$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Cette étude n’a pas impliqué de participants humains ni de sujets animaux. Par conséquent, l’approbation éthique et le consentement éclairé n’étaient pas requis. Le cadre proposé de classification des tissus tissés de bout en bout (Figure 1) se compose de quatre étapes séquentielles : acquisition d’images, prétraitement et augmentation, entraînement du modèle et évaluation. La sortie de chaque étage sert d’entrée au suivant.
Étape 1 : Acquisition de l’image : Des images tissées ont été obtenues à partir du jeu de données et capturées à l’aide d’un appareil photo numérique sous un système d’éclairage contrôlé. Les images étaient acquises à 300 dpi en utilisant une focale fixe de 50 mm.
Étape 2 : Prétraitement et augmentation : Les images ont été redimensionnées et préparées pour l’entraînement. Pour améliorer la généralisation, des augmentations géométriques et photométriques ont été appliquées à l’aide d’un cadre d’apprentissage profond incluant des flips horizontaux et verticaux (p = 0,1), la translation affine (±0,1), l’échelle (0,8–1,2) et la rotation (±45°). Les ajustements photométriques comprenaient des variations de luminosité, de contraste et de saturation (±40 %) et des variations de teinte (±10 %).
Le débruit basé sur l’UNet a été appliqué avant la formation. Le modèle UNet a été implémenté dans la bibliothèque logicielle d’apprentissage profond (cadre Keras Deep learning) et entraîné pendant 30 époques à l’aide de l’optimiseur Adam (taux d’apprentissage = 0,001, taille de lot = 16).
Étape 3 : Entraînement du modèle : Un GAN a été utilisé pour générer des images synthétiques de tissu tissé afin d’améliorer les caractéristiques. Le discriminateur comprenait cinq couches convolutionnelles avec activation LeakyReLU, tandis que le générateur comprenait quatre couches convolutionnelles et quatre couches de déconvolution. Le GAN a été entraîné pendant 100 époques en utilisant la perte d’entropie binaire croisée (taux d’apprentissage = 0,0002, β₁ = 0,5). Le classificateur CNN (backbone ResNet-50) a ensuite été entraîné conjointement dans un cadre itératif GAN–CNN avec une taille de lot de 32, un dropout de 0,2, un taux d’apprentissage de 0,001, et l’optimiseur Adam.
Étape 4 : Évaluation du modèle : La performance du modèle a été évaluée à l’aide de la précision, de la précision, du rappel, du score F1 et d’une précision équilibrée.
1. Description de l’ensemble de données
Un total de 3 540 images de tissus tissés à partir de 880 échantillons de tissu ont été obtenues à partir d’un ensemble de données accessible au public sous des conditions d’éclairagecontrôlées 12. Parmi celles-ci, 2 832 images ont été utilisées pour les tests, tandis que les 708 images restantes ont été augmentées pour générer 11 328 échantillons d’entraînement. Le jeu de données est anonymisé et, par conséquent, ne nécessite pas d’approbation éthique. Des échantillons représentatifs sont présentés à la Figure 2.
Le jeu de données comprend trois classes de tissage : uni, satin et sergé. Les tissus étaient produits en utilisant des fils texturés en polyester (densités linéaires de filaments de 110 dtex ; 1,14 et 3,05 dtex) et des fils texturés en microfilament en polyester (110 dtex ; 0,33, 0,57 et 0,76 dtex) comme trame, et 83 fils polyester dtex (1,14 dtex) comme chaîne. Trois types de tissage — 1/1 simple, 3/2 sergé et 4/1 satin — ont été construits.
Les données utilisées dans cette étude proviennent d’un ensemble de données public qui comprend des images brutes et prétraitées, des métadonnées d’augmentation, et des échantillons généréspar GAN 12. Des augmentations supplémentaires et une synthèse basée sur GAN ont été appliquées pour renforcer davantage la diversité de l’entraînement. du jeu de données. Le jeu de données final contenait 11 328 images d’entraînement et 2832 images de test ; 80 % des données d’entraînement ont été utilisées pour l’entraînement du modèle et 20 % pour la validation. Les paramètres structurels variaient comme suit : densité linéaire du fil (Ne : 6–40), nombre de fils (25–58 extrémités/cm) et densité superficielle du tissu (125–485 gsm). La formation et les tests étaient réalisés sur une unité de traitement graphique utilisant un cadre et un logiciel d’apprentissage profond.
2. Prétraitement efficace proposé avec augmentation
Pour traiter les données d’entraînement limitées et améliorer la généralisation, l’augmentation des données a été appliquée. L’augmentation élargit l’ensemble de données sans modifier l’architecture du modèle, réduit le surapprentissage et améliore la robustesse. Deux types d’augmentation étaient utilisés :
Augmentation géométrique :
Les transformations comprenaient des flips horizontaux et verticaux (p = 0,1), la transformation affine (translate = 0,1, échelle = 0,8–1,2) et la rotation à angle fixe (45°). Ces opérations simulent des variations dans l’orientation de la chaîne et des conditions d’imagerie (Figure 3).
Augmentation photométrique :
Pour augmenter la robustesse à l’éclairage et la variabilité des capteurs, la luminosité, le contraste et la saturation ont été ajustés de ±40 %, et la teinte de ±10 %. Ces modifications préservent la structure géométrique tout en variant les caractéristiques d’éclairage (Figure 4).
3. Réduction du bruit à l’aide de UNet
UNet est une architecture convolutionnelle encodeur-décodeur utilisée pour réduire le bruit des textures structurées de tissus tissés. Parce que les motifs de tissu sont sensibles au bruit des capteurs et de l’illumination, le débruit est effectué avant la classification afin de préserver les détails structurels ; le réseau utilise une fonction d’activation sigmoïde dans la couche de sortie, ainsi que l’architecture de débruit basée sur UNet (Figure 5). Les images détaminées servaient d’entrées affinées à la chaîne GAN–CNN pour la génération et la classification synthétiques. La formulation mathématique du processus de débruixement de l’UNet et de la stratégie d’optimisation GAN (Équations 1–10) sont fournies dans le Fichier Supplémentaire 1. L’interaction entre les modules UNet, GAN et CNN dans le cadre de bout en bout est illustrée à la Figure 6.
4. Génération et formation proposées de modèles de bout en bout utilisant GAN-CNN
Le cadre hybride GAN–CNN a été utilisé pour la reconnaissance des motifs tissés. Comme montré à la Figure 6, un réseau antagoniste génératif (GAN), composé d’un générateur (G) et d’un discriminateur (D), a été utilisé pour synthétiser des images tissées réalistes sous des conditions variables d’éclairage, de bruit et de texture afin d’augmenter la diversité des ensembles de données, tandis que le CNN apprenait des caractéristiques discriminantes à partir d’échantillons réels et générés pour améliorer la précision de la classification.
5. Classification basée sur CNN
Après la synthèse d’images basée sur GAN, des images réelles et générées de tissus tissés étaient utilisées pour entraîner un CNN à l’extraction et à la classification des caractéristiques de textures. Une architecture ResNet-50 pré-entraînée a été adoptée pour classifier trois types de tissage. La couche originale entièrement connectée a été retirée, tandis que les premières couches convolutionnelles ont été conservées comme colonne vertébrale. Au-dessus de cette colonne vertébrale, une couche de pooling moyenne globale, deux couches de normalisation en lot, deux couches entièrement connectées (512 et 256 neurones), des activations ReLU et un dropout ont été ajoutées. Une couche Softmax effectuait la classification finale en trois classes. L’architecture modifiée est illustrée à la Figure 7.
Le modèle a été entraîné à l’aide de l’optimiseur Adam avec une perte d’entropie croisée catégorique pendant 50 époques (taille du lot = 32, taux d’apprentissage = 0,001, abandon = 0,2). L’ajustement des hyperparamètres est réalisé via une recherche en grille (taux d’apprentissage : 0,001–0,0001 ; taille du lot : 16–64 ; abandon : 0,1–0,3). Un arrêt précoce basé sur la perte de validation a été appliqué pour éviter le sur-ajustement, la convergence étant obtenue en environ 2,3 heures par entraînement.
Une stratégie de formation coordonnée de bout en bout a été mise en œuvre pour garantir la cohérence entre les étapes de réduction du bruit, de synthèse des données et de classification. L’UNet a d’abord été pré-entraîné pour 30 époques en utilisant des paires d’images bruyante-propre (Adam, taux d’apprentissage = 0,001, taille du lot = 16, perte MSE). Le module GAN, composé d’un générateur avec quatre couches convolutionnelles et quatre couches de déconvolution et d’un discriminateur avec cinq couches convolutionnelles utilisant des activations LeakyReLU, a été entraîné de manière adversaire pendant 100 époques (perte binaire d’entropie croisée, β₁ = 0,5, taux d’apprentissage = 0,0002). Par la suite, le GAN et le CNN ont été entraînés conjointement dans une boucle itérative pendant 50 époques (taille du lot = 32), les échantillons générés étant utilisés pour mettre à jour le classificateur. L’optimisation CNN utilisait l’optimiseur Adam (taux d’apprentissage = 0,001, abandon = 0,2), favorisant une convergence stable et une généralisation améliorée entre types de tissage.