工業(yè)視覺缺陷檢測(cè)的算法總結(jié)

來源：亞坤工業(yè)視覺

缺陷檢測(cè)是工業(yè)視覺領(lǐng)域非常重要的應(yīng)用之一。幾乎所有的工業(yè)產(chǎn)品在流入市場(chǎng)之前都會(huì)有缺陷檢測(cè)的環(huán)節(jié)，目的是確保產(chǎn)品是合格的。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，分為人工目視檢測(cè)和工業(yè)視覺檢測(cè)。利用工業(yè)視覺做缺陷檢測(cè)時(shí)，常用的解決思路如下：

Ⅰ、傳統(tǒng)圖像算法

用傳統(tǒng)圖像算法做缺陷檢測(cè)時(shí)，方法有二：

①特征工程

特征工程是缺陷檢測(cè)中最常用的方法。特征工程是通過傳統(tǒng)圖像算法分析圖像灰度值、方差、均值、顏色、型狀、輪廓、面積等特征去檢測(cè)缺陷，方法非常靈活，開發(fā)速度也快。在應(yīng)用層面，一般會(huì)將缺陷特征的相關(guān)參數(shù)開放到軟件端，供使用者靈活調(diào)整。

②模板匹配

模板匹配是通過預(yù)設(shè)一些圖像模板，將圖像模板與待測(cè)圖像進(jìn)行比較，以達(dá)到識(shí)別缺陷的目的。這種算法應(yīng)用有限，舉個(gè)例子，做某品牌飲料瓶標(biāo)簽的缺陷檢測(cè)，會(huì)利用方法①特征工程的技術(shù)識(shí)別部分缺陷類型，但也會(huì)利用模板匹配，通過預(yù)設(shè)一些標(biāo)簽圖像模板去匹配待測(cè)圖像，以判斷標(biāo)簽是否有缺陷。

Ⅱ、CV算法

計(jì)算機(jī)視覺算法即CV（Computer Vision）算法，是指讓計(jì)算機(jī)理解圖像的一種技術(shù)，屬于AI（Artificial Intelligence）算法的分支之一。

在工業(yè)視覺領(lǐng)域，處理對(duì)象是圖像，故提到AI算法便是CV算法。也許AI算法聽起來高級(jí)，所以在工業(yè)視覺領(lǐng)域，大家一般多說AI算法，不怎么提CV算法。

圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、語義分割、實(shí)例分割、目標(biāo)跟蹤、OCR、人臉識(shí)別、圖像生成、異常檢測(cè)、等都屬于CV算法。其中，在工業(yè)視覺缺陷檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的CV算法為圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、實(shí)例分割。

①圖像分類

圖像分類，顧名思義，是對(duì)圖像進(jìn)行分類并確定圖像類別的一種算法。根據(jù)分類任務(wù)不同，圖像分類又分為單標(biāo)簽分類和多標(biāo)簽分類。常用的分類網(wǎng)絡(luò)有ResNet、MobileNet、EfficientNet等。

在工業(yè)視覺領(lǐng)域，理論上講，可以利用圖像分類算法對(duì)整張圖像直接分類，以確定其缺陷類別。由于工業(yè)相機(jī)拍攝的視野問題，會(huì)使整張圖像除了目標(biāo)區(qū)域外，還會(huì)包含很多無關(guān)的背景，這些無關(guān)的背景會(huì)干擾圖像分類模型的訓(xùn)練，導(dǎo)致圖像分類算法的準(zhǔn)確率低，因此實(shí)際項(xiàng)目中，極少利用圖像分類算法直接對(duì)整張圖進(jìn)行分類。

②目標(biāo)檢測(cè)

目標(biāo)檢測(cè)算法是在圖像中對(duì)所有感興趣的目標(biāo)，用檢測(cè)框定位目標(biāo)的位置和類別。這種方法簡單粗暴，即通過標(biāo)注大量缺陷數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練一個(gè)具有缺陷檢測(cè)能力的目標(biāo)檢測(cè)模型。

最經(jīng)典目標(biāo)檢測(cè)算法首推YOLO系列，準(zhǔn)確率高且推理速度快，屬于非常優(yōu)異的算法。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)圖像進(jìn)行尺寸的縮放，使圖像大小符合目標(biāo)檢測(cè)模型所要求的尺寸。如果原圖很大，缺陷很小，使缺陷在原圖中占比很小，比如點(diǎn)狀的微小缺陷，可能會(huì)使圖像在預(yù)處理縮放過程中，將缺陷丟失。因此，如果有此類問題的風(fēng)險(xiǎn)，一般會(huì)將原圖進(jìn)行裁剪為多份，比如100005000分辨率的圖像，拆分為10張20002500分辨率的圖像，然后對(duì)這10張圖像單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)，最后將檢測(cè)結(jié)果匯總。

此類方法也有弊端，那就是數(shù)據(jù)集，成也數(shù)據(jù)集，敗也數(shù)據(jù)集。因?yàn)槟繕?biāo)檢測(cè)算法屬于有監(jiān)督學(xué)習(xí)，依賴大量的數(shù)據(jù)集，如果數(shù)據(jù)集不夠，會(huì)導(dǎo)致算法準(zhǔn)確率低。實(shí)際項(xiàng)目中，往往需要持續(xù)收集數(shù)據(jù)，反復(fù)多次迭代模型，才能達(dá)到理想效果。

③實(shí)例分割

實(shí)例分割是目標(biāo)檢測(cè)的升華版本，即在目標(biāo)檢測(cè)的基礎(chǔ)上用更精細(xì)的mask進(jìn)行定位，而非檢測(cè)框。

YOLO算法的原創(chuàng)作者Joseph Redmon在他YOLOv3論文的最后寫了這樣一句話：Boxes are stupid anyway though, I’m probably a true believerin masks except I can’t get YOLO to learn them。由此可見，Joseph Redmon是認(rèn)可mask而非box。

將實(shí)例分割算法應(yīng)用到缺陷檢測(cè)上，可以獲得比目標(biāo)檢測(cè)算法更加精準(zhǔn)的缺陷定位，這是有利于缺陷檢測(cè)的。另一方面，當(dāng)不同的缺陷離得很近，并且出現(xiàn)交叉或者包含的情況，目標(biāo)檢測(cè)算法很難獲得較好的類別區(qū)分，但是實(shí)例分割算法并沒有這個(gè)困境。若用實(shí)例分割算法在尺寸很大的圖像上進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，處理方法與目標(biāo)檢測(cè)算法一致，也是將圖像拆分。

實(shí)例分割算法和目標(biāo)檢測(cè)算法一樣，都屬于有監(jiān)督學(xué)習(xí)，需要依賴大量的數(shù)據(jù)集。相比于目標(biāo)檢測(cè)算法拉框式的標(biāo)注，實(shí)例分割算法標(biāo)注的更為精確，標(biāo)注工作量更大。實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)例分割算法往往也需要持續(xù)收集圖像數(shù)據(jù)，反復(fù)多次迭代模型，才能達(dá)到理想效果。

PS：此處致敬一下Joseph Redmon大神，摘選他YOLOv3論文驚人敬佩的結(jié)束語。

Ⅲ、傳統(tǒng)圖像算法+CV****算法

這種方法將傳統(tǒng)圖像算法和CV算法結(jié)合在一起，也是常用的策略。

通常是利用傳統(tǒng)圖像算法先定位缺陷，然后再將缺陷ROI圖像傳給AI分類算法進(jìn)行分類。這種方法解決了傳統(tǒng)圖像算法定位容易，但是分類困難的問題。

結(jié)束語

工業(yè)視覺缺陷檢測(cè)算法有很多，本文羅列了三大類主流方法，除了上述三大類，也有無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法、圖像異常檢測(cè)算法，讀者感興趣可自行檢索研究。

任何一種缺陷檢測(cè)算法都有自己的技術(shù)邊界，在使用的時(shí)候，要具體情況具體分析，好的策略是將多種不同的算法組合使用，形成“絕對(duì)檢測(cè)”。

審核編輯：湯梓紅