数字射线检测焊接缺陷的模式识别算法

梁玮① LIANG Wei；陶亮② TAO Liang

（①济南工程职业技术学院，济南 250200；②山东建筑大学信息与电气工程学院，济南 250101）

（①Ji’nan Engineering Vocational Technical College，Ji’nan 250200，China；

②School of Information and Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji’nan 250101，China）

摘要： 为了准确提取与识别焊缝射线数字成像中焊接缺陷，本文提出了一种基于神经网络的模式识别算法。首先，分析了非线性模式分类的基本原理，通过人工神经网络实现对焊缝内存在的焊接缺陷进行分类；然后，采用缺陷的几何特征作为分类算法的输入数据，并应用神经网络关联标准理论评估鉴别能力，证明了特征提取的质量重要性优于数量；最后，将基于神经网络的主要非线性鉴别分量的识别算法应用于缺陷识别中，并通过大量实验分析与评价其分类性能。实验结果数据证明该算法在焊接缺陷模式识别方面具有较高的效率。

Abstract： In order to extract and recognize welding defects in digital X-ray images， this paper proposes a neural network based on pattern recognition algorithm. Firstly， the fundamental of the nonlinear pattern classification has been analyzed. By means of artificial neural network， the classification of welding defects in welding lines has been realized. Later on， the geometric feature of the welding defect has been adopted for input data. The identification ability was evaluated by neural network association standard theory. It proved that quality was more important than quantity. At last， the neural network based on principal discrimination components has been applied to defect identification and satisfying result has been achieved. The experimental result proved this necognition has high efficiency.

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关键词 ： 焊接缺陷；缺陷识别；关联标准；非线性模式；神经网络

Key words： weld defects；defect identification；correlates of standard；nonlinear pattern；neural networks

中图分类号：O434文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0115-05

基金项目：国家自然科学基金（61473176，51207083，61473172）；山东省优秀中青年科学家奖励基金（BS2013DX045）； 山东省高校科研发展计划项目（J13LG52）；山东建筑大学博士基金（XNBS1249）。

作者简介：梁玮（1980-），女，山东济南人，博士研究生，主要研究方向为数字射线无损检测及优化算法。

0 引言

数字射线检测较其他方法而言具有较高的图像精度。目前，在对焊接质量进行评价时，尚需采用传统方法，如检验员的目测。这种方法对经验要求较高，发生错误的概率也较高[1-2]。对于数字射线检测缺陷的分类，也有数字智能化的算法应用。其自动检测步骤大致如下：第一，胶片图像数字化或直接进行数字射线图像生成；第二，图像的预处理；第三，焊缝缺陷的识别和分类；最后，检验结果的获取与后处理。

本文使用线性分类算法将神经关联的标准用于研究各种缺陷特征，并证明了特征提取的质量重要性优于数量，以提高分类成功的概率。主要鉴别分量（PCD：Principal Components of Discrimination）算法在其它研究领域比较常用。采用此算法，通过神经网络执行，用于减少输入维数，并且对等级分离区的二维性进行可视化。

1 模式识别及分类算法

1.1 缺陷特征的提取

数字射线图像的噪声一般作为随机分散的像素出现，并且相邻像素值并没有耦合特征。低通滤波器一般用于降低噪声，采用直方图均衡或拉伸的算法对对比度进行优化。从而提高图像的对比度，更容易地检测到焊缝和缺陷[3-4]。

图像进行预处理之后，需要提取焊缝的形状和位置特征。文献[5]提取了10种特征，开发了自动焊缝射线照片检验系统。文献[6]提出采用10种焊接缺陷特征，将特征用于缺陷识别，需要比分类器图像像素处理更少的信息。但是需要非常大的输入空间，计算较为复杂。

本文算法采用四种特征形成系列非线性模式分类数据输入，如下：

①位置（P= h/H）：缺陷到焊缝中心的距离（h）之间与发生缺陷的焊缝厚度（H）之比。H用于求焊缝厚度变化的平均值，此类变化经常出现在焊缝射线照片中。

②长宽比（a=L/e）：小椭圆的长轴（L）与短轴（e）的比率，相当于此缺陷的面积。

③比例e/A：短轴（e）与缺陷面积（A）之比。

④浑圆度（p2/4πA）：缺陷的周长p的乘方与缺陷面积A的4π倍之比。

采用上述特征，形成用于神经网络（输入矢量）的输入数据集。

1.2 基于神经网络的非线性模式分类及关联标准

本文采用双层神经网络模型，分别为中间层和输出层。通过调整中间层神经元的数量，跟踪输出性能和误差，确定最佳神经元数量。得到的结果用神经元数量与误差分类性能图进行表示。在模式分类的一种网络中，输出层中的神经元数量对应进行研究的等级数量。在此情况下，输出包含四个神经元，考虑只有包含一种级别；若输出包含五个神经元，则考虑只有包含两种级别，并且将此夹渣等级分为两种等级：线性和非线性夹渣。所有神经元在一定范围内都是双曲正切型。输入矢量 是一个四维向量，在算法执行中，根据关联标准可降维为3、2或1。

本文采用文献[7]中所述关联标准得到的新结果。此标准基于对网络回复中的变化进行搜索，此时使用的特征用其平均值进行代替。网络回复之间的差异越大，特征的关联就越大[7-9]。将此标准用于评价原来采用的六种特征，由于分类器为线性的，并且只通过双曲正切型神经元执行。采用方程式对关联的标准进行计算如式（1）所示。

1.3 非线性分类的主要分量分析

主要分量分析（PCA：Principal Components Analysis）是一系列多变量数据的有效精简技术之一。它将多维数据通过线性映射在低维中的一种技术，从而减少信息的损失。但是，由于它是一种线性映射方法，故并不适用于非线性的工程问题中。因此，需要借助于主要非线性分量的分析[10-12]。形成主要分量的方法之一就是采用人工神经网络，可以用于减少表示分量。本文借助主要分量用于非线性鉴别，通过神经网络执行，并且已通过误差反向传播算法进行开发，步骤如下：

非线性鉴别的第一个分量由在误差反向传播中训练三层网络中得到。第一层只包括一种线性神经元，并且其余层为双曲正切型神经元，如图2所示。

II类：两种分量也可以通过同时训练得到，也就是说，这两种分量在网络训练期间在它们之间进行合作。通过类似方式可以对3，4或m分量进行相同程序。在此情况下，形成输入空间减少和优化的基础，用于分类。

在有多维度的数据中，很难显示等级分离问题的规模。但是，通过采用两种主要非线性鉴别分量，可以对模式等级进行较好的区分。在此方式中，借助独立起作用的两种，查看一起处理的四种和五种等级的分离图。这些分量通过图2中的神经网络得到，并且采用反向传播误差、瞬时和可变的学习速率进行训练。

将分量p1用作非线性分类器输入矢量，以便用于评价性能，同时也可以采用通过合作行动的两类训练得到的（p1+p2）独立值以及两个分量。

2 实验结果和讨论

2.1 非线性模式分类

为了找到用于非线性分类器中间层的最佳神经元数量，采用在此层中逐渐增加神经元数量的经验标准，然后对分类误差和性能进行观测。同时考虑将夹杂等级分为线性夹杂和非线性夹杂（总共五种等级）如图3（a）所示，若将夹杂只作这一种等级（总共四种等级）如图3（b）所示。注意在第一种情况中，有五种等级，分类器到达最高性能（99.2%）和最小误差，其训练数据针对中间层中的17/18种神经元。对于四种等级，通过10种神经元达到最佳性能（100.0%）。

结果表明，只有一件样品没有明确分类。因此，所有等级的成功概率都大约为100.0%。咬边等级得到的分布实例如图4所示。

2.2 非线性关联标准

根据上述结果，采用这些特征对输入的不同组合进行试验。图5为针对这些特征组合得到的各种结果。通过输入矢量a-e/A-P得到的这些结果，不考虑特征R，在两种情况下（四种和五种等级）都等于通过四种特征得到的结果，从而说明输入矢量的维度仍然可以减少为3维，而不会影响分类器的性能。也对只采用两种特征的可能性进行研究，如图5所示，虽然与使用四种或三种特征相比，性能降低，但是使用非线性分类器时，此分类中的成功率仍然高于90%。

2.3 非线性鉴别的主要分量

图6为独立起作用的两种主要非线性鉴别分量的两个二维图。图6（a）为四种等级的分离，说明咬边和未焊透等级出现在良好定义的区域，因此很容易通过非线性分离器进行分离。气孔和夹渣等级在图中出现混乱区域，并且夹渣的有些观测值位于气孔区域中。这在以前采用线性分类器时已检测到，因为误差分类为这些等级的参考数据。在图6（b）中可以注意到有五种等级，非线性夹渣、线性夹渣与气孔之间的混乱更大，但是这很容易解释，因为夹渣的两种等级之间的区分比较复杂，这是由于其特征类似[13-16]。

图7中的图表表示只采用第一种分量p1作为分类器的输入矢量时得到的性能结果，同时（p1+p2）为独立的分量（二维矢量），并且（p1+p2）为合作的分量（用于两种类型）。

结果表面只采用第一种分量时，有四种等级的训练数据的成功率达到92.0%，在逻辑上有五种等级的更复杂情况的成功率更低（66.4%）。采用两种分量时，成功率非常接近采用三种或四种特征时达到的成功率。这还确定使用的分量类型之间的性能没有显著差。这些结果证明了主要分量减少原始数据维度的效率，并且保持分类成功的较高能力。对于进行研究的这种情况，没有对将规模从三维或四维降低为二维进行判定。但是，这些结果将推动通过更大规模的系统进行类似研究。

3 结论

本文采用二层神经网络及主要分量分析法对数字射线图像中的焊接缺陷进行分类，实验结果表明，无论是四种还是五种等级（夹渣是否分为线性和非线性），均取得了较高的分类效率，算法适用性较好，不依赖于大量经验数据，具有较好的应用前景。

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