Reconhecimento de Imagem e Análise de Parametrização do Estado de Vibração do Concreto Baseado em Máquina de Vetor de Suporte

Summary

O protocolo descrito neste trabalho utiliza a técnica de histograma de gradiente direcional para extrair as características de amostras de imagens de concreto sob vários estados de vibração. Ele emprega uma máquina de vetor de suporte para aprendizado de máquina, resultando em um método de reconhecimento de imagem com requisitos mínimos de amostra de treinamento e baixas demandas de desempenho do computador.

Abstract

Neste trabalho, a tecnologia de histograma de gradiente direcional é empregada para extrair as características de amostras de imagens concretas capturadas sob diferentes estados de vibração. A máquina de vetor de suporte (SVM) é utilizada para aprender a relação entre as características da imagem e o estado de vibração. Os resultados do aprendizado de máquina são posteriormente usados para avaliar a viabilidade do estado de vibração do concreto. Simultaneamente, analisa-se o mecanismo de influência dos parâmetros de cálculo do histograma de gradiente direcional sobre a acurácia do reconhecimento. Os resultados demonstram a viabilidade do uso da tecnologia de histograma de gradiente direcional-SVM para identificar o estado vibratório do concreto. A precisão do reconhecimento inicialmente aumenta e depois diminui à medida que o tamanho do bloco do gradiente direcional ou o número de intervalos estatísticos aumenta. A acurácia do reconhecimento também diminui linearmente com o aumento do limiar de binarização. Usando imagens de amostra com uma resolução de 1024 pixels x 1024 pixels e otimizando os parâmetros de extração de recursos, uma precisão de reconhecimento de 100% pode ser alcançada.

Introduction

O concreto é um material de construção fundamental amplamente utilizado na indústria da construção. Durante o bombeamento, o concreto frequentemente desenvolve vazios que requerem compactação por vibração. Vibrações inadequadas podem resultar em uma superfície de concreto em favo de mel, enquanto vibrações excessivas podem levar à segregação do concreto ^1,2. A qualidade da operação vibratória impacta significativamente na resistência 3,4,5,6 e durabilidade das estruturas de concreto formado ^7,8. Cai et ^al.9,10 realizaram um estudo que combinou pesquisa experimental com análise numérica para investigar a influência do mecanismo de vibração no recalque de agregados e na durabilidade do concreto. Os resultados revelaram que o tempo de vibração e as partículas de agregado exercem um impacto substancial no assentamento de agregados, enquanto a densidade de agregados e a viscosidade plástica do material à base de cimento têm efeitos mínimos. A vibração provoca a deposição de agregados no fundo dos corpos de prova de concreto. Além disso, à medida que o tempo de vibração aumenta, a concentração do íon cloreto diminui no fundo dos corpos de prova de concreto enquanto aumenta significativamente no topo ^9,10.

Atualmente, a avaliação do estado vibratório do concreto baseia-se predominantemente no julgamento manual. À medida que a indústria da construção continua a progredir por meio de reformas inteligentes, as operações com robôs emergiram como a direção futura^11,12. Consequentemente, um desafio crucial em operações de vibração inteligente é como permitir que os robôs identifiquem o estado de vibração do concreto.

O histograma do gradiente orientado é uma técnica que utiliza o gradiente de intensidade de pixels ou a distribuição das direções das bordas como descritor para caracterizar a representação e a forma dos objetos em imagens ^13,14. Esta abordagem opera nas células da grade local da imagem, proporcionando estabilidade robusta na caracterização de mudanças de imagem sob diversas condições geométricas e ópticas.

Zhou et ^al.15 propuseram um método para extrair diretamente características do gradiente direcional de imagens no modo Bayer. Essa abordagem omite várias etapas no cálculo do gradiente direcional combinando a coluna do filtro de cores com o operador de gradiente, reduzindo significativamente os requisitos computacionais para o reconhecimento de imagem de gradiente direcional. He et ^al.16 utilizaram o histograma de gradiente direcional como característica subjacente e empregaram o algoritmo de agrupamento médio para classificar os fixadores de trilho e determinar se os fixadores estão defeituosos. Os resultados de reconhecimento indicaram que o histograma da característica de gradiente orientado exibiu alta sensibilidade a defeitos de fixação, atendendo às necessidades de manutenção e reparo ferroviário. Em outro estudo, Xu et ^al.17 pré-processaram características de imagens faciais usando filtragem de wavelets de Gabor e reduziram a dimensão de vetores de feição por meio de codificação binária e do algoritmo HOG. A precisão média de reconhecimento do método é de 92,5%.

A máquina de vetores de suporte (SVM)¹⁸ é usada para mapear o vetor em um espaço de alta dimensão e estabelece um hiperplano de separação com uma direção adequada para maximizar a distância entre dois hiperplanos paralelos. Isso permite a classificação dos vetores de suporte¹⁹. Estudiosos têm aprimorado e otimizado essa tecnologia de classificação, levando à sua aplicação em vários campos, como reconhecimento de^imagens20,21, classificação de^textos22, predição de^{confiabilidade23} e diagnóstico de^falhas24.

Li et ^al.25 desenvolveram um modelo SVM de dois estágios para reconhecimento de padrões de falha sísmica, com foco em três modos de falha sísmica. Os resultados da análise indicam que o método SVM proposto em dois estágios pode atingir mais de 90% de precisão para os três modos de falha. Yang et ^al.26 integraram um algoritmo de otimização com o SVM para simular a relação entre os cinco parâmetros ultrassônicos e a tensão do concreto carregado. O desempenho de um SVM não otimizado é insatisfatório, particularmente no estágio de baixo estresse. No entanto, atravessar o modelo otimizado pelo algoritmo produz melhores resultados, embora com longos tempos de computação. Em comparação, o SVM otimizado para otimização de enxame de partículas reduz significativamente o tempo de cálculo, ao mesmo tempo em que fornece resultados ideais de simulação. Yan et ^al.27 empregaram a tecnologia SVM e introduziram uma função de perda insensível à precisão para predizer o módulo de elasticidade do concreto de alta resistência, comparando sua precisão de predição com o modelo de regressão tradicional e o modelo de redes neurais. Os resultados da pesquisa demonstram que a tecnologia SVM produz um erro de predição menor para o módulo de elasticidade em comparação com outros métodos.

Este trabalho coleta amostras de imagens de concreto sob vários estados de vibração e descreve os diferentes estados do concreto usando a técnica de histograma de gradiente direcional. O gradiente direcional é empregado como vetor de feição para o treinamento do SVM, e o estudo se concentra na viabilidade do uso da tecnologia de histograma de gradiente direcional – SVM para identificar o estado vibratório do concreto. Adicionalmente, o artigo analisa o mecanismo de influência entre três parâmetros-chave – limiar de binarização, tamanho estatístico do gradiente direcional do bloco e número do intervalo estatístico do gradiente direcional – no processo de extração de características do histograma do gradiente direcional e a precisão do reconhecimento do SVM.

Protocol

1. Aquisição de imagens de amostras concretas Transporte de concreto até o local de trabalho, onde será despejado pelo caminhão bomba. Para capturar imagens, ligue o equipamento de disparo movendo o interruptor da tecla de energia para a direita e girando-o para a posição ON . Ajuste o botão do modo da câmera para o modo automático verde, garantindo que a lente da câmera esteja paralela à superfície de concreto, e pressione a tecla do obturador</s…

Representative Results

Este protocolo tem como objetivo analisar como os parâmetros de cálculo de três vetores da característica gradiente direcional afetam a acurácia da MVS na identificação do estado vibratório do concreto. Os parâmetros de cálculo primários do vetor de feição de gradiente direcional incluem o tamanho do bloco estatístico de gradiente direcional, o número de intervalos de ângulo estatístico de gradiente direcional e o limiar de cinza binário. Esta seção usa três parâmetros de cálculo principais como va…

Discussion

Este trabalho utiliza a máquina de vetor de suporte (SVM) para aprender as características de imagem de várias amostras de estado vibratório de concreto. Com base nos resultados do aprendizado de máquina, um método concreto de reconhecimento do estado de vibração baseado no reconhecimento de imagens é proposto. Para aumentar a precisão do reconhecimento, é crucial controlar os parâmetros das três etapas principais: segmentação da imagem, binarização da imagem e extração do autovalor do gradiente direci…

Materials

camera	SONY	A6000	The sensor size is 23.5×15.6mm, 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