基于YOLOv3的日用陶瓷產(chǎn)品缺陷檢測算法研究

摘 要：為解決日用陶瓷產(chǎn)品缺陷檢測難題，本文以陶瓷盤為研究對象，基于YOLOv3目標(biāo)檢測算法實(shí)現(xiàn)對陶瓷盤表面裂紋、破損、落渣、斑點(diǎn)這四種缺陷進(jìn)行檢測和識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型在陶瓷盤表面缺陷識別上的平均精確率為89.2%，展示了該方法的有效性和潛在的工業(yè)應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：YOLOv3;日用陶瓷;檢測;目標(biāo)檢測

1 引 言

陶瓷盤表面缺陷檢測難題一直是陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。陶瓷盤作為日常用品，其表面質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的美觀度、耐用性和安全性。然而，在生產(chǎn)過程中，由于原料、工藝、設(shè)備等多種因素的影響，陶瓷盤表面容易出現(xiàn)各種缺陷，如裂紋、破損、落渣、斑點(diǎn)等。這些缺陷不僅影響產(chǎn)品的外觀，還減少了陶瓷產(chǎn)品的使用壽命[1]。

傳統(tǒng)的陶瓷盤表面缺陷檢測方法主要依賴于人工目視檢查，這種方法存在諸多不足。首先，人工檢測容易受到人為因素的影響，如疲勞、注意力分散等，導(dǎo)致檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性難以保證[2]。其次，人工檢測效率低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)線的快速檢測需求。此外，對于一些微小或隱蔽的缺陷，人工檢測往往難以發(fā)現(xiàn)，從而增加了產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決這些難題，近年來，基于計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)的自動缺陷檢測方法逐漸成為研究熱點(diǎn)[3]。這些方法通過訓(xùn)練模型來學(xué)習(xí)和識別陶瓷盤表面的缺陷特征，從而實(shí)現(xiàn)對缺陷的自動檢測和分類[4]。與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比，自動檢測方法具有更高的準(zhǔn)確性、一致性和效率。

為了進(jìn)一步提高日用陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量檢測效率和準(zhǔn)確性，本研究選擇了陶瓷盤作為主要研究對象，采用了YOLOv3目標(biāo)檢測算法。YOLOv3算法以其高效的檢測速度和較高的準(zhǔn)確率，在目標(biāo)檢測領(lǐng)域尤其是實(shí)時檢測領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[5]。本研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對陶瓷盤上常見的四種缺陷：表面裂紋、破損、落渣和斑點(diǎn)的自動化識別和檢測。考慮到環(huán)境光照影響，將高光也當(dāng)作一類目標(biāo)，進(jìn)行檢測和識別。

通過對大量含有上述缺陷的陶瓷盤圖片進(jìn)行了收集和標(biāo)注，建立了一個包含多樣化樣本的數(shù)據(jù)集，以訓(xùn)練和驗(yàn)證YOLOv3模型的性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用YOLOv3模型對陶瓷盤表面缺陷進(jìn)行識別，平均精確率高達(dá)89.2%具有一定的推廣意義。在實(shí)際應(yīng)用中，只需將待檢測的陶瓷盤圖像輸入到訓(xùn)練好的模型中，模型即可自動檢測出圖像中的裂紋、破損、落渣和斑點(diǎn)等缺陷，并給出相應(yīng)的位置和類別信息。這些信息可以幫助生產(chǎn)人員及時發(fā)現(xiàn)和處理缺陷產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。綜上所述，基于YOLOv3目標(biāo)檢測算法的陶瓷盤缺陷檢測方法具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價值，可以為陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的自動化和智能化升級提供有力支持。

2 YOLOv3簡介

YOLOv3采用了一種名為Darknet-53的深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這個名字來源于網(wǎng)絡(luò)的53個卷積層。Darknet-53融合了殘差連接（Residual Connections），增強(qiáng)了特征的傳遞，使得網(wǎng)絡(luò)即使在很深的情況下也能有效地學(xué)習(xí)[6]。殘差塊有助于緩解深層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的梯度消失問題，從而提高了模型的訓(xùn)練效率和性能[7]。YOLOv3的一個顯著特點(diǎn)是其能夠在三個不同尺度上進(jìn)行預(yù)測。這通過在網(wǎng)絡(luò)的不同層次上添加預(yù)測分支來實(shí)現(xiàn)。具體來說，它在網(wǎng)絡(luò)的最后一層以及兩個上采樣（upsample）之后的層上進(jìn)行預(yù)測，這允許模型利用不同層次的特征圖對小到大的對象進(jìn)行檢測[8]。每個尺度都使用了特定大小的特征圖，對應(yīng)于不同的錨點(diǎn)框尺寸，以便更精確地預(yù)測各種大小的邊界框。YOLOv3利用錨點(diǎn)框（anchor boxes）來預(yù)測邊界框，通過聚類分析先前數(shù)據(jù)集中的邊界框來確定錨點(diǎn)框的維度，從而更好地適配不同形狀和尺寸的對象[9]。每個格點(diǎn)（grid cell）都會預(yù)測多個邊界框，每個邊界框有自己的置信度和類別概率。置信度反映了邊界框內(nèi)是否存在對象以及邊界框的準(zhǔn)確性，而類別概率表示邊界框內(nèi)對象屬于某個特定類別的概率。YOLOv3的損失函數(shù)是為了同時優(yōu)化分類誤差、定位誤差（邊界框坐標(biāo)）以及置信度誤差。分類誤差通過二元交叉熵計(jì)算，針對每個類別獨(dú)立預(yù)測。定位誤差采用均方誤差，但只對包含目標(biāo)的邊界框計(jì)算。置信度誤差也采用均方誤差，用于評估邊界框內(nèi)是否存在對象以及預(yù)測的邊界框與實(shí)際邊界框之間的匹配程度[10]。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows 10操作系統(tǒng)，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)配置如表1所示。

圖1所示為采集5種類別目標(biāo)圖像，分別是：斑點(diǎn)、高光、裂紋、破損、落渣，總共人工標(biāo)注2404張照片，將數(shù)據(jù)集85%劃分為訓(xùn)練集，10%作為驗(yàn)證集，剩余5%則為測試集，數(shù)據(jù)集具體分布如表2所示。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

YOLOv3模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示，F(xiàn)1分?jǐn)?shù)為86%，平均識別精確率高達(dá)89.2%，其中裂紋識別精確率高達(dá)94.2%，破損識別精確率為81.7%，落渣識別精確率為81.7%，斑點(diǎn)識別精確率為94.9，高光識別精確率為93.6%。YOLOv3模型檢測結(jié)果如圖3所示。

4總結(jié)

針對日用陶瓷產(chǎn)品缺陷檢測問題，以陶瓷盤為研究對象，使用YOLOv3目標(biāo)檢測算法對相關(guān)缺陷進(jìn)行檢測和識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型在陶瓷盤表面缺陷識別上的平均精確率為89.2%，展示了該方法的有效性和潛在的工業(yè)應(yīng)用價值。其中，裂紋識別精確率為94.2%，破損為81.7%，落渣同樣為81.7%，斑點(diǎn)達(dá)到了94.9%，而對高光的識別準(zhǔn)確率也高達(dá)93.6%。此外，模型的F1分?jǐn)?shù)為86%，進(jìn)一步證明了其可靠性。本研究使用的YOLOv3目標(biāo)檢測算法不僅可以檢測陶瓷盤產(chǎn)品，還可以推廣到其他陶瓷產(chǎn)品表面缺陷檢測，為陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的自動化和智能化升級提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]郭蔓影.基于機(jī)器視覺的日用瓷產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門大學(xué)，2017.

[2]朱永紅，王偉，熊朦.基于多智能體技術(shù)日用陶瓷質(zhì)量等級分類方法研究[J].中國陶瓷，2017，53（01）：55-62.DOI：10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2017.01.011.

[3]熊朦.基于多智能體技術(shù)的日用瓷檢測分類方法研究[D].景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，2016.DOI：10.27191/d.cnki.gjdtc.2016.000026.

[4]謝森林，曾輝，董曉慶.基于機(jī)器視覺的日用瓷表面缺陷檢測[J].韓山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，35（06）：43-48.

[5]李澤輝，陳新度，黃佳生，等.基于改進(jìn)YOLOv3的紋理瓷磚缺陷檢測[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2022，59（10）：294-302.

[6]周云浩，郭達(dá)奇，周鑫，等.基于YOLOv3的輸電工程智能檢測與分析技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2024，32（05）：66-69+74.DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2024.05.013.

[7]吳方權(quán)，李文虎，張磊，等.基于YOLOv3和ROS系統(tǒng)的無人機(jī)距離檢測[J].科技與創(chuàng)新，2024，（05）：20-23.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2024.05.005.

[8]周云浩，郭達(dá)奇，周鑫，等.基于YOLOv3的輸電工程智能檢測與分析技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2024，32（05）：66-69+74.DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2024.05.013.

[9]吳方權(quán)，李文虎，張磊，等.基于YOLOv3和ROS系統(tǒng)的無人機(jī)距離檢測[J].科技與創(chuàng)新，2024，（05）：20-23.DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2024.05.005.

[10]許霞，吳陳，楊英豪.基于Yolov3的人臉檢測算法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2023，51（12）：2984-2990.