如何在缺陷樣本少的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)

導(dǎo)讀

缺陷檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其檢測(cè)結(jié)果的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。而在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，但產(chǎn)品瑕疵率非常低，甚至是沒有，缺陷樣本的不充足使得需要深度學(xué)習(xí)缺陷檢測(cè)模型準(zhǔn)確率不高。如何在缺陷樣本少的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)呢？目前有兩種方法，一種是小樣本學(xué)習(xí)，另一種是用GAN。本文將介紹一種GAN用于無(wú)缺陷樣本產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)。

深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺主流領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的很成熟，但是在工業(yè)領(lǐng)域，比如產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)，總感覺沒有發(fā)揮深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)大能力，近幾年表面缺陷的 相關(guān)研究主要是集中在各種借鑒主流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，從CNN到Y(jié)OLO，SSD，甚至到語(yǔ)義分割的FCN相關(guān)論文，通過(guò)一些技術(shù)，對(duì)框架進(jìn)行輕量化，對(duì)缺陷進(jìn)行分類或檢測(cè)。不過(guò)，逃不出一個(gè)問(wèn)題：一定要有缺陷樣本可供訓(xùn)練，而且數(shù)量不能太少！當(dāng)然，也有一些課題組使用稀疏編碼、字典學(xué)習(xí)、稀疏自編碼等對(duì)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，這類方法很有局限性，主要針對(duì)那些有周期性背景紋理的圖像，比如絲織品，印刷品等。國(guó)內(nèi)外很多課題組、工業(yè)軟件公司都想開發(fā)出一些切合實(shí)際應(yīng)用的算法軟件，在缺陷檢測(cè)領(lǐng)域，比較好的公司有：VIDI、Halcon等，聽說(shuō)海康威視也在搞工業(yè)產(chǎn)品方便的算法研究。 論文標(biāo)題：A Surface Defect Detection Method Based on Positive Samples 論文鏈接：https://doi.org/10.1007/978-3-319-97310-4_54 作者提出只依據(jù)已有的正常表面圖像樣本，通過(guò)一定的技術(shù)手段對(duì)缺陷樣本進(jìn)行檢測(cè)，很好的將最近研究火熱的GAN應(yīng)用于框架中，這一年，課題組的老師也一直討論這種方法的可行性，缺陷的檢測(cè)要不要有缺陷樣本，從稀疏自編碼，小樣本學(xué)習(xí)再到計(jì)算機(jī)視覺研究熱點(diǎn)之一的零樣本學(xué)習(xí)，得出結(jié)論：大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)是需要缺陷樣本或者人為制作的缺陷樣本，論文雖然是沒有直接使用生產(chǎn)線上的缺陷樣本，但是通過(guò)算法人為的產(chǎn)生了缺陷樣本，并很好的融合和GAN在圖像修復(fù)領(lǐng)域的強(qiáng)大能力，整個(gè)框架的設(shè)計(jì)很巧妙。 文章思路：論文的整體思路就是GAN在圖像修復(fù)和重建方便具有很強(qiáng)大的能力，通過(guò)人為的去在正常樣本上“隨意”添加一些缺陷，訓(xùn)練階段讓GAN去學(xué)習(xí)一個(gè)可以修復(fù)這些缺陷區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)階段時(shí)，輸入一個(gè)真實(shí)缺陷樣本，訓(xùn)練好的GAN會(huì)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，再基于LBP可完成缺陷檢測(cè)。整個(gè)算法框架不需要真實(shí)的缺陷樣本和手工標(biāo)簽，但是在框架中，人為的去產(chǎn)生(比如PS)一些缺陷區(qū)域。 通俗說(shuō)： 作者利用GAN在圖像修復(fù)（重建）上的能力，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)收集一些正常（無(wú)缺陷）樣本，人工PS一些缺陷，比如線條、斑點(diǎn)等。 訓(xùn)練時(shí)，將PS的人工制作的缺陷圖像和原圖像做輸入樣本訓(xùn)練GAN，得到一個(gè)具有圖像修復(fù)重建能力的網(wǎng)絡(luò)。 測(cè)試時(shí)，直接使用訓(xùn)練好的GAN對(duì)采集到的圖像進(jìn)行重建修復(fù)，如果樣本中中有缺陷區(qū)域，缺陷區(qū)域按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，肯定需要修復(fù)，將修復(fù)后的圖像和原缺陷圖像使用LBP找出顯著差異區(qū)域即為缺陷區(qū)域。

01

主要內(nèi)容

論文的主體框架思想是基于GAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。GAN 主要包括了兩個(gè)部分，即生成器 G與判別器 D。生成器主要用來(lái)學(xué)習(xí)真實(shí)圖像分布從而讓自身生成的圖像更加真實(shí)，以“騙過(guò)”判別器。判別器則需要對(duì)接收的圖片進(jìn)行真假判別。在整個(gè)過(guò)程中，生成器努力地讓生成的圖像更加真實(shí)，而判別器則努力地去識(shí)別出圖像的真假，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)博弈過(guò)程，隨著時(shí)間的推移，生成器和判別器在不斷地進(jìn)行對(duì)抗，最終兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)均衡：生成器生成的圖像接近于真實(shí)圖像分布，而判別器識(shí)別不出真假圖像，對(duì)于給定圖像的預(yù)測(cè)為真的概率基本接近 0.5（這段話從李宏毅老師那引用的，致敬李老師）。

訓(xùn)練階段

在訓(xùn)練階段，模型采用一些圖像處理技術(shù)，人為的在正常樣本圖像上產(chǎn)生一些缺陷（示意圖中的紅色框模塊），使用由自編碼器構(gòu)成的G模塊進(jìn)行缺陷修復(fù)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的目標(biāo)是與正常樣本之間的L1范數(shù)最小，通過(guò)一定數(shù)量的樣本訓(xùn)練可以獲得有缺陷修復(fù)能力的G模塊。GAN用于圖像修復(fù)的一些資料可以參考[3][4]，當(dāng)然也可以參考論文里的參考文獻(xiàn)。 訓(xùn)練階段 ?

測(cè)試階段

在測(cè)試階段，將上步驟訓(xùn)練好的G模塊作為測(cè)試階段的圖片修復(fù)模塊，對(duì)于輸出的圖像樣本，假如存在缺陷區(qū)域，通過(guò)修復(fù)模塊G將得到修復(fù)后的圖像，與原缺陷樣本圖像一起作為L(zhǎng)BP算法的輸入，通過(guò)LBP算法對(duì)其缺陷區(qū)域進(jìn)行精確定位。 測(cè)試階段 ?

02

其他細(xì)節(jié)

2.1缺陷生成 在實(shí)際訓(xùn)練中，論文作者手工生成一些缺陷樣本，如圖3所示，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)修復(fù)缺陷。另外作者也通過(guò)一些技術(shù)進(jìn)行了樣本的擴(kuò)充，比如加入高斯噪聲、隨機(jī)resize大小等。 缺陷生成 ? 3.2缺陷圖像重建 缺陷圖像重建部分主要的作用是：缺陷圖像重建后盡量和正常樣本一樣，作者在這部分在文獻(xiàn)[5][6]基礎(chǔ)上進(jìn)行框架修改的，比如使用L1 distance作為衡量重建差異的目標(biāo)函數(shù)。 ? 然后實(shí)驗(yàn)中作者又發(fā)現(xiàn)只使用L1不行，圖像邊緣等細(xì)節(jié)可能會(huì)衡量不準(zhǔn)確，又加入GAN loss來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)的重建效果。 ? ? 最后，得到了下面目標(biāo)函數(shù)。 ? ? 2.3缺陷檢測(cè) 因?yàn)槭褂肎AN修復(fù)后的圖片和原始缺陷樣本圖片之間在像素級(jí)的細(xì)節(jié)上有一些差異，作者使用了前幾年在人臉領(lǐng)域應(yīng)用比較好的LBP算法進(jìn)行缺陷區(qū)域的檢測(cè)，這里不介紹算法的細(xì)節(jié)，示意圖如下。

03

實(shí)驗(yàn)

文章對(duì)DAGM 2007數(shù)據(jù)集和織物密集圖像進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，提出的GAN+LBP算法和有足夠訓(xùn)練樣本的監(jiān)督訓(xùn)練算法具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)使用兩種類型的數(shù)據(jù)集，4.1是印花紋表面，4.2是織物表面。

4.1Texture surface 測(cè)試樣本 ? 結(jié)果 ? a.原始圖像，b.修復(fù)圖像，c.論文方法，d. FCN方法，e.真實(shí)標(biāo)簽 ? 3.2 Fabric Picture 實(shí)驗(yàn)中缺陷樣本的類型有五種。實(shí)驗(yàn)樣本按背景分有三類，每類包含5個(gè)缺陷樣本，25個(gè)正常樣本。 測(cè)試樣本 ? 結(jié)果 ? a.原始圖像，b.修復(fù)圖像，c.論文方法，d. FCN方法，e.真實(shí)標(biāo)簽 ? 本人水平有限，表述不清楚或錯(cuò)誤的地方請(qǐng)指出，一起進(jìn)步！??