$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Deze studie betrof geen menselijke deelnemers of dierlijke proefpersonen. Daarom waren ethische goedkeuring en geïnformeerde toestemming niet vereist. Het voorgestelde end-to-end classificatiekader voor geweven stoffen (Figuur 1) bestaat uit vier opeenvolgende fasen: beeldverwerving, voorverwerking en augmentatie, modeltraining en evaluatie. De uitgang van elke trap dient als ingang naar de volgende.
Fase 1: Beeldverwerving: Geweven stoffen beelden werden uit de dataset verkregen en vastgelegd met een digitale camera onder een gecontroleerde verlichtingsopstelling. Beelden werden gemaakt met 300 dpi en een vaste brandpuntsafstand van 50 mm.
Fase 2: Preprocessing en augmentatie: Beelden werden verkleind en voorbereid voor training. Om de generalisatie te verbeteren, werden geometrische en fotometrische augmentaties toegepast met behulp van een deep learning-framework dat horizontale en verticale flips (p = 0,1), affiene translatie (±0,1), schaalverdeling (0,8–1,2) en rotatie (±45°) omvatte. Fotometrische aanpassingen omvatten variaties in helderheid, contrast en verzadiging (±40%) en kleurvariatie (±10%).
Voor de training werd UNet-gebaseerd denoising toegepast. Het UNet-model werd geïmplementeerd in de Deep learning softwarebibliotheek (Keras Deep learning framework) en getraind voor 30 epochs met behulp van de Adam optimizer (leersnelheid = 0,001, batchgrootte = 16).
Fase 3: Modeltraining: Een GAN werd gebruikt om synthetische beelden van geweven stof te genereren om kenmerken te versterken. De discriminator bestond uit vijf convolutionele lagen met LeakyReLU-activatie, terwijl de generator vier convolutionele en vier deconvolutielagen omvatte. De GAN werd getraind voor 100 epochs met behulp van binaire kruis-entropieverlies (leersnelheid = 0,0002, β₁ = 0,5). De CNN-classifier (ResNet-50 backbone) werd vervolgens gezamenlijk getraind in een iteratief GAN–CNN-framework met een batchgrootte van 32, dropout van 0,2, een leersnelheid van 0,001 en de Adam-optimizer.
Fase 4: Modelevaluatie: De modelprestaties werden beoordeeld met behulp van nauwkeurigheid, precisie, terugroepen, F1-score en gebalanceerde nauwkeurigheid.
1. Beschrijving van de dataset
In totaal werden 3.540 geweven stoffen beelden verkregen uit 880 stofmonsters uit een openbaar beschikbare dataset onder gecontroleerde verlichtingsomstandigheden12. Hiervan werden 2.832 beelden gebruikt voor tests, terwijl de resterende 708 beelden werden uitgebreid tot 11.328 trainingsmonsters. De dataset is geanonimiseerd en vereist daarom geen ethische goedkeuring. Representatieve steekproeven zijn weergegeven in Figuur 2.
De dataset bestaat uit drie weefklassen: effen, satijn en keper. Stoffen werden geproduceerd met polyestergetextureerde garens (110 dtex; 1,14 en 3,05 dtex filament lineaire dichtheden) en polyester microfilament getextureerde garens (110 dtex; 0,33, 0,57 en 0,76 dtex) als inslag, en 83 dtex polyester garens (1,14 dtex) als ketting. Er werden drie weefseltypes geconstrueerd—1/1 effen, 3/2 keper en 4/1 satijn—geconstrueerd.
De gegevens die in deze studie zijn gebruikt, zijn verkregen uit een openbaar beschikbare dataset die ruwe en voorbewerkte beelden, augmentatiemetadata en door GAN gegenereerde steekproevenbevat 12. Extra augmentatie en GAN-gebaseerde synthese werden toegepast om de trainingsdiversiteit verder te vergroten. van de dataset. De uiteindelijke dataset bevatte 11.328 trainings- en 2832 testbeelden; 80% van de trainingsdata werd gebruikt voor modeltraining en 20% voor validatie. De structurele parameters varieerden als volgt: lineaire garendichtheid (Ne: 6–40), garendichtheid (25–58 einden/cm) en oppervlaktedichtheid van de stof (125–485 gsm). Training en testen werden uitgevoerd op een grafische verwerkingsunit met behulp van een deep learning-framework en software.
2. Voorgestelde efficiënte preprocessing met augmentatie
Om beperkte trainingsdata aan te pakken en de generalisatie te verbeteren, werd data-augmentatie toegepast. Augmentatie breidt de dataset uit zonder de modelarchitectuur aan te passen, vermindert overfitting en verhoogt de robuustheid. Er werden twee soorten augmentatie toegepast:
Geometrische augmentatie:
Transformaties omvatten horizontale en verticale flips (p = 0,1), affiene transformatie (translate = 0,1, schaal = 0,8–1,2) en vaste hoekrotatie (45°). Deze operaties simuleren variaties in warp-inslagoriëntatie en beeldvormingscondities (Figuur 3).
Fotometrische augmentatie:
Om de robuustheid van verlichting en sensorvariabiliteit te vergroten, werden helderheid, contrast en verzadiging aangepast met ±40%, en tint met ±10%. Deze aanpassingen behouden de geometrische structuur terwijl de lichtkenmerken variëren (Figuur 4).
3. Denoising met UNet
UNet is een encoder–decoder convulutionele architectuur die wordt gebruikt om gestructureerde geweven texturen te denoiseren. Omdat stofpatronen gevoelig zijn voor sensor- en verlichtingsruis, wordt het geluidsdempen vóór de classificatie uitgevoerd om structurele details te behouden; het netwerk gebruikt een sigmoid-activatiefunctie in de uitvoerlaag en de op UNet gebaseerde denoising-architectuur (Figuur 5). De gedenoisede beelden dienden als verfijnde input voor de GAN–CNN-pijplijn voor synthetische generatie en classificatie. De wiskundige formulering van het UNet-deoisingproces en de GAN-optimalisatiestrategie (Vergelijkingen 1–10) zijn beschikbaar in Aanvullend Bestand 1. De interactie tussen UNet-, GAN- en CNN-modules binnen het end-to-end kader wordt geïllustreerd in Figuur 6.
4. Voorgestelde End-to-End modelgeneratie en training met behulp van GAN-CNN
Het GAN–CNN hybride raamwerk werd gebruikt voor het herkennen van geweven stoffen patronen. Zoals getoond in Figuur 6, werd een generatief adversarieel netwerk (GAN), bestaande uit een generator (G) en een discriminator (D), gebruikt om realistische geweven stofbeelden te synthetiseren onder wisselende licht-, ruis- en textuurcondities om de diversiteit van datasets te vergroten, terwijl het CNN discriminatiekenmerken leerde van zowel echte als gegenereerde samples om de classificatienauwkeurigheid te verbeteren.
5. CNN-gebaseerde classificatie
Na GAN-gebaseerde beeldsynthese werden zowel echte als gegenereerde geweven stofbeelden gebruikt om een CNN te trainen voor het extractie en classificeren van textuurkenmerken. Een vooraf getrainde ResNet-50-architectuur werd toegepast om drie weefseltypes te classificeren. De oorspronkelijke volledig verbonden laag werd verwijderd, terwijl de vroege convolutionele lagen als ruggengraat werden behouden. Bovenop deze ruggengraat werden een globale gemiddelde poollaag, twee batchnormalisatielagen, twee volledig verbonden lagen (512 en 256 neuronen), ReLU-activaties en dropout toegevoegd. Een Softmax-laag voerde de laatste classificatie van drie klassen uit. De aangepaste architectuur is te zien in Figuur 7.
Het model werd getraind met de Adam-optimizer met categorisch kruis-entropieverlies gedurende 50 epochs (batchgrootte = 32, leersnelheid = 0,001, dropout = 0,2). Hyperparameterafstemming wordt uitgevoerd via rasterzoektocht (leersnelheid: 0,001–0,0001; batchgrootte: 16–64; uitval: 0,1–0,3). Vroegtijdig stoppen op basis van validatieverlies werd toegepast om overfitting te voorkomen, waarbij convergentie in ongeveer 2,3 uur per training werd bereikt.
Er werd een gecoördineerde end-to-end trainingsstrategie toegepast om consistentie te waarborgen tussen de niveaus van denoising, datasynthese en classificatie. De UNet werd eerst vooraf getraind voor 30 epochs met behulp van ruisy–clean beeldparen (Adam, leersnelheid = 0,001, batchgrootte = 16, MSE-verlies). De GAN-module, bestaande uit een generator met vier convolutionele en vier deconvolutielagen en een discriminator met vijf convolutionele lagen met behulp van LeakyReLU-activaties, werd adversarieel getraind gedurende 100 epochs (binaire kruis-entropieverlies, β₁ = 0,5, leersnelheid = 0,0002). Vervolgens werden de GAN en CNN gezamenlijk getraind in een iteratieve lus gedurende 50 epochs (batchgrootte = 32), waarbij gegenereerde samples werden gebruikt om de classifier bij te werken. CNN-optimalisatie gebruikte de Adam-optimizer (leersnelheid = 0,001, dropout = 0,2), die stabiele convergentie en verbeterde generalisatie over weefseltypes bevorderde.