基于无人机图像的桥梁钢梁缺陷自适应裁剪浅关注网络

IF 3.3 3区 工程技术 Q1 ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY Journal of Zhejiang University-SCIENCE A Pub Date : 2023-03-01 DOI:10.1631/jzus.A2200175
Zonghan Mu, Yong Qin, Chongchong Yu, Yunpeng Wu, Zhipeng Wang, Huaizhi Yang, Yonghui Huang
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In this paper, an adaptive cropping shallow attention network (ACSANet) is proposed, which includes an adaptive cropping strategy for large UAV images and a shallow attention network for small object detection in limited samples. To enhance the accuracy and generalization of the model, the shallow attention network model integrates a coordinate attention (CA) mechanism module and an alpha intersection over union ( α -IOU) loss function, and then carries out defect detection on the bolts, steel surfaces, and railings of railway bridges. The test results show that the ACSANet model outperforms the YOLOv5s model using adaptive cropping strategy in terms of the total mAP (an evaluation index) and missing bolt mAP by 5% and 30%, respectively. Also, compared with the YOLOv5s model that adopts the common cropping strategy, the total mAP and missing bolt mAP are improved by 10% and 60%, respectively. Compared with the YOLOv5s model without any cropping strategy, the total mAP and missing bolt mAP are improved by 40% and 67%, respectively. 目的 桥梁钢结构以及钢结构上的高强度螺栓长期受风雨侵蚀,常常会有锈蚀或缺失的情况发生,而人工巡检的效率低、危险性大且视觉盲区多。本文期望通过无人机拍摄,对铁路桥梁钢结构图像所包含的检测目标(螺母正常、螺栓正常、螺栓缺失、螺母缺失、钢表面锈蚀和钢栏杆锈蚀)进行识别和检测,以提高铁路桥梁巡检工作的精度和效率。 创新点 1. 提出了一种自适应图像裁剪方法,可根据图像的具体情况,自适应的调整图像的分割尺寸以及裁剪重叠区域面积,可以消除无人机拍摄距离以及焦距不固定带来的负面影响,并且提高小目标的检测效果;2. 基于铁路桥梁钢结构待检测对象的特征,提出了浅层注意力网络,使模型能够更加关注待检测对象的浅层特征,从而使锈蚀区域更易于检测;3. 将坐标注意力(CA)机制模块集成到浅层注意力网络模型当中,帮助网络在大范围的无人机拍摄场景下找到缺陷区域;4. 将阿尔法并交比(α-IOU)损失函数集成到浅层注意力网络模型当中,提高针对铁路桥梁钢结构小数据集的训练和测试精度。 方法 1. 提出自适应图像裁剪策略,对无人机大尺寸图像进行处理,得到更易于网络检测出缺陷目标的小图像;2. 通过对YOLO网络进行改进,得到更关注浅层特征的浅注意力网络,提高对锈蚀、缺失的检测精度;3. 集成CA注意力机制和α-IOU损失函数到浅注意力网络中,提高图像检测的精度。 结论 1. 在小数据集中,待检测目标与输入图像的比例对最终的检测结果有明显影响;在本研究使用的数据集中,图像与主目标比例在20׃1到80׃1之间时,以50׃1为界限,大于50׃1时,精度变化较大,但是训练时间基本不变,而小于50׃1时,精度基本不变,但是训练时间变化较大,因此在训练过程中,存在一个临界点,此时训练效率和测试结果最佳。2. 更深层的网络会干扰小目标、少样本且简单特征对象的检测精度;对比其他策略相同但网络结构不同的检测结果,ACSANet相较于ACNet+CA+α-IOU的螺栓缺失精度提高了近10%。3. 不同的注意力机制由于注意方向不同,并不一定会提高检测精度;合适的注意力机制以及损失函数可以对铁路桥梁钢结构无人机图像目标进行更好的检测,采用不合适的注意力机制会对检测产生负面效果。","PeriodicalId":17508,"journal":{"name":"Journal of Zhejiang University-SCIENCE A","volume":"71 1","pages":"243-256"},"PeriodicalIF":3.3000,"publicationDate":"2023-03-01","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"1","resultStr":"{\"title\":\"Adaptive cropping shallow attention network for defect detection of bridge girder steel using unmanned aerial vehicle images\",\"authors\":\"Zonghan Mu, Yong Qin, Chongchong Yu, Yunpeng Wu, Zhipeng Wang, Huaizhi Yang, Yonghui Huang\",\"doi\":\"10.1631/jzus.A2200175\",\"DOIUrl\":null,\"url\":null,\"abstract\":\"Bridges are an important part of railway infrastructure and need regular inspection and maintenance. 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摘要

桥梁是铁路基础设施的重要组成部分,需要定期检查和维护。利用无人机技术对铁路基础设施进行巡检是一个活跃的研究课题。然而,由于无人机图像尺寸大,飞行距离大,高度变化大,目标尺度变化剧烈。同时,铁路桥中螺栓、腐蚀等感兴趣的元素是小而密集的物体,样本数据集严重不平衡,对缺陷的准确检测提出了很大的挑战。本文提出了一种自适应裁剪浅注意网络(ACSANet),该网络包括一种针对大型无人机图像的自适应裁剪策略和一种针对有限样本的小目标检测的浅注意网络。为了提高模型的准确性和泛化性,该浅注意网络模型集成了坐标注意(CA)机制模块和α -IOU损失函数,对铁路桥梁螺栓、钢表面和栏杆进行缺陷检测。试验结果表明,ACSANet模型在总mAP(一项评价指标)和缺失螺栓mAP方面分别优于采用自适应种植策略的YOLOv5s模型5%和30%。与采用常规种植策略的YOLOv5s模型相比,总mAP和缺栓mAP分别提高了10%和60%。与没有种植策略的YOLOv5s模型相比,总mAP和缺栓mAP分别提高了40%和67%。目的 桥梁钢结构以及钢结构上的高强度螺栓长期受风雨侵蚀,常常会有锈蚀或缺失的情况发生,而人工巡检的效率低、危险性大且视觉盲区多。本文期望通过无人机拍摄,对铁路桥梁钢结构图像所包含的检测目标(螺母正常、螺栓正常、螺栓缺失、螺母缺失、钢表面锈蚀和钢栏杆锈蚀)进行识别和检测,以提高铁路桥梁巡检工作的精度和效率。 创新点 1. 提出了一种自适应图像裁剪方法,可根据图像的具体情况,自适应的调整图像的分割尺寸以及裁剪重叠区域面积,可以消除无人机拍摄距离以及焦距不固定带来的负面影响,并且提高小目标的检测效果;2. 基于铁路桥梁钢结构待检测对象的特征,提出了浅层注意力网络,使模型能够更加关注待检测对象的浅层特征,从而使锈蚀区域更易于检测;3. 将坐标注意力(CA)机制模块集成到浅层注意力网络模型当中,帮助网络在大范围的无人机拍摄场景下找到缺陷区域;4。将阿尔法并交比(α借据)损失函数集成到浅层注意力网络模型当中,提高针对铁路桥梁钢结构小数据集的训练和测试精度。方法 1. 提出自适应图像裁剪策略,对无人机大尺寸图像进行处理,得到更易于网络检测出缺陷目标的小图像;2. 2 .中文:2 .中文:2 .中文:2 .中文:1 .中文:2 .中文:1 .中文:1 .中文:1 .中文:1 .中文:中国科学院院士,中国科学院院士,中国科学院院士结论 1. 在小数据集中,待检测目标与输入图像的比例对最终的检测结果有明显影响;在本研究使用的数据集中,图像与主目标比例在20׃1到80׃1之间时,以50׃1为界限,大于50׃1时,精度变化较大,但是训练时间基本不变,而小于50׃1时,精度基本不变,但是训练时间变化较大,因此在训练过程中,存在一个临界点,此时训练效率和测试结果最佳。2。更深层的网络会干扰小目标,少样本且简单特征对象的检测精度;对比其他策略相同但网络结构不同的检测结果,ACSANet相较于ACNet + CA +α借据的螺栓缺失精度提高了近10%。3。不同的注意力机制由于注意方向不同,并不一定会提高检测精度;合适的注意力机制以及损失函数可以对铁路桥梁钢结构无人机图像目标进行更好的检测,采用不合适的注意力机制会对检测产生负面效果。
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Adaptive cropping shallow attention network for defect detection of bridge girder steel using unmanned aerial vehicle images
Bridges are an important part of railway infrastructure and need regular inspection and maintenance. Using unmanned aerial vehicle (UAV) technology to inspect railway infrastructure is an active research issue. However, due to the large size of UAV images, flight distance, and height changes, the object scale changes dramatically. At the same time, the elements of interest in railway bridges, such as bolts and corrosion, are small and dense objects, and the sample data set is seriously unbalanced, posing great challenges to the accurate detection of defects. In this paper, an adaptive cropping shallow attention network (ACSANet) is proposed, which includes an adaptive cropping strategy for large UAV images and a shallow attention network for small object detection in limited samples. To enhance the accuracy and generalization of the model, the shallow attention network model integrates a coordinate attention (CA) mechanism module and an alpha intersection over union ( α -IOU) loss function, and then carries out defect detection on the bolts, steel surfaces, and railings of railway bridges. The test results show that the ACSANet model outperforms the YOLOv5s model using adaptive cropping strategy in terms of the total mAP (an evaluation index) and missing bolt mAP by 5% and 30%, respectively. Also, compared with the YOLOv5s model that adopts the common cropping strategy, the total mAP and missing bolt mAP are improved by 10% and 60%, respectively. Compared with the YOLOv5s model without any cropping strategy, the total mAP and missing bolt mAP are improved by 40% and 67%, respectively. 目的 桥梁钢结构以及钢结构上的高强度螺栓长期受风雨侵蚀,常常会有锈蚀或缺失的情况发生,而人工巡检的效率低、危险性大且视觉盲区多。本文期望通过无人机拍摄,对铁路桥梁钢结构图像所包含的检测目标(螺母正常、螺栓正常、螺栓缺失、螺母缺失、钢表面锈蚀和钢栏杆锈蚀)进行识别和检测,以提高铁路桥梁巡检工作的精度和效率。 创新点 1. 提出了一种自适应图像裁剪方法,可根据图像的具体情况,自适应的调整图像的分割尺寸以及裁剪重叠区域面积,可以消除无人机拍摄距离以及焦距不固定带来的负面影响,并且提高小目标的检测效果;2. 基于铁路桥梁钢结构待检测对象的特征,提出了浅层注意力网络,使模型能够更加关注待检测对象的浅层特征,从而使锈蚀区域更易于检测;3. 将坐标注意力(CA)机制模块集成到浅层注意力网络模型当中,帮助网络在大范围的无人机拍摄场景下找到缺陷区域;4. 将阿尔法并交比(α-IOU)损失函数集成到浅层注意力网络模型当中,提高针对铁路桥梁钢结构小数据集的训练和测试精度。 方法 1. 提出自适应图像裁剪策略,对无人机大尺寸图像进行处理,得到更易于网络检测出缺陷目标的小图像;2. 通过对YOLO网络进行改进,得到更关注浅层特征的浅注意力网络,提高对锈蚀、缺失的检测精度;3. 集成CA注意力机制和α-IOU损失函数到浅注意力网络中,提高图像检测的精度。 结论 1. 在小数据集中,待检测目标与输入图像的比例对最终的检测结果有明显影响;在本研究使用的数据集中,图像与主目标比例在20׃1到80׃1之间时,以50׃1为界限,大于50׃1时,精度变化较大,但是训练时间基本不变,而小于50׃1时,精度基本不变,但是训练时间变化较大,因此在训练过程中,存在一个临界点,此时训练效率和测试结果最佳。2. 更深层的网络会干扰小目标、少样本且简单特征对象的检测精度;对比其他策略相同但网络结构不同的检测结果,ACSANet相较于ACNet+CA+α-IOU的螺栓缺失精度提高了近10%。3. 不同的注意力机制由于注意方向不同,并不一定会提高检测精度;合适的注意力机制以及损失函数可以对铁路桥梁钢结构无人机图像目标进行更好的检测,采用不合适的注意力机制会对检测产生负面效果。
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Journal of Zhejiang University-SCIENCE A
Journal of Zhejiang University-SCIENCE A 工程技术-工程:综合
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