本文所述方案利用方向梯度直方图技术,提取不同振动状态下混凝土图像样本的特征。该方法采用支持向量机进行机器学习,从而实现一种对训练样本需求少、计算机性能要求低的图像识别方法。
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本文所述方案利用方向梯度直方图技术,提取不同振动状态下混凝土图像样本的特征。该方法采用支持向量机进行机器学习,从而实现一种对训练样本需求少、计算机性能要求低的图像识别方法。
本文采用方向梯度直方图技术提取在不同振动状态下拍摄的混凝土图像样本的特征,利用支持向量机(SVM)学习图像特征与振动状态之间的关系,并基于机器学习结果评估混凝土振动状态识别的可行性。同时,分析了方向梯度直方图计算参数对识别精度的影响机制。结果表明,采用方向梯度直方图-SVM技术识别混凝土振动状态是可行的。随着方向梯度的分块尺寸或统计区间数量的增加,识别精度先升高后降低;随着二值化阈值的增加,识别精度呈线性下降趋势。通过使用分辨率为1024像素 × 1024像素的样本图像并优化特征提取参数,可实现100%的识别精度。
混凝土是建筑行业中广泛使用的一种基础建筑材料。在泵送过程中,混凝土常会产生空隙,需要通过振动进行密实。振动不足可能导致混凝土表面出现蜂窝状结构,而过度振动则可能引起混凝土离析1,2。振捣操作的质量对成型混凝土结构的强度3,4,5,6和耐久性7,8具有显著影响。Cai 等人9,10开展了一项结合实验研究与数值分析的工作,以探究振动对骨料沉降及混凝土耐久性的影响机制。研究结果表明,振动时间与骨料颗粒对骨料沉降具有显著影响,而骨料密度和水泥基材料的塑性黏度影响较小。振动会导致骨料在混凝土试件底部沉积;此外,随着振动时间的增加,混凝土试件底部的氯离子浓度降低,而顶部的氯离子浓度则显著升高9,10。
目前,混凝土振捣状态的评估主要依赖人工判断。随着建筑行业通过智能化改革不断进步,机器人作业已成为未来发展方向11,12。因此,智能振捣作业中的一个关键挑战是如何使机器人能够识别混凝土的振捣状态。
方向梯度直方图是一种利用像素的强度梯度或边缘方向分布作为描述符,以表征图像中物体表示和形状的技术13,14。该方法在图像的局部网格单元上进行操作,能够在各种几何和光学条件下稳定地表征图像变化。
Zhou 等人15提出了一种直接从 Bayer 模式图像中提取方向梯度特征的方法。该方法通过将彩色滤波阵列的列与梯度算子相匹配,省略了计算方向梯度时的多个步骤,从而显著降低了方向梯度图像识别的计算需求。He 等人16以方向梯度直方图为底层特征,采用均值聚类算法对轨枕扣件进行分类,并判断扣件是否存在缺陷。识别结果表明,方向梯度特征直方图对扣件缺陷具有高敏感性,能够满足铁路养护维修的需求。在另一项研究中,Xu 等人17利用 Gabor 小波滤波对人脸图像特征进行预处理,并通过二值编码和 HOG 算法降低特征向量的维度。该方法的平均识别准确率达到 92.5%。
支持向量机(SVM)18 用于将向量映射到高维空间,并建立一个具有合适方向的分离超平面,以最大化两个平行超平面之间的距离。这使得支持向量的分类成为可能19。学者们对该分类技术进行了改进和优化,促使其在图像识别20,21、文本分类22、可靠性预测23以及故障诊断24等多个领域得到应用。
Li 等人25开发了一种用于地震破坏模式识别的两阶段支持向量机(SVM)模型,重点关注三种地震破坏模式。分析结果表明,所提出的两阶段SVM方法在三种破坏模式上的识别准确率可超过90%。Yang 等人26将优化算法与SVM相结合,以模拟五个超声参数与受载混凝土应力之间的关系。未优化的SVM性能不理想,特别是在低应力阶段。然而,通过算法优化模型后可获得更优结果,但计算耗时较长。相比之下,采用粒子群优化算法优化的SVM在显著减少计算时间的同时,实现了最优的模拟效果。Yan 等人27应用SVM技术并引入一种对精度不敏感的损失函数,用于预测高强混凝土的弹性模量,并将其预测精度与传统回归模型和神经网络模型进行比较。研究结果表明,与其他方法相比,SVM技术在弹性模量预测中具有更小的预测误差。
本文采集了混凝土在不同振动状态下的图像样本,并利用方向梯度直方图技术描述混凝土的不同状态。将方向梯度作为特征向量用于训练支持向量机(SVM),研究重点在于探讨使用方向梯度直方图-SVM技术识别混凝土振动状态的可行性。此外,本文还分析了在方向梯度直方图特征提取过程中,三个关键参数——二值化阈值、方向梯度统计块大小和方向梯度统计区间数量——对SVM识别精度的影响机制。
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1. 混凝土样品图像采集
2. 样本图像灰度二值化
3. 方向梯度特征值的计算

4. 构建方向梯度特征向量
5. 支持向量机训练
6. 验证SVM识别准确率
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本方案旨在分析方向梯度特征的三个向量计算参数对支持向量机(SVM)识别混凝土振捣状态准确率的影响。方向梯度特征向量的主要计算参数包括方向梯度统计块大小、方向梯度统计角度区间数量以及二值化灰度阈值。本节以这三个主要计算参数作为变量设计实验,各实验参数水平详见表1。实验共对100组分辨率为1024 × 1024像素的混凝土图像样本进行了测试,对应表1中参数的实验结果列于表2中。
不同二值化灰度阈值下SVM识别结果的分析
表2展示了支持向量机(SVM)在不同二值化阈值下的平均识别准确率,图4则可视化了二值化阈值与识别准确率之间的关系。当分块大小和统计区间数量固定时,随着二值化阈值的增加,SVM的识别准确率总体呈现下降趋势。值得注意的是,当二值化阈值处于100至150范围内时,识别准确率显著下降。需要进一步研究以明确这一现象背后的原因及其对SVM划分计算的...
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本文利用支持向量机(SVM)学习各类混凝土振捣状态样本的图像特征。基于机器学习结果,提出了一种基于图像识别的混凝土振捣状态识别方法。为提高识别准确率,关键在于控制图像分割、图像二值化和方向梯度特征值提取这三个关键步骤的参数。根据测试结果,采用较小的二值化阈值对混凝土样本图像进行预处理,图像分割的块大小设置为128像素 × 128像素,方向梯度的统计角度区间数量设为12。在分辨率为1024的图像样本集中,机器学习结果达到了最佳的识别准确率。
由于不同施工现场的环境存在显著差异,该方法设有精度调节机制。当识别精度无法满足要求时,可通过扩展或缩减上述三个关键参数作为有效解决方案,从而显著缓解因环境变化引起的识别精度误差。需要注意的是,该方法对作业面的光照条件依赖性较强。在低照度条件下采集图像可能导致识别精度下降。为降低对光照条件的依赖,已有研究探索采用低照度图像增强算法30,但此类方法会显著增加识别时间和硬件需求。目前尚无有效技术能够同时保障低照度下的识别精度与识别效率。该方法采用方向梯度直方图技术来表征混凝土振捣状态的特征,包括表面塌陷、...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们衷心感谢武汉城市建设集团2023年度科研项目(编号7)对本工作的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 相机 | SONY | A6000 | 传感器尺寸为23.5×15.6 mm,最大采集分辨率为1440 × 1080,有效像素为2430万。 |
| 混凝土 | 武汉建工长新科技发展有限公司 | C30泵送混凝土 | 根据《混凝土强度检验评定标准》(GB/T 50107-2010)的规定,该混凝土的立方体抗压强度标准值为30 MPa的泵送混凝土。 |
| Matlab | MathWorks | Matlab R2017a | MATLAB的编程接口提供了用于提高代码质量、可维护性以及最大化性能的开发工具。 它提供了使用自定义图形界面构建应用程序的工具。 它提供了将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言集成的工具 |
| 处理器 | Intel | 12代 Intel(R) Core(TM) i7-12700H @ 2.30GHz | 64位 Win11 处理器 |
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