Использование ИИ для обнаружения и сегментации трещин

Когда ты смотришь на трещину на поверхности, она может показаться незначительной проблемой, но это хороший ранний индикатор серьезного повреждения конструкции. Например, мосты регулярно проверяют на наличие трещин, и они составляют 90% всех повреждений мостов ежегодно. Традиционно проверка на наличие трещин выполняется вручную и может занимать много времени. Искусственный интеллект (ИИ) может помочь сделать обнаружение трещин проще.

Помимо мостов, обнаружение трещин с помощью глубокого обучения полезно во многих промышленных сферах. Оно помогает гарантировать целостность зданий в строительстве, предотвращает дорогостоящие простои в производстве и делает проверки дорог и покрытий более безопасными и эффективными. В этой статье мы подробнее рассмотрим, как ты можешь использовать ИИ и модели компьютерного зрения, такие как Ultralytics YOLOv8, чтобы обнаруживать и сегментировать трещины гораздо быстрее и проще, чем с помощью традиционных методов.

Link to this sectionЧто такое сегментация трещин?#

Прежде чем мы углубимся в сегментацию трещин, давай разберемся, что такое сегментация. Сегментация — это задача компьютерного зрения, которая заключается в разделении изображения на различные области или сегменты. Цель состоит в том, чтобы упростить изображение и облегчить его анализ. Сегментация дает тебе понимание на уровне пикселей, в то время как такие задачи, как обнаружение объектов, используют ограничивающие рамки (bbox) для идентификации и локализации объектов.

Существуют различные типы методов сегментации:

• Семантическая сегментация: Это означает маркировку каждого пикселя на изображении определенным классом, например «дорога», «здание» или «дерево». Все пиксели одного класса рассматриваются как единое целое.
• Сегментация экземпляров: В отличие от семантической сегментации, она различает отдельные экземпляры одного и того же класса, например разные автомобили на одном изображении.
• Паноптическая сегментация: Она объединяет подходы семантической сегментации и сегментации экземпляров, чтобы дать детальное понимание категоризации на уровне пикселей и отдельных экземпляров объектов на изображении.

Рис. 1. Различия между методами сегментации: исходное изображение (G), семантическая сегментация (H), сегментация экземпляров (I) и паноптическая сегментация (J).

Что касается обнаружения трещин, сегментация экземпляров — отличный выбор. Уникально сегментируя каждую трещину, мы можем идентифицировать и анализировать их по отдельности. Например, мы можем вычислить площадь трещины, подсчитав количество пикселей, которые она занимает на изображении.

Link to this sectionПонимание того, как работает сегментация трещин#

Первый шаг к внедрению сегментации трещин — это выбор подходящей настройки камеры, которая может отличаться в зависимости от задачи. Если ты осматриваешь крупный объект, например здание, использование дронов может быть лучшим подходом для получения изображений высокого разрешения с разных ракурсов. С другой стороны, если ты проверяешь металлические листы после производства, возможно, лучше использовать стационарные камеры высокого разрешения, стратегически расположенные для получения детализированных изображений поверхностей.

Как только ты определишься с настройкой камеры, ты сможешь обучить модель компьютерного зрения, поддерживающую сегментацию экземпляров, например YOLOv8. Набор данных Roboflow Universe Crack Segmentation содержит аннотированные изображения трещин, и его можно использовать для обучения своей модели. Ты также можешь создать свой собственный набор данных, захватывая и аннотируя изображения трещин, специфичные для твоей задачи.

Модель учится сегментировать трещины с помощью обучения с учителем. Во время обучения ей подаются изображения и метки, показывающие, где находятся трещины. Модель настраивает свои внутренние параметры, чтобы минимизировать разницу между своими предсказаниями и фактическими метками. После обучения её можно использовать для анализа новых изображений и уникальной сегментации каждой трещины.

Рис 2. Использование Ultralytics YOLOv8 для сегментации трещин.

Link to this sectionПромышленное применение сегментации трещин#

Обнаружение и сегментация трещин невероятно полезны в различных промышленных приложениях: от обслуживания инфраструктуры до контроля качества на производстве. Точно идентифицируя и анализируя трещины, эти методы помогают повысить безопасность, долговечность и качество во многих областях. Давай рассмотрим несколько примеров.

Link to this sectionПоддержание качества дорог и покрытий#

Дорожные трещины — распространенная проблема, вызванная погодными условиями, интенсивным движением и естественным износом. Изменения температуры могут приводить к расширению и сжатию покрытия, что ведет к появлению трещин. Тяжелые транспортные средства создают нагрузку на поверхность дороги, а вода, просачивающаяся в небольшие трещины, со временем расширяет и углубляет их. Эти трещины могут привести к преждевременному износу, разрушению конструкции и повышенной опасности для водителей. Раннее обнаружение с помощью сегментации трещин поможет оптимизировать обслуживание дорог.

Рис 3. Трещина на дороге. Источник изображения: Envato Elements.

Трещины, обнаруженные и сегментированные с помощью компьютерного зрения, можно классифицировать по уровням серьезности: низкому, среднему и высокому, в зависимости от их размера. Классификация трещин помогает командам технического обслуживания расставлять приоритеты. Например, сначала можно устранить критические трещины, чтобы предотвратить разрушения и повысить безопасность дорог, а трещины средней и низкой степени серьезности можно запланировать для последующего ремонта и плановых проверок. Благодаря этому команда обслуживания может оптимизировать использование ресурсов, снизить затраты на ремонт и минимизировать неудобства для участников дорожного движения.

Link to this sectionИнспекция и мониторинг конструкций#

Обнаружение трещин также можно использовать для поддержания качества и безопасности зданий и других сооружений. Как и дороги, здания могут покрываться трещинами из-за изменений погоды, усталости материалов и регулярного износа. Тяжелая техника, используемая во время строительства, также может создавать дополнительную нагрузку на конструкции, вызывая новые трещины.

Рис 4. Использование мобильного телефона для съемки фото для сегментации трещин.

Точно идентифицируя и устраняя трещины, можно значительно продлить срок службы зданий и сооружений. Данные, собранные системами обнаружения трещин, также можно использовать для улучшения стандартов строительства и нормативных требований. Анализируя закономерности и причины возникновения трещин в разных проектах, эксперты отрасли могут разрабатывать лучшие методы строительства и материалы.

Link to this sectionОбнаружение трещин в нефтегазовой отрасли#

В нефтегазовой отрасли обнаружение трещин необходимо для поддержания безопасности и надежности трубопроводов, резервуаров для хранения и другой жизненно важной инфраструктуры. Трубопроводы часто охватывают большие расстояния и подвергаются суровым условиям окружающей среды, которые могут вызывать изменения давления и усталость материалов, что приводит к появлению трещин. Традиционно обнаружение трещин выполняется с помощью внутритрубных диагностических снарядов, ультразвукового контроля и рентгенографии. Если эти трещины не обнаружить и не устранить вовремя, они могут привести к серьезным проблемам, таким как утечки и взрывы. Трещины в этой отрасли представляют огромный риск для окружающей среды и людей.

Рис 5. Рабочие осматривают газовые резервуары на поезде. Источник изображения: Envato Elements

Сегментация трещин с помощью компьютерного зрения обеспечивает непрерывный мониторинг состояния трубопроводов. Команды технического обслуживания могут проводить своевременный ремонт и предотвращать потенциальные катастрофы, выявляя трещины на ранней стадии.

Link to this sectionАвтоматизированная инспекция производственных деталей#

Автоматизированная инспекция с использованием сегментации трещин меняет контроль качества в производстве. Раньше обнаружение трещин выполнялось с помощью визуальных проверок, капиллярной дефектоскопии и магнитопорошкового контроля. Интегрируя передовые системы визуализации и компьютерного зрения в производственную линию, производители могут обнаруживать даже самые мелкие трещины и дефекты в деталях сразу после их изготовления. Каждый компонент можно проверить и довести до соответствия высоким стандартам качества до того, как он попадет к клиентам.

Автоматизированная инспекция повышает точность и эффективность, предоставляя обратную связь в реальном времени, чтобы производственные команды могли быстро исправлять любые проблемы. Это экономит расходы за счет снижения потребности в ручных проверках и предотвращения дорогостоящих отзывов продукции. Кроме того, эти системы собирают ценные данные о дефектах, помогая выявлять закономерности и улучшать производственные процессы, что приводит к созданию более безопасных и надежных продуктов.

Рис 6. Обнаружение трещин в металлических деталях.

Link to this sectionПлюсы и минусы сегментации трещин#

Обнаружение трещин с помощью глубокого обучения предлагает множество преимуществ, включая повышение безопасности и принятие решений на основе данных. Давай рассмотрим некоторые другие плюсы использования обнаружения трещин в промышленных условиях:

• Устойчивые практики: Поддерживает устойчивое строительство и методы обслуживания за счет снижения потребности в обширных ремонтах и заменах, экономя материалы и ресурсы.
• Минимизация перебоев: Планирование ремонта менее серьезных трещин во время планового обслуживания помогает избежать серьезных сбоев в операциях и эксплуатации.
• Соблюдение нормативных требований: Помогает соответствовать отраслевым стандартам и регуляторным требованиям, обеспечивая регулярную проверку и обслуживание инфраструктуры.

Несмотря на свои преимущества, сегментация трещин также имеет некоторые недостатки. Высокие первоначальные инфраструктурные затраты могут вызывать беспокойство у небольших организаций, а сложность системы требует постоянного обучения и обслуживания. Вот некоторые другие минусы использования сегментации трещин в промышленных приложениях:

• Ложные срабатывания и пропуски: Система может ошибочно идентифицировать или не заметить трещины, что приведет к ненужным или пропущенным ремонтам.
• Проблемы управления данными: Создаются большие объемы данных, которые требуют надежных инструментов хранения и анализа.
• Экологические факторы: Внешние условия, такие как экстремальные погодные условия или высокая влажность, могут влиять на точность и надежность систем сегментации трещин.
• Интеграция с существующими системами: Интеграция технологии обнаружения трещин с существующей инфраструктурой и системами может быть сложной и может потребовать дополнительных модификаций или обновлений.

Link to this sectionОсновные выводы#

Сегментация и обнаружение трещин могут играть жизненно важную роль в поддержании нашей промышленной инфраструктуры в безопасном и долговечном состоянии. Используя передовые технологии, такие как глубокое обучение и компьютерное зрение, мы можем выявлять структурные проблемы на ранней стадии и устранять их до того, как они станут серьезными. Этот проактивный подход экономит время и деньги, соответствуя при этом стандартам безопасности и нормативным требованиям. Плюс ко всему, это поддерживает устойчивые практики за счет минимизации потребности в масштабных ремонтах. Несмотря на некоторые проблемы, такие как высокие первоначальные затраты и сложность внедрения, преимущества сегментации трещин в различных отраслях делают её ценным инструментом для поддержания и повышения качества инфраструктуры.

Чтобы узнать больше об ИИ, посети наш репозиторий на GitHub и присоединяйся к нашему сообществу. Изучи возможности применения ИИ в производстве и сельском хозяйстве на наших страницах с решениями. 🚀