Czym jest wykrywanie pęknięć oparte na AI?

Wykrywanie pęknięć oparte na AI to metoda wizji komputerowej, która znajduje pęknięcia na zdjęciach nawierzchni, korzystając z modelu wytrenowanego na oznaczonych przykładach.

Jak to działa

Ludzie zaznaczają piksele pęknięć w zestawie zdjęć treningowych. Wynikiem jest maska dla każdego zdjęcia. Model uczy się na tych parach. Następnie zaznacza piksele pęknięć na nowych zdjęciach. Model, który daje maskę pikselową, wykonuje segmentację pęknięć. Prostsza metoda rysuje prostokąt wokół uszkodzenia, tak jak robi to zbiór GAPs.

Starsze metody używały progu jasności. Próg działa na czystym tle, bo piksele pęknięć wyraźnie różnią się od tła na histogramie jasności. Przy zaszumionym tle oznacza wiele pikseli błędnie, ponieważ tekstury niebędące pęknięciami mają podobny kontrast. Nierównomierne oświetlenie dodaje kolejne zakłócenia.

Rodziny modeli

Większość modeli pęknięć to sieci segmentujące.

• U-Net ma ścieżkę zwężającą, która chwyta kontekst, i symetryczną ścieżkę rozszerzającą, która lokalizuje. Powstał dla obrazów biomedycznych i trenuje się go na niewielkiej liczbie zdjęć.
• DeepLabv3+ dodaje dekoder do sieci DeepLabv3, aby wyostrzyć granice obiektów.
• Sieci specjalizowane do pęknięć, takie jak sieć piramidy cech i hierarchicznego boostingu (FPHBN), są zbudowane dla pęknięć nawierzchni. FPHBN dodaje kontekst do cech niskiego poziomu i daje większą wagę trudnym próbkom w funkcji straty treningu.

Artykuły opisujące U-Net i DeepLabv3+ nie testują ich na nawierzchniach. Oceniaj model po wyniku na zdjęciach nawierzchni.

Dane treningowe

Model jest tak dobry, jak jego oznaczone zdjęcia. Te publiczne zbiory są częste w badaniach nad pęknięciami.

Badacze często trenują na jednym zbiorze i testują na innym, aby sprawdzić, czy model się uogólnia. Autorzy FPHBN trenowali na CRACK500, a testowali na GAPs384. Sprawdzone źródła nie mówią, że którykolwiek z tych zbiorów zawiera nawierzchnię lotniskową.

Etykiety mają takie samo znaczenie jak zdjęcia. Autorzy jednego badania z UAV stwierdzili, że etykiety referencyjne silnie wpływają na wynik.

Jak ocenia się wynik

Model ocenia się względem maski oznaczonej przez człowieka.

• Precyzja to udział przewidzianych pikseli pęknięć, które są poprawne.
• Czułość (recall) to udział prawdziwych pikseli pęknięć, które model znalazł.
• Miara F łączy precyzję i czułość.
• Przecięcie nad sumą (IoU) mierzy nakładanie się przewidywanej i prawdziwej maski. FPHBN używa średniego IoU po progach, który pokazuje też, czy szerokość jest dobrze oszacowana.

Wynik na publicznym zbiorze mówi niewiele o wyniku na twojej nawierzchni. Poproś o zdjęcia testowe, liczbę zdjęć i rozmiar piksela.

Od maski do długości i szerokości

Maska pokazuje, gdzie jest pęknięcie. Ocena nawierzchni wymaga jego długości i szerokości, więc drugi krok je mierzy. Jeden opublikowany potok drogowy zwęża każde pęknięcie do linii środkowej (szkieletu). Jako średnią szerokość przyjmuje liczbę pikseli pęknięcia podzieloną przez liczbę pikseli szkieletu. Kamera skalibrowana na 1 mm na piksel zamienia piksele na milimetry.

Rozmiar piksela na ziemi decyduje o tym, jakie szerokości metoda może rozróżnić. ASPRS nazywa to odległością próbkowania terenu (GSD, ground sample distance). PAVER ustala stopień nasilenia niewypełnionego pęknięcia przy średniej szerokości 1/4 cala (6 mm). Piksel musi być wyraźnie mniejszy od tej szerokości, bo inaczej nie da się odróżnić niskiego stopnia od średniego. Jak mierzy się szerokość pęknięcia na nawierzchni, opisuje wpis słownika o szerokości pęknięcia.

Co wynik na lotnisku musi zawierać

Nawierzchnia lotniskowa jest oceniana według rodzaju, stopnia nasilenia i ilości każdego uszkodzenia. Podręczniki PAVER definiują uszkodzenia dla ASTM D5340.

• Pęknięcia podłużne i poprzeczne w asfalcie (48) mierzy się w metrach bieżących (stopach bieżących). Stopień nasilenia zależy od łuszczenia i od tego, czy pęknięcie jest wypełnione, oraz od tego, czy jego średnia szerokość jest większa, czy mniejsza niż 1/4 cala (6 mm). Każdy stopień nasilenia rejestruje się osobno.
• Spękania krokodylowe (41) mierzy się powierzchniowo w stopach kwadratowych (metrach kwadratowych).
• Nawierzchnia betonowa ma własne uszkodzenia pęknięciowe, na przykład pęknięcia (63), pękanie trwałościowe (64) i pęknięcia skurczowe (73).

Wynik, który mówi tylko „tu jest pęknięcie”, nie wystarcza więc do badania PCI. Musi podawać rodzaj pęknięcia, długość i stopień nasilenia. Podręczniki wymieniają też uszkodzenia, które nie są pęknięciami, na przykład koleiny (53), raveling (52), wietrzenie (57) i łatanie (50). Detektor pęknięć ich nie widzi. Badanie PCI też ich potrzebuje.

FAA AC 150/5380-6C wymienia przyczyny pęknięć w nawierzchniach elastycznych. Są to ugięcie nad niestabilnym podłożem, skurcz, rozszerzanie i kurczenie się pod wpływem temperatury, źle wykonane połączenia pasów i pęknięcia odbite.

Ograniczenia

• Wykryte pęknięcie może być szersze niż rzeczywiste. W badaniu z UAV sieć bazowa (Cracknet-V) oznaczała jako pęknięcie piksele leżące obok pęknięcia.
• Po etapie progowania mogą pozostać rozproszone szumy.
• Etykiety treningowe silnie wpływają na wynik.
• Opublikowany potok drogowy ocenił tylko cztery rodzaje uszkodzeń, na małych zbiorach oceny.
• FAA podaje, że sama kontrola wzrokowa nie pokazuje stanu konstrukcyjnego nawierzchni.

Gdzie to pasuje

W USA 14 CFR 139.305 wymaga, aby nawierzchnia była wolna od pęknięć, które mogłyby zakłócić kontrolę kierunku statków powietrznych przewoźników lotniczych. Dotyczy to też pęknięć, które wytwarzają luźne kruszywo. Przepis dotyczy skutku pęknięcia, a nie sposobu jego wykrywania. Mówi, że okólniki doradcze FAA podają dopuszczalne metody.

Wytyczne EASA dotyczące kontroli powierzchni utwardzonych zalecają szukanie spękań i łuszczenia. FAA AC 150/5380-7B wymaga danych o stanie nawierzchni, które są obiektywne, systematyczne i powtarzalne. Pozwala też, aby badanie PCI wydłużyło szczegółowy przedział kontroli do trzech lat. Żaden z tych dokumentów nie wskazuje analizy obrazu jako sposobu spełnienia tych wymagań.

TarmacView planuje dziś loty badawcze nad nawierzchniami i wykonuje zdjęcia. Wykrywanie pęknięć oraz ocena według ASTM D5340 są w przygotowaniu i oferowane jako wczesny dostęp.