[논문]이물 객체 탐지 성능 개선을 위한 딥러닝 네트워크 기반 저품질 영상 개선 기법 개발

엄기열; 민병석

doi:10.7472/jksii.2024.25.1.99

이물 객체 탐지 성능 개선을 위한 딥러닝 네트워크 기반 저품질 영상 개선 기법 개발
Development of deep learning network based low-quality image enhancement techniques for improving foreign object detection performance 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.25 no.1, 2024년, pp.99 - 107

엄기열 (Dept. of AI.Bigdata, Suseong University) , 민병석 (R&D Center, XAVIS Co. Ltd)

초록
AI-Helper

경제성장과 산업 발전에 따라 반도체 제품부터 SMT 제품, 전기 배터리 제품에 이르기 까지 많은 전자통신 부품들의 제조과정에서 발생하는 철, 알루미늄, 플라스틱 등의 이물질로 인해 제품이 제대로 동작하지 않거나, 전기 배터리의 경우 화재를 발생하는 문제까지 심각한 문제로 이어질 가능성이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 초음파나 X-ray를 이용한 비파괴 방법으로 제품 내부에 이물질이 있는지 판단하여 문제의 발생을 차단하고 있으나, X-ray 영상을 취득하여 이물질이 있는지 판정하는 데에도 여러 한계점이 존재한다. 특히. 크기가 작거나 밀도가 낮은 이물질들은 X-Ray장비로 촬영을 하여도 보이지 않는 문제점이 있고, 잡음 등으로 인해 이물들이 잘 안 보이는 경우가 있으며, 특히 높은 생산성을 가지기 위해서는 빠른 검사속도가 필요한데, 이 경우 X-ray 촬영시간이 짧아지게 되면 신호 대비 잡음비율(SNR)이 낮아지면서 이물 탐지 성능이 크게 저하되는 문제를 가진다. 따라서, 본 논문에서는 저화질로 인해 이물질을 탐지하기 어려운 한계를 극복하기 위한 5단계 방안을 제안한다. 첫번째로, Global 히스토그램 최적화를 통해 X-Ray영상의 대비를 향상시키고, 두 번째로 고주파 영역 신호의 구분력을 강화하기 위하여 Local contrast기법을 적용하며, 세 번째로 Edge 선명도 향상을 위해 Unsharp masking을 통해 경계선을 강화하여 객체가 잘 구분되도록 한다, 네 번째로, 잡음 제거 및 영상향상을 위해 Resdual Dense Block(RDB)의 초고해상화 방법을 제안하며, 마지막으로 Yolov5 알고리즘을 이용하여 이물질을 학습한 후 탐지한다. 본 연구에서 제안하는 방식을 이용하여 실험한 결과, 저밀도 영상 대비 정밀도 등의 평가기준에서 10%이상의 성능이 향상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Along with economic growth and industrial development, there is an increasing demand for various electronic components and device production of semiconductor, SMT component, and electrical battery products. However, these products may contain foreign substances coming from manufacturing process such as iron, aluminum, plastic and so on, which could lead to serious problems or malfunctioning of the product, and fire on the electric vehicle. To solve these problems, it is necessary to determine whether there are foreign materials inside the product, and may tests have been done by means of non-destructive testing methodology such as ultrasound ot X-ray. Nevertheless, there are technical challenges and limitation in acquiring X-ray images and determining the presence of foreign materials. In particular Small-sized or low-density foreign materials may not be visible even when X-ray equipment is used, and noise can also make it difficult to detect foreign objects. Moreover, in order to meet the manufacturing speed requirement, the x-ray acquisition time should be reduced, which can result in the very low signal- to-noise ratio(SNR) lowering the foreign material detection accuracy. Therefore, in this paper, we propose a five-step approach to overcome the limitations of low resolution, which make it challenging to detect foreign substances. Firstly, global contrast of X-ray images are increased through histogram stretching methodology. Second, to strengthen the high frequency signal and local contrast, we applied local contrast enhancement technique. Third, to improve the edge clearness, Unsharp masking is applied to enhance edges, making objects more visible. Forth, the super-resolution method of the Residual Dense Block (RDB) is used for noise reduction and image enhancement. Last, the Yolov5 algorithm is employed to train and detect foreign objects after learning. Using the proposed method in this study, experimental results show an improvement of more than 10% in performance metrics such as precision compared to low-density images.

주제어

표/그림 (12)

그림 (그림 1) 1초간 촬영한 저화질 영상(좌)과 10초간 촬영한 고화질 영상(우) (Fig. 1) Low-quality image captured for 1 sec.(left) and high-quality image captured for 10 sec.(right)
그림 (그림 2) 이물 탐지를 위한 영상 전처리 과정 (Fig. 2) Image preprocessing for foreign object detection
그림 (그림 3) 영상 전처리 과정 (Fig. 3) Image preprocessing process
그림 (그림 4) RDB 네트워크 구조 (Fig. 4) RDB network structure
그림 (그림 5) 초해상화 후 영상 비교 (Fig. 5) The image comparison after super-resolution
그림 (그림 6) Yolo 네트워크 구조[18] (Fig. 6) Yolo network structure[18]
표 (표 1) 그림 5의 SSIM 값 비교 (Table 1) Comparison of SSIM values in Fig. 5
그림 (그림 7) 레이블링 이미지 (Fig. 7) The labelled image
그림 (그림 8) 초고해상화 영상의 PR곡선 (Fig. 8) PR curves for SR images
표 (표 2) 초고해상화 영상에 대해 학습 결과 (Table 2) Training results for different size images
그림 (그림 9) 초해상화 영상에 대해 이물 탐지 결과 (Fig. 9) Dtection results for SR images
표 (표 3) 저해상도 영상에 대해 크기별로 학습 결과 (Table 3) Training results for different sizes of low-resolution images

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 영상 품질을 향상시키고 작은 이물도 탐지 할 수 있는 5단계 방안을 제안하였다. 첫번째로, 밝기 영역의 Dynamic range를 확장하기 위해 Global 히스토그램 최적화를 통해 X-Ray영상의 대비를 향상시키고, 두 번째로 고주파 영역의 신호의 구분력을 강화하기 위하여 Local contrast 향상 기법을 이용하여 영역별 영상을 평활화를 수행하고, 세 번째로 Edge 선명도 향상을 위해 Unsharp masking을 통해 경계선을 강화하여 객체가 잘 보일 수 있도록 한다, 네 번째로, 잡음 제거 및 영상향상을 위해 Resdual Dense Block(RDB)의 초해상화 방법을 사용하였으며, Yolo v5 알고리즘을 이용하여 이물질을 학습한 후 이물질을 탐지하는 방식을 설명하였다.

제안 방법

이러한 간단함과 효과성으로 인해 잔여 학습은 더 깊고 정확한 네트워크를 구축하는 데 널리 사용되어, 다양한 딥 SR 모델이 제안되었다. 경량화 된 Single Image Super Resolution(SISR)에 대한 Dynamic Residual Self Attention Network(DRSAN)를 제안하면서 블록 사이의 잔여 연결을 자동으로 설계하는 데 중점을 두고 있으며 제안된 DRSAN은 입력 통계에 따라 구조를 적응적으로 변경하는 동적 잔여 연결을 기반으로하며, 구체적으로 동적 잔여 어텐션을 명시적으로 모델링하는 동적 잔여 모듈을 제안하며 잔여 경로와 입력 이미지 통계 간의 상호 관계를 찾아 각 잔여 경로에 적절한 가중치를 할당한다[13]. 이러한 딥러닝 네트워크를 사용하여, 음식물에 포함된 이물질의 실시간 이상 탐지를 위한 새로운 방법을 제안되었다[14].
두 번째 실험으로, 첫 번째 실험에서 사용한 3,000개의 저해상도 영상에 대해서 이물 탐지 실험을 하였다. 영상크기를 416으로 500번의 epoch을 2회 학습해서 Precision=0.
첫번째는 저 해상도 영상을 가지고 초해상화 학습을 한 후, 초해상화 테스트로 나온 영상을 가지고, 이물 탐지 실험을 한다. 두 번째는 초해상화에 사용된 저해상도 영상으로 이물 탐지 실험을 한 후 성능을 비교 판단한다.
흉부 X-ray 이미지의 품질을 향상시키기 위해 노이즈 감소, 대비 향상 및 형태학적 연산과 같은 여러 전처리 기술을 사용해서, COVID-19를 분류하고 조기에 감지하는 방법을 제안했습니다[6]. 딥러닝 기반 접근법은 데이터셋의 불균형 및 그래디언트 소실 문제 등의 문제점을 가지고 있는데, 패러미터 값을 업데이트 하기 위해 특징 연합에 기반한 스킵 연결 네트워크 방법을 제안하였고, 전처리 방법으로 Edge 향상 등 기본적인 영상 처리 방법을 제안하였다[7]. 디지털 흉부 X-ray 이미지에서 혈과 포트 외의 3가지 범주를 탐지하기 위해Deep Convolution Neural Network (CNN) 신경망을 사용하였고, 탐지된 영역에 대해 영상 크기 조정, 정규화, 크롭핑(Cropping)과 같은 영상 전처리 후 Yolo v8알고리즘을 이용하여 학습 후 이물을 탐지하는 방법에 대해서 제안하였다[8].
잡음 및 영상 증폭 등으로 이물질 탐지가 되지 않는 문제점을 해결하기 위해서는 그림 1과 같이 저화질 영상보다 촬영시간을 오래하여 잡음을 제거하거나, 영상 전처리 작업을 하면 영상의 품질이 높아져 이물질을 잘 탐지할 수 있게 된다. 따라서, 본 논문에서는 저화질로 인해 이물질을 탐지하기 어려운 한계를 극복하기 위한 방안으로 딥러닝을 이용하여, 짧은 시간동안 촬영을 하여도 고화질 수준의 영상을 만들어 작은 크기의 이물질도 탐지 할 수 있는 5단계 방안을 다음과 같이 제안한다. 첫번째로, Histogram stretching을 통한 입력 영상의 Dynamic range를 확장함으로써 X-Ray영상의 Global contrast를 향상시키고, 두 번째로, 영상 증폭 등의 경우에도 영상의 품질을 균일하게 유지해주는 Local contrast enhancement방식을 이용하여 영상을 평활화를 하며, 세 번째로 edge sharpening을 통해 경계선을 강화하여 객체가 잘 보일 수 있도록 한다, 네번째로, 영상의 잡음 제거 및 품질을 향상시키기 위해 딥러닝 알고리즘을 이용하여 초해상화 영상을 얻는 방법을 설명하고, 마지막으로 초해상화 영상의 이물질을 레이블링을 한 후 object detection & classification 알고리즘을 이용하여 이물질을 학습한 후 이물질을 탐지하는 방식을 설명한다.
클래스 하나에 대한 평가 기준은 AP(Average Precision)이고, 여러 개 클래스에 대한 평가 기준은 각각 AP의 평균을 구하고 mAP라고 한다. 본 연구에서는 이물 클래스를 5개로 구분하여 학습하였다.
본 절에서는 영상 품질 향상을 위해 영상 스트레칭, Local contrast enhancement 알고리즘, edge sharpening알고리즘의 3단계 영상 전처리 방식을 설명하고, 딥러닝을 이용한 초 해상화 방식에 대해서 설명한다.
잡음 제거, 대비향상, local contrast enhancement, 이진화, connected component, 모폴로지의 영상 처리 방법을 이용하여 영상을 향상 시키고, 특징을 추출한 후 이물질을 탐지하는 방법을 제안하였다[1]. 이미지 처리 방법을 기반으로 특징을 추출하고 랜덤 포레스트를 사용하여 결함 정보를 학습하는 비참조적 결함 감지 방법을 제안하였다[2]. 반도체 제조 산업에서 적용된 다양한 영상 시각 검사 알고리즘과 시스템에 대해 제안했고, 다양한 검사 제품의 다중 결함 유형을 검토하여 추가 구현 및 개선을 위한 참고 자료로 사용이 될 수 있고, CX-R 이미지의 저품질을 향상시키기 위한 효과적인 이미지 개선 절차를 제안하였다[3].
X-Ray 영상의 화질을 개선하여 이물이 더 잘 보이도록 하는 전처리 기법은 오랜 기간 동안 연구가 되어왔다. 잡음 제거, 대비향상, local contrast enhancement, 이진화, connected component, 모폴로지의 영상 처리 방법을 이용하여 영상을 향상 시키고, 특징을 추출한 후 이물질을 탐지하는 방법을 제안하였다[1]. 이미지 처리 방법을 기반으로 특징을 추출하고 랜덤 포레스트를 사용하여 결함 정보를 학습하는 비참조적 결함 감지 방법을 제안하였다[2].
첫 번째로, 초해상화 학습과 테스트에 사용한 영상 비율은 70%, 30%으로 하였고 자동으로 분리가 되게 프로그램을 하였다. 따라서, 학습에 사용된 영상은 7,000개이고, 테스트에 사용된 영상은 3,000개이다.
첫번째로, Histogram stretching을 통한 입력 영상의 Dynamic range를 확장함으로써 X-Ray영상의 Global contrast를 향상시키고, 두 번째로, 영상 증폭 등의 경우에도 영상의 품질을 균일하게 유지해주는 Local contrast enhancement방식을 이용하여 영상을 평활화를 하며, 세 번째로 edge sharpening을 통해 경계선을 강화하여 객체가 잘 보일 수 있도록 한다, 네번째로, 영상의 잡음 제거 및 품질을 향상시키기 위해 딥러닝 알고리즘을 이용하여 초해상화 영상을 얻는 방법을 설명하고, 마지막으로 초해상화 영상의 이물질을 레이블링을 한 후 object detection & classification 알고리즘을 이용하여 이물질을 학습한 후 이물질을 탐지하는 방식을 설명한다.
본 논문에서는 영상 품질을 향상시키고 작은 이물도 탐지 할 수 있는 5단계 방안을 제안하였다. 첫번째로, 밝기 영역의 Dynamic range를 확장하기 위해 Global 히스토그램 최적화를 통해 X-Ray영상의 대비를 향상시키고, 두 번째로 고주파 영역의 신호의 구분력을 강화하기 위하여 Local contrast 향상 기법을 이용하여 영역별 영상을 평활화를 수행하고, 세 번째로 Edge 선명도 향상을 위해 Unsharp masking을 통해 경계선을 강화하여 객체가 잘 보일 수 있도록 한다, 네 번째로, 잡음 제거 및 영상향상을 위해 Resdual Dense Block(RDB)의 초해상화 방법을 사용하였으며, Yolo v5 알고리즘을 이용하여 이물질을 학습한 후 이물질을 탐지하는 방식을 설명하였다.
학습을 하기 위한 이물 클래스는 유리(glass), 금속(metal), 돌(stone), 플라스틱(plastics), 뼈(bone)로 구분하여 각각 ‘glass’, ‘metal’, ‘plastics’, ‘bone’로 정의 하고, 학습을 하기 위한 epoch은 500개로 설정하였고 batch size크기는 5로 설정하였고, 2회씩 수행하였다

대상 데이터

Yolo v5는 그림 6과 같이 단일단계 검출방식으로 Backbone, Neck, Dense Prediction의 세가지 구성요소로 이루어져 있다. CSPDarknet53을 백본 네트워크로 사용하며, 특징 피라미드 네트워크를 도입하여 여러 스케일에서 특징을 추출한다. 이를 통해 다양한 크기의 객체를 검출하고, 특히 작은 객체의 성능을 향상시킨다.
952로 상대적으로 높은 값을 얻었다. 그 다음으로 3,000개의 초해상화 영상을 이용하여 이물 탐지 학습을 수행하였다. 영상 전처리 및 초해상화 영상에 대해서 영상크기를 416으로 500번의 epoch을 2회 학습해서 수행 결과는 Precision=0.
첫 번째로, 초해상화 학습과 테스트에 사용한 영상 비율은 70%, 30%으로 하였고 자동으로 분리가 되게 프로그램을 하였다. 따라서, 학습에 사용된 영상은 7,000개이고, 테스트에 사용된 영상은 3,000개이다. 학습에 사용된 7,000개의 영상은 1초 촬영한 저해상도 영상과 10초간 촬영한 고해상도 영상으로 구성되고, 3,000개의 테스트 영상은 1초 촬영한 저해상도 영상을 가지고 초해상화를 수행하였고, 3,000개의 초해상화 영상과 10초가 촬영한 고해상도 영상과의 SSIM값을 계산하였다.
이물 탐지 실험은 10,000개의 저해상도 영상과 10,000개의 고해상도 영상을 사용하였다. 첫번째는 저 해상도 영상을 가지고 초해상화 학습을 한 후, 초해상화 테스트로 나온 영상을 가지고, 이물 탐지 실험을 한다.
이물 탐지를 위해 사용된 영상은 초해상화 테스트를 위해 사용한 3,000개 영상으로, 동일하게 학습 및 테스트용으로 사용하기 위해 70%, 30%으로 나누었다. 그림 7과 같이 학습을 위해 레이블링 도구로 1차 레이블링을 한 후 다시 Yolo포맷의 텍스트 파일로 변환하였다.
첫 번째는 416크기로, 두 번째는 960크기로, 세 번째는 1024크기로 변경하면서 학습을 하였다. 첫 번째 실험으로, 저해상도 3,000개의 영상을 전처리한 후 초해상화 영상을 얻었다. 고해상도 영상과의 SSIM을 얻은 결과는 평균 0.
따라서, 학습에 사용된 영상은 7,000개이고, 테스트에 사용된 영상은 3,000개이다. 학습에 사용된 7,000개의 영상은 1초 촬영한 저해상도 영상과 10초간 촬영한 고해상도 영상으로 구성되고, 3,000개의 테스트 영상은 1초 촬영한 저해상도 영상을 가지고 초해상화를 수행하였고, 3,000개의 초해상화 영상과 10초가 촬영한 고해상도 영상과의 SSIM값을 계산하였다.

이론/모형

깊이가 깊어질수록 성능은 더 좋아지지만 계산 과정이 늘어나기 때문에 training data를 통해 학습을 진행할 때 어려움이 발생한다. 본 연구에서는 Residual Dense Block(RDB)을 이용하여 저해상도를 고해상도로 복원하는 방법을 사용한다[11]. 이 방법은 그림 4와 같이 여러개의 RDB block에서 local dense feature를 뽑아낸 후에 global feature fusion(GFF)를 통해 global하게 hierarchical feature들을 보존시킨다.
본 연구에서는 객체 이물 탐지 성능을 평가하기 위해 TP (True Positive), TN (True Negative), FN (False Negative), FP (False Positive), 정밀도 (Precision), 재현율 (Recall), 정확도 (Accuracy), F1-score, mAP(mean Average Precision)를 사용한다. TP는 이물을 올바르게 탐지된 개수를 나타내며, TN은 올바르게 이물이 아니라고 판단한 수를 나타낸다.
저해상도 영상으로부터 초해상도 영상을 얻은 후 고해상도와의 유사성을 판단하기 위한 기준으로 Structural Similarity Index Measure(SSIM)를 사용한다. SSIM은 영상의 유사도를 휘도(luminance), 대비(contrast), 구조(structure) 3가지 요소를 이용하여 비교하는 방법으로 두 영상 초해상도 영상 A와 고해상도 영상 B에 대해, 픽셀 단위 SSIM에 대한 공식은 다음과 같이 주어지고, α, β, γ는 3가지 요소의 상대적인 중요도를 나타낸다[19].

성능/효과

영상 전처리 및 딥러닝을 이용한 초해상화로 기존 10초 동안 촬영한 영상과의 SSIM값이 평균 0.952로 나타났고, 초해상화 영상을 가지고 416, 960, 1024 의 영상 크기로 이물질을 학습한 결과는 416크기로 설정한 것보다, 960, 1024 크기로 설정한 결과가 Precision, Recall, F1-score의 평가 기준에서 상대적으로 높게 나왔다. 그렇지만, 작은 이물 탐지 실험에서는 1024 크기로 학습한 경우가 960 크기로 학습한 경우보다 작은 이물을 잘 탐지하는 것으로 나타났다.
그 다음으로 3,000개의 초해상화 영상을 이용하여 이물 탐지 학습을 수행하였다. 영상 전처리 및 초해상화 영상에 대해서 영상크기를 416으로 500번의 epoch을 2회 학습해서 수행 결과는 Precision=0.945, Recall=0.641, F1-Score=0.766, mAP=0.721를 얻었고, 영상크기가 960으로 500번의 epoch을 2회 학습해서 수행한 결과 Precision=0.995, Recall=0.983, F1-Score=0.989, mAP=0.993를 얻었으며, 마지막으로 영상 크기가 1280으로 500번의 epoch을 2회 학습해서 수행한 결과 Precision=0.995, Recall=0.978, F1-Score=0.986, mAP=0.99를 얻었다. 이와 같이 세 번의 초해상화 영상에 대한 이물 탐지 결과에 대한 성능은 표2와 같다.
이와 같이 세 번의 저해상도에 대한 이물 탐지 결과에 대한 성능은 표 3과 같다. 표 2, 3에서도 알 수 있듯이, 초해상화 영상으로 이물을 탐지했을 때와 저해상도 영상으로 이물을 탐지했을 때의 학습 성능 결과를 보면 416영상으로 학습했을 때는 비슷하지만, 960 이상의 영상에 대해서는 Precision은 12%이상, Recall은 11%이상, F1-score 11%이상, mAP 11%이상 높은 성능을 얻었다.

후속연구

크기가 작은 이물 뿐만 아니라 모양 및 두께 등 다양한 형태의 이물도 존재하고, 이물의 성분에 따라서 밀도 또한 다양하게 나타나고 있다. 본 연구에서는 스택형 배터리로 한정하여 이미 만들어져 있는 이물 시편을 임의로 붙여 촬영한 후 검사해 보았지만, 다양한 형태의 실제 이물을 학습한 후 성능을 향상시키는 연구가 필요하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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