物が混在する鉄系スクラップを撮影して多数の教師画像を収集しようとすると、形状および大きさが異なる様々な鉄系スクラップと異物とを集め、これらの鉄系スクラップおよび異物を様々な混在方法で混在させ、それぞれの状態を撮像する必要がある。 In the type determination unit 4, the type of iron scrap S or foreign matter F is determined for each image element E by image segmentation. Generally, the parameters of the multi-layer neural network are adjusted by machine learning. Is said to require a number of teacher data that is about 10 times or more the number of parameters. In order to prepare such a large number of teacher data, when trying to collect a large number of teacher images by photographing iron-based scrap in which real foreign substances are mixed, various iron-based scraps and foreign substances having different shapes and sizes are used. It is necessary to collect these iron-based scraps and foreign substances by mixing them in various mixing methods and to image their respective states.

しかしながら、鉄系スクラップおよび異物は、数十kg〜数千kgの重量を有しているため、鉄系スクラップおよび異物を動かすために多大の労力がかかる。従って、多層ニューラルネットワークのパラメータを機械学習に必要な教師画像を実物により収集するのは現実的ではない。
たとえ、実物の異物が混在する鉄系スクラップの画像を取得することができたとしても、教師画像に対応する教師ラベルを生成するためには、鉄系スクラップに混在する異物を作業者が自らの目で判断して異物の位置を特定し、その位置に異物であることを表す数値当の標識でラベル付けする必要がある。多数の教師画像に対して、鉄系スクラップに混在する異物を作業者の目で判断することは、容易ではない。
However, since the iron-based scrap and the foreign matter have a weight of several tens of kg to several thousand kg, a great deal of labor is required to move the iron-based scrap and the foreign matter. Therefore, it is not realistic to actually collect the teacher image necessary for machine learning of the parameters of the multi-layer neural network.
Even if it is possible to acquire an image of iron-based scrap mixed with real foreign matter, in order to generate a teacher label corresponding to the teacher image, the worker himself / herself uses the foreign matter mixed in the iron-based scrap. It is necessary to identify the position of the foreign substance by visual judgment and label the position with a numerical value indicating that the foreign substance is a foreign substance. It is not easy for the operator to judge the foreign matter mixed in the iron scrap for a large number of teacher images.

この実施の形態1に係る異物検出装置においては、少なくとも一部に異物Fが含まれる異物含有画像G2から切り出された異物Fの画像部分G3を鉄系スクラップ画像G1に貼り付けることにより教師画像GTを作成すると共に、異物Fの画像部分G3を貼り付けた位置に対応する行列要素に数値「1」を入力することで教師ラベルLTを作成している。このため、実物の異物が混在する鉄系スクラップを撮影することなく、形状、大きさ、個数が異なる様々な異物Fが様々な混在方法で鉄系スクラップSに混在した多数の教師画像GTと、これらの教師画像GTに対応する多数の教師ラベルLTとを、容易に且つ機械的に作成することができる。 In the foreign matter detecting device according to the first embodiment, the teacher image GT is formed by pasting the image portion G3 of the foreign matter F cut out from the foreign matter-containing image G2 containing the foreign matter F at least in part on the iron-based scrap image G1. Is created, and the teacher label LT is created by inputting the numerical value "1" into the matrix element corresponding to the position where the image portion G3 of the foreign matter F is pasted. For this reason, a large number of teacher image GTs in which various foreign substances F having different shapes, sizes, and numbers are mixed in the iron scrap S by various mixing methods are used without photographing the iron scrap in which the actual foreign substances are mixed. A large number of teacher label LTs corresponding to these teacher image GTs can be easily and mechanically created.

なお、一般に、第1の画像に第2の画像を貼り付ける操作を行う際に、第1の画像に対する第2の画像の位置関係が現実のものと異なる場合には、極度に不自然な貼り付け画像となるおそれがある。しかしながら、この発明において種別判定の対象となる鉄系スクラップSおよび異物Fは、形状、大きさ、姿勢にランダム性が大きく、鉄系スクラップ画像G1に異物Fの画像部分G3をランダムに配置しても、現物に近い画像を生成することができる。 In general, when the operation of pasting the second image on the first image is performed, if the positional relationship of the second image with respect to the first image is different from the actual one, the pasting is extremely unnatural. It may be an attached image. However, the iron-based scrap S and the foreign matter F, which are the targets of the type determination in the present invention, have a large randomness in shape, size, and orientation, and the image portion G3 of the foreign matter F is randomly arranged on the iron-based scrap image G1. Also, it is possible to generate an image close to the actual product.

特に、鉄系スクラップSを背景にして異物Fを撮像された異物含有画像G2を取得して、異物含有画像G2から異物Fの画像部分G3を切り出せば、異物Fの画像部分G3に鉄系スクラップSからなる背景が残っていたとしても、その背景が鉄系スクラップ画像G1に同化しやすくなり、質の高い教師画像GTを得ることができる。このようにして作成される多数の良質の教師画像GTと、多数の教師ラベルLTを用いて機械学習させることで、種別判定部4による種別判定能力を著しく高めることが可能になる。 In particular, if the foreign matter-containing image G2 in which the foreign matter F is imaged is acquired against the background of the iron-based scrap S and the image portion G3 of the foreign matter F is cut out from the foreign matter-containing image G2, the iron-based scrap is formed on the image portion G3 of the foreign matter F. Even if the background composed of S remains, the background is easily assimilated into the iron-based scrap image G1, and a high-quality teacher image GT can be obtained. By performing machine learning using a large number of high-quality teacher image GTs and a large number of teacher labels LT created in this way, it is possible to significantly enhance the type determination ability of the type determination unit 4.

実施の形態2
図12に、実施の形態2に係る異物除去装置21の構成を示す。異物除去装置21は、実施の形態1の異物検出装置1を用いて、鉄系スクラップSに混在する異物Fを除去するものである。
異物除去装置21は、実施の形態1において説明した異物検出装置1と、異物検出装置1の種別判定部4に接続された異物位置特定部22と、異物位置特定部22に接続された異物除去制御部23と、異物除去制御部23に接続された異物除去部24とを備えている。
Embodiment 2
FIG. 12 shows the configuration of the foreign matter removing device 21 according to the second embodiment. The foreign matter removing device 21 removes the foreign matter F mixed in the iron-based scrap S by using the foreign matter detecting device 1 of the first embodiment.
The foreign matter removing device 21 includes the foreign matter detecting device 1 described in the first embodiment, the foreign matter positioning unit 22 connected to the type determination unit 4 of the foreign matter detecting device 1, and the foreign matter removing unit 22 connected to the foreign matter positioning unit 22. It includes a control unit 23 and a foreign matter removing unit 24 connected to the foreign matter removing control unit 23.

異物位置特定部22は、種別判定部4による判定結果に基づいて、鉄系スクラップSに混在する異物Fの実空間での位置を特定して、実空間における異物Fの位置情報を異物除去制御部23に出力する。
種別判定部4は、画像セグメンテーションにより画像要素E毎に種別判定を行い、判定結果を表す判定行列LAを出力するので、異物位置特定部22は、種別判定部4から出力された判定行列LAにおいて異物Fに対応する行列要素MFを確認して、異物Fであると判定された画像要素Eの集合体を異物Fと認識することにより、対象物画像GA上における異物Fの全体位置を特定することができる。さらに、対象物画像GAは、対象物画像取得部2により鉄系スクラップSを含む対象物Aが撮像された画像であるので、異物位置特定部22は、対象物画像GA上における異物Fの全体位置に基づいて、実空間での異物Fの外形座標を含んだ異物Fの位置を特定することができる。
The foreign matter position specifying unit 22 specifies the position of the foreign matter F mixed in the iron-based scrap S in the real space based on the determination result by the type determination unit 4, and controls the position information of the foreign matter F in the real space to remove the foreign matter. Output to unit 23.
Since the type determination unit 4 performs type determination for each image element E by image segmentation and outputs a determination matrix LA representing the determination result, the foreign matter position identification unit 22 is in the determination matrix LA output from the type determination unit 4. By checking the matrix element MF corresponding to the foreign matter F and recognizing the aggregate of the image elements E determined to be the foreign matter F as the foreign matter F, the entire position of the foreign matter F on the object image GA is specified. be able to. Further, since the object image GA is an image obtained by capturing the object A including the iron-based scrap S by the object image acquisition unit 2, the foreign matter position specifying unit 22 is the entire foreign matter F on the object image GA. Based on the position, the position of the foreign matter F including the external coordinates of the foreign matter F in the real space can be specified.

異物除去制御部23は、異物位置特定部22から出力された実空間における異物Fの位置情報に基づき、鉄系スクラップSに異物Fが混在している対象物Aから異物Fを除去するために異物除去部24を作動制御する。
異物除去部24は、異物除去制御部23による制御の下で、異物Fを除去するように作動するアクチュエータであり、図13に示されるように、鉄系スクラップSが含まれる対象物Aに対して、X方向、Y方向およびZ方向からなる三次元方向に移動可能に保持された把持部25を有している。なお、図13には、対象物Aの近傍に設置された対象物画像取得部2が示されている。
The foreign matter removal control unit 23 removes the foreign matter F from the object A in which the foreign matter F is mixed in the iron scrap S based on the position information of the foreign matter F in the real space output from the foreign matter position specifying unit 22. The operation of the foreign matter removing unit 24 is controlled.
The foreign matter removing unit 24 is an actuator that operates to remove the foreign matter F under the control of the foreign matter removing control unit 23, and as shown in FIG. 13, with respect to the object A including the iron-based scrap S. The grip portion 25 is held so as to be movable in the three-dimensional direction including the X direction, the Y direction, and the Z direction. Note that FIG. 13 shows an object image acquisition unit 2 installed in the vicinity of the object A.

実施の形態2に係る異物除去装置21を用いることにより、鉄系スクラップSと異物Fとを含む対象物Aから異物Fを除去することができる。
図14に、鉄系スクラップSと異物Fとを含む対象物Aから異物Fを除去した後、鉄系スクラップSを電気炉に装入する方法のフローチャートを示す。
図14と、図3〜4、図12〜13および図15を参照して、異物Fが除去された鉄系スクラップSを電気炉に装入する動作について説明する。
By using the foreign matter removing device 21 according to the second embodiment, the foreign matter F can be removed from the object A including the iron scrap S and the foreign matter F.
FIG. 14 shows a flowchart of a method of charging the iron-based scrap S into the electric furnace after removing the foreign matter F from the object A containing the iron-based scrap S and the foreign matter F.
The operation of charging the iron-based scrap S from which the foreign matter F has been removed into the electric furnace will be described with reference to FIGS. 14, 3-4, 12-13, and 15.

まず、ステップS1で、鉄系スクラップSが含まれる対象物Aが鉄鋼製品の製造施設に輸送される。
次に、ステップS2で、図13に示されるように、対象物Aの近傍に設置された対象物画像取得部2により対象物Aが撮像され、対象物画像GAが取得される。なお、図13には、鉄系スクラップSに異物Fが混在した対象物Aが示されている。
また、対象物画像取得部2により取得された対象物画像GAは、有線または無線により対象物画像取得部2から種別判定部4に転送される。
First, in step S1, the object A containing the iron-based scrap S is transported to the steel product manufacturing facility.
Next, in step S2, as shown in FIG. 13, the object A is imaged by the object image acquisition unit 2 installed in the vicinity of the object A, and the object image GA is acquired. Note that FIG. 13 shows the object A in which the iron-based scrap S is mixed with the foreign matter F.
Further, the object image GA acquired by the object image acquisition unit 2 is transferred from the object image acquisition unit 2 to the type determination unit 4 by wire or wirelessly.

さらに、ステップS3で、対象物画像GAは、図3に示されるように、種別判定部4により複数の画像要素Eに分割された後、画像セグメンテーションにより画像要素E毎に鉄系スクラップSと異物Fのいずれであるかが判定される。そして、図4に示されるように、異物Fであると判定された画像要素Eに対応する行列要素MFに数値「1」が入力され、異物Fではないと判定された画像要素Eに対応する行列要素に数値「0」が入力された判定行列LAが種別判定部4から出力される。 Further, in step S3, as shown in FIG. 3, the object image GA is divided into a plurality of image elements E by the type determination unit 4, and then iron-based scrap S and foreign matter are added to each image element E by image segmentation. Which of F is determined. Then, as shown in FIG. 4, the numerical value "1" is input to the matrix element MF corresponding to the image element E determined to be the foreign matter F, and corresponds to the image element E determined not to be the foreign matter F. The determination matrix LA in which the numerical value "0" is input to the matrix element is output from the type determination unit 4.

種別判定部4から判定行列LAが出力されると、ステップS4で、判定行列LAに基づいて、対象物Aからの異物Fの検出が行われる。
ステップS4で、対象物Aから異物Fが検出されると、ステップS5に進み、異物位置特定部22により、種別判定部4から出力された判定行列LAに基づいて、鉄系スクラップSに混在する異物Fの実空間での位置が特定され、実空間における異物Fの位置情報が出力される。
When the determination matrix LA is output from the type determination unit 4, in step S4, the foreign matter F from the object A is detected based on the determination matrix LA.
When the foreign matter F is detected from the object A in step S4, the process proceeds to step S5, and the foreign matter position specifying unit 22 mixes the foreign matter F with the iron-based scrap S based on the determination matrix LA output from the type determination unit 4. The position of the foreign matter F in the real space is specified, and the position information of the foreign matter F in the real space is output.

さらに、ステップS6で、異物位置特定部22から出力された異物Fの位置情報に基づいて、異物除去制御部23により異物除去部24が作動制御され、対象物Aから異物Fが除去される。このとき、図15に示されるように、異物除去部24の把持部25が、実空間における異物Fの位置まで移動され、把持部25により異物Fが把持された状態で対象物Aから除去される。
このようにして対象物Aから異物Fが除去された後、ステップS7で、鉄系スクラップSのみが、製造施設の図示しない電気炉に装入される。
なお、ステップS4で、対象物Aから異物Fが検出されなかった場合は、対象物Aが鉄系スクラップSのみからなると判断され、ステップS4からステップS7に進んで、鉄系スクラップSのみからなる対象物Aが電気炉に装入される。
Further, in step S6, the foreign matter removal control unit 23 controls the operation of the foreign matter removal unit 24 based on the position information of the foreign matter F output from the foreign matter position identification unit 22, and the foreign matter F is removed from the object A. At this time, as shown in FIG. 15, the grip portion 25 of the foreign matter removing portion 24 is moved to the position of the foreign matter F in the real space, and the foreign matter F is removed from the object A in a state of being gripped by the grip portion 25. NS.
After the foreign matter F is removed from the object A in this way, in step S7, only the iron-based scrap S is charged into an electric furnace (not shown) of the manufacturing facility.
If the foreign matter F is not detected from the object A in step S4, it is determined that the object A is composed only of the iron-based scrap S, and the process proceeds from step S4 to step S7, and the object A is composed of only the iron-based scrap S. The object A is charged into the electric furnace.

対象物Aから異物Fが除去されることで、電気炉において、鉄系スクラップSのみを原材料とする溶鉄を行うことができる。従って、例えば、銅成分の混入による鉄鋼製品の割れを防止し、また、液体を含む飲料缶、爆発性の気体原料を含むガス管が鉄系スクラップSと共に装入されることによる電気炉の破損を防止して、高品質の鉄鋼製品を製造することが可能となる。 By removing the foreign matter F from the object A, molten iron using only iron-based scrap S as a raw material can be performed in the electric furnace. Therefore, for example, the cracking of the steel product due to the mixing of the copper component is prevented, and the electric furnace is damaged due to the charging of the beverage can containing the liquid and the gas pipe containing the explosive gas raw material together with the iron scrap S. It becomes possible to manufacture high quality steel products by preventing the above.

図13および図15では、把持部25が吊り下げられた状態で三次元方向に移動する異物除去部24が示されているが、これに限るものではない。例えば、三次元方向に可動するアームの先端に把持部が取り付けられている、いわゆるロボットアームのようなアクチュエータを異物除去部24として使用することもできる。
また、鉄が含まれている異物Fを除去する場合には、異物除去部24として、電磁石により異物Fを吸着するものを使用してもよい。
13 and 15 show a foreign matter removing portion 24 that moves in a three-dimensional direction while the grip portion 25 is suspended, but the present invention is not limited to this. For example, an actuator such as a so-called robot arm in which a grip portion is attached to the tip of an arm that can move in a three-dimensional direction can be used as the foreign matter removing portion 24.
Further, when removing the foreign matter F containing iron, a foreign matter removing portion 24 that attracts the foreign matter F by an electromagnet may be used.

なお、対象物画像GAを取得するための対象物画像取得部2は、鉄鋼製品の製造施設に輸送された対象物Aを撮像することができる位置に設置されていればよく、また、対象物Aに接触することなく非接触で対象物画像GAを取得するため、対象物画像取得部2の設置の自由度は高いものである。このため、製造現場の動線を妨げることなく、さらに、生産性を低下させることなく、対象物画像取得部2により対象物画像GAの取得を行うことが可能となる。 The object image acquisition unit 2 for acquiring the object image GA may be installed at a position where the object A transported to the steel product manufacturing facility can be imaged, and the object may be captured. Since the object image GA is acquired without contacting A, the degree of freedom in installing the object image acquisition unit 2 is high. Therefore, the object image GA can be acquired by the object image acquisition unit 2 without obstructing the flow line of the manufacturing site and without lowering the productivity.

1 異物検出装置、2 対象物画像取得部、3 画像判別部、4 種別判定部、5 種別判定機能学習部、6 教師データ作成部、7 鉄系スクラップ画像取得部、8 異物含有画像取得部、9 画像切り出し部、10 教師画像作成部、11 教師ラベル作成部、21 異物除去装置、22 異物位置特定部、23 異物除去制御部、24 異物除去部、25 把持部、S 鉄系スクラップ、F 異物、A 対象物、GA 対象物画像、E 画像要素、LA 判定行列、MF 行列要素、G1 鉄系スクラップ画像、G2 異物含有画像、G3 異物の画像部分、B 矩形部分、GT 教師画像、LT 教師ラベル。 1 Foreign matter detection device, 2 Object image acquisition unit, 3 Image discrimination unit, 4 Type determination unit, 5 Type determination function learning unit, 6 Teacher data creation unit, 7 Iron scrap image acquisition unit, 8 Foreign matter-containing image acquisition unit, 9 Image cropping unit, 10 Teacher image creation unit, 11 Teacher label creation unit, 21 Foreign matter removal device, 22 Foreign matter position identification unit, 23 Foreign matter removal control unit, 24 Foreign matter removal unit, 25 Grip part, S Iron scrap, F Foreign matter , A object, GA object image, E image element, LA judgment matrix, MF matrix element, G1 iron scrap image, G2 foreign matter containing image, G3 foreign matter image part, B rectangular part, GT teacher image, LT teacher label ..

Claims (7)

鉄系スクラップを含む対象物が撮像された対象物画像を取得する対象物画像取得部と、
前記対象物画像に基づいて前記対象物から前記鉄系スクラップと前記鉄系スクラップ以外の異物とを判別することにより前記異物を検出する画像判別部と
を備えることを特徴とする異物検出装置。
An object image acquisition unit that acquires an object image in which an object including iron scrap is captured,
A foreign matter detecting device including an image discriminating unit that detects a foreign matter by discriminating between the iron-based scrap and a foreign matter other than the iron-based scrap from the object based on the object image.
前記画像判別部は、前記対象物画像を複数の画像要素に分割して前記画像要素毎に前記鉄系スクラップと前記鉄系スクラップ以外の異物のいずれであるかを判定し且つ異物であると判定された前記画像要素の集合体を前記異物と認識する種別判定部を含む請求項1に記載の異物検出装置。 The image discrimination unit divides the object image into a plurality of image elements, determines whether the image element is an iron-based scrap or a foreign substance other than the iron-based scrap, and determines that the object is a foreign substance. The foreign matter detection device according to claim 1, further comprising a type determination unit that recognizes the aggregate of the image elements as the foreign matter. 前記種別判定部は、多層ニューラルネットワークにより構成され、
前記多層ニューラルネットワークのパラメータは、鉄系スクラップに異物が混在する教師画像と、前記教師画像に対応し且つ前記教師画像内の前記異物が存在する位置に所定の標識によるラベル付けがなされた教師ラベルと、を含む複数の教師データに基づいて機械学習される請求項2に記載の異物検出装置。
The type determination unit is composed of a multi-layer neural network.
The parameters of the multi-layer neural network are a teacher image in which foreign matter is mixed in iron-based scrap and a teacher label corresponding to the teacher image and labeled at a position in the teacher image where the foreign matter is present with a predetermined marker. The foreign matter detection device according to claim 2, wherein machine learning is performed based on a plurality of teacher data including.
前記画像判別部は、
前記複数の教師データを作成する教師データ作成部と、
前記教師データ作成部により作成された前記複数の教師データを用いて、前記種別判定部を構成する前記多層ニューラルネットワークのパラメータを機械学習させる種別判定機能学習部と
を含む請求項3に記載の異物検出装置。
The image discrimination unit
The teacher data creation unit that creates the plurality of teacher data, and
The foreign matter according to claim 3, which includes a type determination function learning unit that machine-learns parameters of the multilayer neural network constituting the type determination unit using the plurality of teacher data created by the teacher data creation unit. Detection device.
前記教師データ作成部は、
前記鉄系スクラップのみが撮像された鉄系スクラップ画像を取得する鉄系スクラップ画像取得部と、
前記異物が含まれる異物含有画像を取得する異物含有画像取得部と、
前記異物含有画像から前記異物の画像部分を切り出す画像切り出し部と、
前記画像切り出し部により切り出され且つ鉄系スクラップを背景にした前記異物の画像部分を前記鉄系スクラップ画像に貼り付けることにより前記教師画像を作成する教師画像作成部と、
前記教師画像に対応する前記教師ラベルを作成する教師ラベル作成部と
を含む請求項4に記載の異物検出装置。
The teacher data creation department
An iron-based scrap image acquisition unit that acquires an iron-based scrap image in which only the iron-based scrap is imaged, and an iron-based scrap image acquisition unit.
A foreign matter-containing image acquisition unit that acquires a foreign matter-containing image containing the foreign matter,
An image cutout portion that cuts out an image portion of the foreign matter from the foreign matter-containing image,
A teacher image creating unit that creates the teacher image by pasting an image portion of the foreign substance cut out by the image cutting unit and having the iron scrap as a background on the iron scrap image.
The foreign matter detection device according to claim 4, further comprising a teacher label creating unit that creates the teacher label corresponding to the teacher image.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の異物検出装置と、
前記種別判定部による判定結果に基づいて実空間における前記異物の位置を特定する異物位置特定部と、
前記異物位置特定部により特定された前記異物の位置に基づいて、前記対象物から前記異物を除去する異物除去部と
を備えることを特徴とする異物除去装置。
The foreign matter detection device according to any one of claims 1 to 5,
A foreign matter position specifying unit that specifies the position of the foreign matter in the real space based on the determination result by the type determination unit,
A foreign matter removing device including a foreign matter removing portion for removing the foreign matter from the object based on the position of the foreign matter specified by the foreign matter positioning portion.
鉄系スクラップを含む対象物が撮像された対象物画像を取得する対象物画像取得ステップと、
前記対象物画像に基づいて前記対象物から前記鉄系スクラップと前記鉄系スクラップ以外の異物とを判別することにより前記異物を検出する判別ステップと
を備えたことを特徴とする異物検出方法。
An object image acquisition step for acquiring an object image in which an object including iron scrap is captured, and
A method for detecting a foreign matter, which comprises a discrimination step of detecting the foreign matter by discriminating between the iron-based scrap and the foreign matter other than the iron-based scrap from the object based on the object image.
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