$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Questo studio non ha coinvolto partecipanti umani né soggetti animali. Pertanto, non erano necessarie approvazioni etiche e consenso informato. Il framework proposto di classificazione end-to-end dei tessuti tessuti (Figura 1) consiste in quattro fasi sequenziali: acquisizione dell'immagine, preprocessing e aumentazione, addestramento del modello e valutazione. L'uscita di ogni stadio funge da ingresso per il successivo.
Fase 1: Acquisizione dell'immagine: Immagini in tessuto tessuto sono state ottenute dal dataset e catturate utilizzando una fotocamera digitale sotto un sistema di illuminazione controllata. Le immagini venivano acquisite a 300 dpi utilizzando una lunghezza focale fissa di 50 mm.
Fase 2: Preprocessing e aumentazione: Le immagini sono state ridimensionate e preparate per l'addestramento. Per migliorare la generalizzazione, sono stati applicati aumenti geometrici e fotometrici utilizzando un framework di deep learning che includeva flip orizzontali e verticali (p = 0,1), traslazione affine (±0,1), scaling (0,8–1,2) e rotazione (±45°). Le regolazioni fotometriche includevano variazioni di luminosità, contrasto e saturazione (±40%) e variazioni di tonalità (±10%).
La denoising basata su UNet è stata applicata prima della formazione. Il modello UNet è stato implementato nella libreria software di deep learning (framework Keras Deep learning) ed è stato addestrato per 30 epoche utilizzando l'ottimizzatore Adam (tasso di apprendimento = 0,001, dimensione del lotto = 16).
Fase 3: Addestramento al modello: Un GAN veniva utilizzato per generare immagini sintetiche di tessuto tessuto per valorizzare le caratteristiche. Il discriminatore era composto da cinque strati convoluzionali con attivazione LeakyReLU, mentre il generatore includeva quattro strati convoluzionali e quattro strati deconvoluzionali. Il GAN è stato addestrato per 100 epoche utilizzando perdita binaria di entropia incrociata (tasso di apprendimento = 0,0002, β₁ = 0,5). Il classificatore CNN (backbone ResNet-50) è stato poi addestrato congiuntamente in un framework iterativo GAN–CNN con una dimensione di batch di 32, dropout di 0,2, tasso di apprendimento di 0,001 e l'ottimizzatore Adam.
Fase 4: Valutazione del Modello: Le prestazioni del modello sono state valutate utilizzando accuratezza, precisione, richiamo, punteggio F1 e accuratezza bilanciata.
1. Descrizione del set di dati
Un totale di 3.540 immagini di tessuto tessuto da 880 campioni di tessuto sono state ottenute da un dataset pubblicamente disponibile in condizioni di illuminazionecontrollata 12. Di queste, 2.832 immagini sono state utilizzate per i test, mentre le restanti 708 sono state integrate per generare 11.328 campioni di addestramento. Il dataset è anonimizzato e, pertanto, non richiede approvazione etica. Campioni rappresentativi sono mostrati nella Figura 2.
Il dataset comprende tre classi di tessitura: semplice, rasato e twill. I tessuti venivano prodotti utilizzando filati testurizzati in poliestere (densità lineari di filamenti di 110 dtex; 1,14 e 3,05 dtex) e filati in microfilamenti di poliestere (110 dtex; 0,33, 0,57 e 0,76 dtex) come trama e filati in poliestere 83 dtex (1,14 dtex) come ordidi. Furono costruiti tre tipi di tessitura—1/1 Semplice, 3/2 Twill e 4/1 Satin.
I dati utilizzati in questo studio sono stati ottenuti da un dataset pubblicamente disponibile che include immagini grezze e preprocessate, metadati di aumento e campioni generati daGAN 12. Ulteriori potenziamenti e sintesi basate su GAN sono stati applicati per aumentare ulteriormente la diversità dell'addestramento. del dataset. Il dataset finale conteneva 11.328 immagini di addestramento e 2832 immagini di test; L'80% dei dati di addestramento è stato utilizzato per l'addestramento del modello e il 20% per la validazione. I parametri strutturali variavano come segue: densità lineare del filo (Ne: 6–40), numero di filati (25–58 estremità/cm) e densità areale del tessuto (125–485 gsm). La formazione e i test venivano eseguiti su un'unità di elaborazione grafica utilizzando un framework e software di deep learning.
2. Preprocessing Efficiente Proposto con Augmentation
Per affrontare i dati di addestramento limitati e migliorare la generalizzazione, è stato applicato l'aumento dei dati. L'aumento espande il dataset senza modificare l'architettura del modello, riduce l'overfitting e migliora la robustezza. Furono impiegati due tipi di aumentazione:
Aumento geometrico:
Le trasformazioni includevano ribaltamenti orizzontali e verticali (p = 0,1), trasformazione affine (traslazione = 0,1, scala = 0,8–1,2) e rotazione ad angolo fisso (45°). Queste operazioni simulano variazioni nell'orientamento urdito-trama e nelle condizioni di imaging (Figura 3).
Aumento fotometrico:
Per aumentare la robustezza dell'illuminazione e della variabilità dei sensori, luminosità, contrasto e saturazione sono stati regolati del ±40% e della tonalità del ±10%. Queste modifiche preservano la struttura geometrica variando le caratteristiche di illuminazione (Figura 4).
3. Denoising usando UNet
UNet è un'architettura convoluzionale encoder–decoder utilizzata per derumore delle texture strutturate di tessuto tessuto. Poiché i pattern dei tessuti sono sensibili ai rumori di sensori e di illuminazione, la denoising viene effettuata prima della classificazione per preservare i dettagli strutturali; la rete utilizza una funzione di attivazione sigmoid nello strato di output e l'architettura di denoising basata su UNet (Figura 5). Le immagini denosed servivano come input raffinati alla pipeline GAN–CNN per la generazione e classificazione sintetica. La formulazione matematica del processo di denoising UNet e della strategia di ottimizzazione GAN (Equazioni 1–10) sono fornite nel File Supplementare 1. L'interazione tra moduli UNet, GAN e CNN all'interno del framework end-to-end è illustrata nella Figura 6.
4. Generazione e addestramento proposti di modelli end-to-end utilizzando GAN-CNN
Il framework ibrido GAN–CNN è stato utilizzato per il riconoscimento di pattern in tessuto tessuto. Come mostrato nella Figura 6, una rete generativa antagionale (GAN), composta da un generatore (G) e un discriminatore (D), è stata utilizzata per sintetizzare immagini tessuti tessuti realistici sotto condizioni variabili di illuminazione, rumore e texture per aumentare la diversità del dataset, mentre la CNN ha appreso caratteristiche discriminative sia da campioni reali che generati per migliorare l'accuratezza della classificazione.
5. Classificazione basata su CNN
Dopo la sintesi di immagini basata su GAN, sono state utilizzate sia immagini reali che generate di tessuto tessuto per addestrare una CNN all'estrazione e classificazione delle caratteristiche di texture. Fu adottata un'architettura ResNet-50 pre-addestrata per classificare tre tipi di tessura. Lo strato originale completamente connesso fu rimosso, mentre i primi strati convoluzionali furono mantenuti come spina dorsale. Sopra questa spina dorsale, sono stati aggiunti uno strato di pooling media globale, due strati di normalizzazione batch, due strati completamente connessi (512 e 256 neuroni), attivazioni ReLU e dropout. Uno strato Softmax eseguiva la classificazione finale in tre classi. L'architettura modificata è mostrata nella Figura 7.
Il modello è stato addestrato utilizzando l'ottimizzatore Adam con perdita categorica di entropia incrociata per 50 epoche (dimensione del lotto = 32, tasso di apprendimento = 0,001, dropout = 0,2). La regolazione degli iperparametri viene effettuata tramite ricerca a griglia (tasso di apprendimento: 0,001–0,0001; dimensione del lotto: 16–64; dropout: 0,1–0,3). È stata applicata una fermata precoce basata sulla perdita di validazione per prevenire il sovrafitting, con convergenza raggiunta in circa 2,3 ore per addestramento.
È stata adottata una strategia di addestramento coordinata end-to-end per garantire la coerenza tra le fasi di deruoting, sintesi dei dati e classificazione. L'UNet è stato inizialmente pre-addestrato per 30 epoche utilizzando coppie immagine rumore-pulite (Adam, tasso di apprendimento = 0,001, dimensione del lotto = 16, perdita MSE). Il modulo GAN, composto da un generatore con quattro strati convoluzionali e quattro di deconvoluzione e un discriminatore con cinque strati convoluzionali tramite attivazioni LeakyReLU, è stato addestrato in modo avversario per 100 epoche (perdita binaria di entropia incrociata, β₁ = 0,5, tasso di apprendimento = 0,0002). Successivamente, GAN e CNN sono stati addestrati congiuntamente in un ciclo iterativo per 50 epoche (dimensione del batch = 32), con campioni generati utilizzati per aggiornare il classificatore. L'ottimizzazione CNN utilizzava l'ottimizzatore Adam (tasso di apprendimento = 0,001, dropout = 0,2), promuovendo una convergenza stabile e una generalizzazione migliorata tra i tipi di weave.