基于深度学习识别模型的缺陷检测方法

一、介绍

缺陷检测被广泛使用于布匹瑕疵检测、工件表面质量检测、航空航天领域等。传统的算法对规则缺陷以及场景比较简单的场合，能够很好工作，但是对特征不明显的、形状多样、场景比较混乱的场合，则不再适用。近年来，基于深度学习的识别算法越来越成熟，许多公司开始尝试把深度学习算法应用到工业场合中。

二、缺陷数据

这里以布匹数据作为案例，常见的有以下三种缺陷，磨损、白点、多线。

如何制作训练数据呢？这里是在原图像上进行截取，截取到小图像，比如上述图像是512x512，这里我裁剪成64x64的小图像。这里以第一类缺陷为例，下面是制作数据的方法。

注意：在制作缺陷数据的时候，缺陷面积至少占截取图像的2/3，否则舍弃掉，不做为缺陷图像。

一般来说，缺陷数据都要比背景数据少很多， 最后通过增强后的数据，缺陷：背景=1：1，每类在1000幅左右~~~

三、网络结构

具体使用的网络结构如下所示，输入大小就是64x64x3，采用的是截取的小图像的大小。每个Conv卷积层后都接BN层，具体层参数如下所示。

Conv1：64x3x3

Conv2：128x3x3 ResNetBlock和DenseNetBlock各两个，具体细节请参考残差网络和DenseNet。

Add：把残差模块输出的结果和DenseNetBlock输出的结果在对应feature map上进行相加，相加方式和残差模块相同。

注意，其实这里是为了更好的提取特征，方式不一定就是残差模块+DenseNetBlock，也可以是inception，或者其它。

Conv3：128x3x3 Maxpool：stride=2，size=2x2 FC1：4096 Dropout1：0.5 FC2：1024 Dropout1：0.5 Softmax：对应的就是要分的类别，在这里我是二分类。

关于最后的损失函数，建议选择Focal Loss，这是何凯明大神的杰作，源码如下所示：

def focal_loss(y_true, y_pred):
    pt_1 = tf.where(tf.equal(y_true, 1), y_pred, tf.ones_like(y_pred))
    return -K.sum(K.pow(1. - pt_1, 2) * K.log(pt_1))

数据做好，就可以开始训练了~~~

四、整幅场景图像的缺陷检测

上述训练的网络，输入是64x64x3的，但是整幅场景图像却是512x512的，这个输入和模型的输入对不上号，这怎么办呢？其实，可以把训练好的模型参数提取出来，然后赋值到另外一个新的模型中，然后把新的模型的输入改成512x512就好，只是最后在conv3+maxpool层提取的feature map比较大，这个时候把feature map映射到原图，比如原模型在最后一个maxpool层后，输出的feature map尺寸是8x8x128，其中128是通道数。如果输入改成512x512，那输出的feature map就成了64x64x128，这里的每个8x8就对应原图上的64x64，这样就可以使用一个8x8的滑动窗口在64x64x128的feature map上进行滑动裁剪特征。然后把裁剪的特征进行fatten，送入到全连接层。具体如下图所示。

全连接层也需要重新建立一个模型，输入是flatten之后的输入，输出是softmax层的输出。这是一个简单的小模型。

在这里提供一个把训练好的模型参数，读取到另外一个模型中的代码

#提取特征的大模型
def read_big_model(inputs):
    # 第一个卷积和最大池化层
    X = Conv2D(16, (3, 3), name="conv2d_1")(inputs)
    X = BatchNormalization(name="batch_normalization_1")(X)
    X = Activation('relu', name="activation_1")(X)
    X = MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2), name="max_pooling2d_1")(X)
    # google_inception模块
    conv_1 = Conv2D(32, (1, 1), padding='same', name='conv2d_2')(X)
    conv_1 = BatchNormalization(name='batch_normalization_2')(conv_1)
    conv_1 = Activation('relu', name='activation_2')(conv_1)
    conv_2 = Conv2D(32, (3, 3), padding='same', name='conv2d_3')(X)
    conv_2 = BatchNormalization(name='batch_normalization_3')(conv_2)
    conv_2 = Activation('relu', name='activation_3')(conv_2)
    conv_3 = Conv2D(32, (5, 5), padding='same', name='conv2d_4')(X)
    conv_3 = BatchNormalization(name='batch_normalization_4')(conv_3)
    conv_3 = Activation('relu', name='activation_4')(conv_3)
    pooling_1 = MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(1, 1), padding='same', name='max_pooling2d_2')(X)
    X = merge([conv_1, conv_2, conv_3, pooling_1], mode='concat', name='merge_1')
    X = MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2), name='max_pooling2d_3')(X)  # 这里的尺寸变成16x16x112
    X = Conv2D(64, (3, 3), kernel_regularizer=regularizers.l2(0.01), padding='same', name='conv2d_5')(X)
    X = BatchNormalization(name='batch_normalization_5')(X)
    X = Activation('relu', name='activation_5')(X)
    X = MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2), name='max_pooling2d_4')(X)  # 这里尺寸变成8x8x64
    X = Conv2D(128, (3, 3), padding='same', name='conv2d_6')(X)
    X = BatchNormalization(name='batch_normalization_6')(X)
    X = Activation('relu', name='activation_6')(X)
    X = MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2), padding='same', name='max_pooling2d_5')(X)  # 这里尺寸变成4x4x128

    return X

def read_big_model_classify(inputs_sec):
    X_ = Flatten(name='flatten_1')(inputs_sec)
    X_ = Dense(256, activation='relu', name="dense_1")(X_)
    X_ = Dropout(0.5, name="dropout_1")(X_)
    predictions = Dense(2, activation='softmax', name="dense_2")(X_)
    return predictions
#建立的小模型

inputs=Input(shape=(512,512,3))
X=read_big_model(inputs)#读取训练好模型的网络参数
#建立第一个model
model=Model(inputs=inputs, outputs=X)
model.load_weights('model_halcon.h5', by_name=True)

五、识别定位结果

上述的滑窗方式可以定位到原图像，8x8的滑窗定位到原图就是64x64，同样，在原图中根据滑窗方式不同（在这里选择的是左右和上下的步长为16个像素）识别定位到的缺陷位置也不止一个，这样就涉及到定位精度了。在这里选择投票的方式，其实就是对原图像上每个被标记的像素位置进行计数，当数字大于指定的阈值，就被判断为缺陷像素。

识别结果如下图所示：

六、一些Trick

对上述案例来说，其实64x64大小的定位框不够准确，可以考虑训练一个32x32大小的模型，然后应用方式和64x64的模型相同，最后基于32x32的定位位置和64x64的定位位置进行投票，但是这会涉及到一个问题，就是时间上会增加很多，要慎用。

对背景和前景相差不大的时候，网络尽量不要太深，因为太深的网络到后面基本学到的东西都是相同的，没有很好的区分能力，这也是我在这里为什么不用object detection的原因，这些检测模型网络，深度动辄都是50+，效果反而不好，虽然有残差模块作为backbone。

但是对背景和前景相差很大的时候，可以选择较深的网络，这个时候，object detection方式就派上用场了。

审核编辑：刘清