التعرف على الصور وتحليل المعلمات لحالة اهتزاز الخرسانة بناء على آلة ناقل الدعم

Summary

يستخدم البروتوكول الموصوف في هذا البحث تقنية الرسم البياني للتدرج الاتجاهي لاستخراج خصائص عينات الصور الخرسانية تحت حالات الاهتزاز المختلفة. يستخدم آلة متجه دعم للتعلم الآلي ، مما يؤدي إلى طريقة التعرف على الصور مع الحد الأدنى من متطلبات عينة التدريب ومتطلبات أداء الكمبيوتر المنخفضة.

Abstract

في هذا البحث ، تم استخدام تقنية الرسم البياني للتدرج الاتجاهي لاستخراج ميزات عينات الصور الخرسانية الملتقطة تحت حالات اهتزاز مختلفة. يتم استخدام آلة متجه الدعم (SVM) لمعرفة العلاقة بين ميزات الصورة وحالة الاهتزاز. يتم استخدام نتائج التعلم الآلي لاحقا لتقييم جدوى حالة اهتزاز الخرسانة. في الوقت نفسه ، يتم تحليل آلية تأثير معلمات حساب الرسم البياني للتدرج الاتجاهي على دقة التعرف. توضح النتائج جدوى استخدام تقنية الرسم البياني للتدرج الاتجاهي-SVM لتحديد حالة اهتزاز الخرسانة. تزداد دقة التعرف في البداية ثم تنخفض مع زيادة حجم كتلة التدرج الاتجاهي ، أو زيادة عدد الفواصل الإحصائية. تنخفض دقة التعرف أيضا خطيا مع زيادة عتبة الثنائية. باستخدام عينة من الصور بدقة 1024 بكسل × 1024 بكسل وتحسين معلمات استخراج الميزات ، يمكن تحقيق دقة التعرف بنسبة 100٪.

Introduction

الخرسانة هي مادة بناء أساسية تستخدم على نطاق واسع في صناعة البناء والتشييد. أثناء الضخ ، تقوم الخرسانة بشكل متكرر بتطوير فراغات تتطلب الضغط من خلال الاهتزاز. قد يؤدي الاهتزاز غير الكافي إلى سطح خرساني على شكل قرص العسل ، بينما يمكن أن يؤدي الاهتزاز المفرط إلى فصل الخرسانة ^1,2. تؤثر جودة تشغيل الاهتزاز بشكل كبير على قوة^3،4،5،6 ومتانة الهياكل الخرسانية المشكلة^7،8. أجرى Cai et ^al.9,10 دراسة جمعت بين البحث التجريبي والتحليل العددي للتحقيق في آلية تأثير الاهتزاز على تسوية الركام ومتانة الخرسانة. كشفت النتائج أن وقت الاهتزاز وجزيئات الركام لها تأثير كبير على الاستقرار الكلي ، في حين أن الكثافة الكلية ولزوجة البلاستيك للمواد القائمة على الأسمنت لها تأثيرات ضئيلة. يتسبب الاهتزاز في ترسب الركام في الجزء السفلي من العينات الخرسانية. علاوة على ذلك ، مع زيادة وقت الاهتزاز ، ينخفض تركيز أيون الكلوريد في الجزء السفلي من العينات الخرسانية بينما يزداد بشكل كبير في الجزء العلوي ^9,10.

حاليا ، يعتمد تقييم حالة الاهتزاز الخرساني في الغالب على الحكم اليدوي. مع استمرار تقدم صناعة البناء من خلال الإصلاحات الذكية ، برزت عمليات الروبوت كاتجاه مستقبلي^11,12. وبالتالي ، فإن التحدي الحاسم في عمليات الاهتزاز الذكية هو كيفية تمكين الروبوتات من تحديد حالة اهتزاز الخرسانة.

الرسم البياني للتدرج الموجه هو تقنية تستخدم تدرج شدة البكسل أو توزيع اتجاهات الحواف كواصف لتوصيف تمثيل وشكل الكائنات في الصور^13,14. يعمل هذا النهج على خلايا الشبكة المحلية للصورة ، مما يوفر استقرارا قويا في توصيف تغييرات الصورة في ظل ظروف هندسية وبصرية مختلفة.

اقترح Zhou et ^al.15 طريقة لاستخراج ميزات التدرج الاتجاهي مباشرة من صور وضع باير. يحذف هذا الأسلوب العديد من الخطوات في حساب التدرج الاتجاهي عن طريق مطابقة عمود مرشح اللون مع عامل التدرج ، وبالتالي تقليل المتطلبات الحسابية للتعرف على صورة التدرج الاتجاهي بشكل كبير. استخدم He et ^al.16 الرسم البياني للتدرج الاتجاهي كميزة أساسية واستخدم خوارزمية التجميع المتوسطة لتصنيف مثبتات السكك الحديدية وتحديد ما إذا كانت السحابات معيبة. أشارت نتائج التعرف إلى أن الرسم البياني لميزة التدرج الموجه أظهر حساسية عالية لعيوب السحابة ، مما يلبي احتياجات صيانة وإصلاح السكك الحديدية. في دراسة أخرى ، قام Xu et ^al.17 بمعالجة ميزات صورة الوجه مسبقا باستخدام ترشيح مويجات Gabor وتقليل أبعاد متجهات الميزات من خلال الترميز الثنائي وخوارزمية HOG. متوسط دقة التعرف على الطريقة هو 92.5٪.

يتم استخدام آلة متجه الدعم (SVM) ¹⁸ لتعيين المتجه في مساحة عالية الأبعاد وإنشاء مستوى فائق منفصل مع اتجاه مناسب لزيادة المسافة بين مستويين متوازيين متوازيين. هذا يسمح لتصنيف ناقلات الدعم¹⁹. قام العلماء بتحسين وتحسين تقنية التصنيف هذه ، مما أدى إلى تطبيقها في مجالات مختلفة مثل التعرف على الصور^20،21 ، وتصنيف النص²² ، والتنبؤ بالموثوقية²³ ، وتشخيص الأخطاء²⁴.

طور Li et ^al.25 نموذج SVM من مرحلتين للتعرف على نمط الفشل الزلزالي ، مع التركيز على ثلاثة أوضاع للفشل الزلزالي. تشير نتائج التحليل إلى أن طريقة SVM المقترحة على مرحلتين يمكن أن تحقق دقة تزيد عن 90٪ لأوضاع الفشل الثلاثة. قام Yang et ^al.26 بدمج خوارزمية التحسين مع SVM لمحاكاة العلاقة بين المعلمات الخمسة بالموجات فوق الصوتية وضغط الخرسانة المحملة. أداء SVM غير المحسن غير مرض ، لا سيما في مرحلة الضغط المنخفض. ومع ذلك ، فإن اجتياز النموذج المحسن بواسطة الخوارزمية يؤدي إلى نتائج محسنة ، وإن كان ذلك مع أوقات حساب طويلة. وبالمقارنة ، فإن تحسين سرب الجسيمات SVM يقلل بشكل كبير من وقت الحساب مع تقديم نتائج محاكاة مثالية. استخدم Yan et ^al.27 تقنية SVM وقدم وظيفة فقدان غير حساسة بدقة للتنبؤ بمعامل المرونة للخرسانة عالية القوة ، ومقارنة دقة التنبؤ بها مقابل نموذج الانحدار التقليدي ونموذج الشبكة العصبية. توضح نتائج البحث أن تقنية SVM تنتج خطأ تنبؤ أصغر لمعامل المرونة مقارنة بالطرق الأخرى.

يجمع هذا البحث عينات صور من الخرسانة تحت حالات اهتزاز مختلفة ويصف الحالات المختلفة للخرسانة باستخدام تقنية الرسم البياني للتدرج الاتجاهي. تم استخدام التدرج الاتجاهي كمتجه مميز لتدريب SVM ، وتركز الدراسة على جدوى استخدام تقنية الرسم البياني للتدرج الاتجاهي-SVM لتحديد حالة اهتزاز الخرسانة. بالإضافة إلى ذلك ، تحلل الورقة آلية التأثير بين ثلاثة معلمات رئيسية - عتبة التدرج ، وحجم الكتلة الإحصائية للتدرج الاتجاهي ، ورقم الفاصل الزمني الإحصائي للتدرج الاتجاهي - في عملية استخراج الميزة للمدرج التكراري للتدرج الاتجاهي ودقة التعرف على SVM.

Protocol

1. الحصول على صورة عينة ملموسة

1. نقل الخرسانة إلى مكان العمل ، حيث سيتم صبها بواسطة شاحنة المضخة.
2. لالتقاط الصور ، قم بتشغيل جهاز التصوير عن طريق تحريك مفتاح مفتاح التشغيل إلى اليمين وتحويله إلى وضع التشغيل . اضبط مقبض وضع الكاميرا على الوضع التلقائي الأخضر، وتأكد من أن عدسة الكاميرا موازية للسطح الخرساني، واضغط على مفتاح الغالق. التقط 20 عينة صورة من الخرسانة غير المهتزة ، واحفظها بتنسيق .jpg بدقة اكتساب تبلغ 1024 × 1024 بكسل ، كما هو موضح في الشكل 1.
3. أدخل الجزء الاهتزازي من معدات اهتزاز الخرسانة (قضيب اهتزاز الخرسانة الإضافي) في الخرسانة. قم بتوصيل مصدر الطاقة ، ثم قم بتشغيل معدات الاهتزاز الخرسانية عن طريق ضبطها على وضع التشغيل .
4. عندما يكون هناك بعض الانهيار على سطح الخرسانة (ناتج عن اهتزاز تفريغ الهواء داخل الخرسانة ، مما يؤدي إلى غرق الركام السطحي لملء الفجوات ، مما يؤدي إلى انهيار الخرسانة) ويظهر بعض ملاط الأسمنت ، احتفظ بعدسة الكاميرا موازية لسطح الخرسانة واضغط على مفتاح الغالق. اجمع 20 عينة صورة للخرسانة المهتزة، كما هو موضح في الشكل 2.
5. استمر في تشغيل معدات الاهتزاز. عندما لا يكون هناك انهيار واضح على سطح الخرسانة ، لا يظهر ملاط أسمنتي ، ولا يتم إنشاء فقاعات ، وإيقاف عملية الاهتزاز ، والتقاط 20 عينة صورة من الخرسانة المهتزة ، كما هو موضح في الشكل 3.

2. عينة صورة ثنائية رمادية

1. استخدم وظيفة imread() لبرنامج MATLAB لقراءة ملف .jpg كبيانات تنسيق الوحدة 1024 بكسل × 1024 بكسل × 3 قنوات ملونة ، تمثل قيم القناة الحمراء والخضراء والزرقاء للصورة.
2. بعد ذلك ، قم بتطبيق وظيفة MATLAB rgb2gray لتحويل الصورة إلى تدرج الرمادي ، والتي يشار إليها بالتنسيق قيمة الرمادي = rgb2gray (اسم ملف jpg). احسب القيمة الرمادية لكل بكسل وفقا للمعادلة (1) ، واحفظ القيمة الرمادية كبيانات تنسيق unit8 1024 × 1024.
   GR _(i,j) = 0.2989R_(i,j) + 0.587G_(i,j) + 0.114B_(i,j) (1)
   حيث ، GR (i، j) هي القيمة الرمادية لنقطة البكسل ، R (i ، j) هي قيمة القناة الحمراء لنقطة البكسل ، G (i ، j) هي قيمة القناة الخضراء لنقطة البكسل ، و B (i ، j) هي قيمة القناة الزرقاء لنقطة البكسل.
3. قم بتغيير القيمة الثنائية للقيم الرمادية الأكبر من عتبة البكسل θ إلى 1 واضبط القيمة الثنائية للقيم الرمادية الأقل من θ pixel إلى 0.
4. بعد الحصول على النتائج الرمادية ثنائية ، احفظ النتيجة كبيانات تنسيق منطقي 1024 × 1024. في هذه الحالة ، تمثل θ عتبة الازدواجية ، وقيمها هي 50 و 100 و 150 و 200 لصور عينة ملموسة مختلفة لحالة الاهتزاز ، كما هو موضح في الشكل 5 والشكل 6 والشكل 7.

3. حساب القيمة الذاتية للتدرج الاتجاهي

1. احسب التدرج الثنائي الأفقي والرأسي لكل بكسل في الصورة باستخدام المعادلة التالية²⁸
   T_p = R (x، y + 1) - R (x، y - 1)، T_h = R (x + 1، y) - R (x-1، y)
   حيث T_h هو التدرج الأفقي الثنائي ، T_p هو التدرج الرأسي الثنائي ، R هي بيانات التنسيق المنطقي الثنائي ، x هو رقم صف المصفوفة الثنائية ، و y هو رقم عمود المصفوفة الثنائية.
2. احسب اتجاه التدرج الثنائي وحجم كل نقطة باستخدام المعادلة التالية²⁹
   
   حيث T هو حجم التدرج الثنائي ، α_T هو اتجاه التدرج الثنائي ، T_h هو التدرج الثنائي الأفقي ، و T_p هو التدرج الثنائي الرأسي.
3. حدد حجم كتلة تجزئة الصورة ، المشار إليها ب n ، حيث تكون قيمة n [1،9]. اضبط خط التجزئة لكل n بكسل في الاتجاه y على طول اتجاه x ، وتقسيم الصورة بشكل فعال إلى كتل مربعة n x n بناء على موضع خط التجزئة. ثم تتم إزالة أي أجزاء من الصورة لا يمكن أن تشكل كتل مربعة كاملة.
4. اتجاه التدرج الثنائي للتقسيم α_T (قيمة اتجاه التدرج الثنائي α_T هي [0 درجة ، 360 درجة]) إلى أجزاء m ، مما ينتج عنه فترات زاوية إحصائية للتدرج الاتجاهي m. تابع حساب القيمة الإحصائية المتدرجة للفاصل الزمني لزاوية التدرج الإحصائي لكل كتلة.
   1. بناء على اتجاه التدرج الثنائي لكل بكسل في الكتلة ، قم بتصنيف وحدات البكسل إلى فاصل زاوية إحصائي متدرج مناسب لكل اتجاه.
   2. اجمع التدرج الثنائي للبيكسلات في فاصل الزاوية الإحصائية المتدرجة لكل اتجاه في اتجاه عقارب الساعة للحصول على قيمة التدرج الإحصائية لتلك الفترة. النتائج التي تم الحصول عليها لإحصائيات التدرج الاتجاهي لفاصل الزاوية الإحصائية المتدرجة موضحة في الشكل 8 والشكل 9 والشكل 10 لأحجام الكتل n تساوي 8 و 128 و 512 على التوالي.

4. بناء متجه ميزة التدرج الاتجاهي

1. قسم العينات إلى مناطق الحساب المطلوبة، حيث تتكون كل منطقة حساب من أربع كتل متجاورة استنادا إلى نتائج الكتلة التي تم الحصول عليها في الخطوة 3.3. على سبيل المثال ، بالنظر إلى دقة 16 × 16 بكسل وحجم كتلة 4 × 4 ، يتم تقسيم الصورة إلى (16 / 4-1) × (16 / 4-1) = 9 مناطق حسابية.
2. احسب القيمة الإحصائية للتدرج الاتجاهي ضمن الفاصل الزمني لزاوية إحصائيات التدرج لكل كتلة في منطقة الحساب. بعد ذلك ، احصل على متجه المعلم مع إحصائيات التدرج الاتجاهي كمكون.
3. ادمج متجهات معالم التدرج الاتجاهي من كل منطقة حسابية للحصول على متجه معلم التدرج الاتجاهي للصورة.

5. تدريب SVM

1. حدد عشوائيا 42 عينة من حالات الاهتزاز الثلاث لإنشاء مجموعة التدريب ، مع ترك العينات ال 18 المتبقية كمجموعة اختبار.
2. الاستفادة من وظيفة fitcecoc من MATLAB لتدريب SVM ؛ التنسيق هو
   SVM = fitcecoc (ميزات التدريب ، قيمة التدريب)
   حيث SVM هي آلة متجه الدعم التي سيتم تدريبها ، وميزات التدريب هي متجه ميزة التدرج الاتجاهي لمجموعة التدريب ، و Trainingeigenvalue هي القيمة المميزة لحالة الاهتزاز لمجموعة التدريب. القيم المميزة لحالة الاهتزاز للخرسانة غير المهتزة والخرسانة الاهتزازية وعينات الخرسانة المهتزة هي 1 و 2 و 3 على التوالي.
3. احفظ SVM المدرب باستخدام وظيفة حفظ بتنسيق .mat.

6. التحقق من دقة التعرف على SVM

1. باستخدام وظيفة التنبؤ في MATLAB ، أدخل متجه ميزة التدرج الاتجاهي لصورة عينة مجموعة الاختبار في SVM المدرب للحصول على القيمة المحسوبة لميزة حالة الاهتزاز لكل عينة اختبار. التنسيق كما يلي:
   testgroupcalculateseigenvalues = التنبؤ (SVM، testFeature)
   حيث testgroupcalculateseigenvalues هي القيمة المحسوبة لميزة حالة الاهتزاز ، و SVM هي آلة متجه الدعم المدربة في الخطوة 5. testFeature هو متجه معلم التدرج الاتجاهي لصورة عينة مجموعة الاختبار.
2. حدد نتائج التعرف على عينة مجموعة الاختبار عن طريق تغذية مجموعة الاختبار في SVM المدرب. احسب عدد العينات التي تتطابق نتائج التعرف على مجموعة الاختبار الخاصة بها مع الحالة الفعلية، ثم احسب دقة التعرف بقسمة عدد العينات الصحيحة على إجمالي عدد عينات مجموعة الاختبار.
   1. إذا كانت دقة التعرف على الاختبار أعلى من 94٪ ، فاعتبر التعرف على SVM فعالا. إذا كان أقل من 94٪ ، فارجع إلى الخطوة 1.1 واضبط عتبة التقسيم وحجم الكتلة n وعدد الفواصل الإحصائية للتدرج الاتجاهي m.

النتائج

يهدف هذا البروتوكول إلى تحليل كيفية تأثير معلمات الحساب ثلاثية المتجهات لميزة التدرج الاتجاهي على دقة SVM في تحديد حالة اهتزاز الخرسانة. تتضمن معلمات الحساب الأساسية لمتجه معلم التدرج الاتجاهي حجم الكتلة الإحصائية للتدرج الاتجاهي وعدد فترات الزاوية الإحصائية للتدرج الاتجاهي والعتبة الر...

Discussion

يستخدم هذا البحث آلة ناقل الدعم (SVM) لمعرفة ميزات الصورة لعينات حالة اهتزاز الخرسانة المختلفة. بناء على نتائج التعلم الآلي ، يتم اقتراح طريقة ملموسة للتعرف على حالة الاهتزاز بناء على التعرف على الصور. لتعزيز دقة التعرف ، من الأهمية بمكان التحكم في معلمات الخطوات الرئيسية الثلاث: تجزئة الصو...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
camera	SONY	A6000	The sensor size is 23.5x15.6mm, the maximum acquisition resolution is 1440 * 1080, and the effective pixel is 24.3 million.
concrete	Wuhan Construction Changxin Technology Development Co., Ltd.	C30 pumping concrete	According to the standard of ' concrete strength test and evaluation standard ' ( GB / T 50107-2010 ), the standard value of cubic compressive strength is 30 MPa pumping concrete.
Matlab	MathWorks	Matlab R2017a	MATLAB's programming interface provides development tools for improving code quality maintainability and maximizing performance. It provides tools for building applications using custom graphical interfaces. It provides tools for combining MATLAB-based algorithms with external applications and languages
Processor	Intel	12th Gen Intel(R) Core (TM) i7-12700H @ 2.30GHz	64-bit Win11 processor