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专利号: 2021101688339
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于卷积自编码器图像扩增的热成像缺陷检测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1)获取碳纤维增强聚合物复合材料的热图像及热图像数据;

步骤2)热图像选择与处理;

步骤3)建立卷积自编码器图像增强模型,对热图像降噪,得到卷积自编码器重构热图像;

步骤4)热图像数据预处理;

步骤5)分别基于步骤1)的热图像和步骤3)的卷积自编码器重构热图像建立拉普拉斯特征映射热成像模型,提取热图像中的缺陷信息并可视化,实现缺陷的定性监测;

步骤6)采用分离度指标对建立的模型进行评估,验证图像增强策略在缺陷检测建模中的效果;

所述步骤6)具体步骤如下:

将Fisher准则引入热像分析领域,用于评价热像图中缺陷区域与完好区域的对比,分离度指标的定义如下:其中:非缺陷区域的像素记录在一个类别中,缺陷区域的像素记录在另一个类别中,Mdef、Sdef分别为热图缺陷区域像素的均值和方差;Min、Sin为完好区域像素的均值与方差,DOS值越大表示类间距离越大,类内距离越小,表明缺陷区域与完好区域的分离程度越高。

2.根据权利要求1所述的基于卷积自编码器图像扩增的热成像缺陷检测方法,其特征在于,所述步骤1)具体步骤如下:制作含缺陷的碳纤维增强聚合物模拟复合材料内部缺陷试样,建立主动热成像IRT系统,通过工作闪光激发热脉冲对试样进行加热,在热前沿接触实验试样表面并穿过试样后,采用红外热相机记录试样表面的温度响应,提取到具有表观温度变化的区域即为热图像数据nt帧。

3.根据权利要求2所述的基于自编码器图像增强的流形学习热成像缺陷检测方法,其特征在于,所述步骤2)具体步骤如下:步骤2.1)热图像选择:

选择采集的热图像序列的中间段图像建模和分析,热图像平均像素值曲线帮助选择ns张有效图像;

步骤2.2)感兴趣区域ROI提取:

去除原始图像无效边缘,选择热图像的子区域作为感兴趣区域;接下来,仅对尺寸为nx×ny热图像的感兴趣区域进行图像处理。

4.根据权利要求3所述的基于卷积自编码器图像扩增的热成像缺陷检测方法,其特征在于,所述步骤3)具体步骤如下:建立卷积自编码器CAE图像模型,卷积自编码器结构包括编码器和解码器两个部分,两部分结构引入了卷积神经网络的卷积和池化操作,以实现特征提取,这使得模型具有提取图像二维局部信息的能力,同时也能加快学习速率;假设原始热成像数据为X,经编码器压缩后的数据为h,解码后的数据是 则它们之间的关系如下:h=f(wX+b1)

式中,w是编码器和解码器的权重;b1,b2是编码器和解码器的偏置项;f是非线性激活函数;

在自编码器中,参数w,b1和b2是随机初始化的,训练过程中需要不断更新参数,使得X和之间的重构误差R最小,R作为模型的损失函数,用X和 的平方误差表示:卷积自编码器的编码器部分由若干个卷积层和池化层构成,解码器部分则由若干个上采样层和卷积层构成,上采样层采用最近邻插值法调整图片的尺寸,解码器中卷积层的步长一般设置为1;

最终,训练好的CAE网络生成ns张重构的噪声低的热图像。

5.根据权利要求4所述的基于卷积自编码器图像扩增的热成像缺陷检测方法,其特征在于,所述步骤4)具体步骤如下:步骤4.1)数据展开:

CAE重构的热图像数据可理解为一个具有ns张nx×ny大小的三维数据集,即ns×nx×ny;

为了满足拉普拉斯特征映射算法对二维数据分析的要求,将3D热影像数据集展开成一个ns×(nx×ny)的二维矩阵,记为矩阵 在二维矩阵 中,每个热图像被展开成长度为nxny的行向量,而矩阵的列向量 i=1,…,nxny;则表示热图像中每一像素点处的温度变化信号;

步骤4.2)矩阵 标准化处理:

对展开的矩阵 标准化处理,即矩阵 通过减去每列的平均值再除以每列的标准差;

标准化后的矩阵仍记为

6.根据权利要求5所述的基于卷积自编码器图像扩增的热成像缺陷检测方法,其特征在于,所述步骤5)具体步骤如下:步骤5.1)建立卷积增强特征映射CALE缺陷评估模型:将上一步骤得到的热图像矩阵 作为建模数据,建立拉普拉斯特征映射模型,通过构建邻接矩阵为W的图来重构数据流形的局部结构特征;将像素点处的温度信号作为样本,对于 中的任意两个样本点 和 采用k近邻法构造近邻图,并计算每条边的权值,W的计算方式如下:其中,t是核宽度,设 和 在低维空间中的坐标为 和 拉普拉斯特征映射算法的优化函数化及其简化结构为:其中,L=D‑W是拉普拉斯矩阵,D是度矩阵, tr是矩阵的迹,用拉格朗日乘子法求解,最终转化为广义特征值问题:LY=λDY

其中,λ为特征值,求解上式,取第2小至d+1小的特征值对应的特征向量,其中d表示降维后的维数,得到降维后的结果Y(Y∈d×nxny);

步骤5.2)缺陷可视化:

卷积增强特征映射CALE模型的降维结构无法直观的提供缺陷形状、位置等信息;这里,将Y的每一行重构成大小为nx×ny的二维矩阵,实现缺陷目标的可视化。