AIによるひび割れ検出とセグメンテーション

表面のひび割れを見ると、小さな問題に思えるかもしれないが、それは深刻な構造的損傷の初期指標となる。例えば、橋梁のひび割れ検査は定期的に行われていますが、ひび割れは毎年、橋梁損傷の90％を占めています。従来、ひび割れ検査は手作業で行われており、時間がかかることもあった。人工知能（AI）は、ひび割れ検出をより簡単にするために介入することができます。

橋梁だけでなく、ディープラーニングを使ったひび割れ検出は多くの産業現場で役立っている。建設業では建物の完全性を保証するのに役立ち、製造業ではコストのかかるダウンタイムを防ぎ、道路や舗装の検査をより安全で効果的なものにする。この記事では、以下のようなAIとコンピュータビジョンモデルを使用する方法について詳しく見ていきます。 Ultralytics YOLOv8を使用して、従来の方法よりもはるかに迅速かつ簡単にひび割れを検出 し、セグメント化する方法について詳しく説明します。

クラック・セグメンテーションとは何か？

クラックのセグメンテーションに入る前に、セグメンテーションについて理解しよう。セグメンテーションとは、画像を異なる領域やセグメントに分割するコンピュータビジョンのタスクである。その目的は、画像を単純化して分析しやすくすることである。セグメンテーションでは、ピクセルレベルの理解が得られますが、オブジェクト検出のようなタスクでは、バウンディングボックスを使用してオブジェクトを識別し、位置を特定します。 

セグメンテーション技術にはさまざまな種類がある：

• セマンティック・セグメンテーション：これは、画像内の各画素に「道路」「建物」「木」などの特定のクラスでラベル付けすることを意味する。同じクラスのピクセルはすべて1つのエンティティとして扱われる。
• インスタンスセグメンテーション：セマンティック・セグメンテーションとは対照的に、画像内の異なる車のように、同じクラスの別々のインスタンスを区別する。
• パノプティックセグメンテーション：セマンティック・セグメンテーションとインスタンス・セグメンテーションの両アプローチを融合させ、画像内のピクセルレベルの分類と明確なオブジェクトのインスタンスを詳細に理解する。

‍

ひび割れの検出に関しては、インスタンス・セグメンテーションが最適である。各ひび割れを一意にセグメンテーションすることで、ひび割れを個別に識別し、分析することができる。例えば、ひび割れが画像に占めるピクセル数を数えることで、ひび割れの面積を計算することができる。

クラック・セグメンテーションの仕組みを理解する

クラックセグメンテーションを実施するための最初のステップは、適切なカメラのセットアップを検討することです。ビルのような大きな構造物を検査する場合、様々な角度から高解像度の画像を撮影するには、ドローンを使用するのが最適なアプローチかもしれない。一方、製造後の金属板を検査する場合は、表面の詳細な画像をキャプチャするために戦略的に配置された固定式の高解像度カメラを使用するのが最善かもしれない。

カメラのセットアップが完了したら、次のようにインスタンスのセグメンテーションをサポートするコンピュータビジョンモデルをトレーニングすることができます。 YOLOv8.Roboflow Universe Crack Segmentation Datasetには、ひび割れの注釈付き画像が含まれており、モデルの学習に使用できます。また、アプリケーションに特化したひび割れの画像をキャプチャして注釈を付けることで、独自のデータセットを作成することもできます。

このモデルは、教師あり学習によってひび割れのセグメンテーションを学習する。学習時には、ひび割れの位置を示す画像とラベルが与えられる。モデルは予測値と実際のラベルの差を最小化するように内部パラメータを調整する。学習後は、新しい画像の解析に使用し、各ひび割れを一意にセグメンテーションすることができる。

‍

クラック・セグメンテーションの産業応用

ひび割れ検出とセグメンテーションは、インフラ整備から製造業の品質管理まで、さまざまな産業用途で非常に有用です。ひび割れを正確に識別・分析することで、これらの技術は多くの分野で安全性、寿命、品質の向上に役立っています。いくつかの例を見てみよう。

道路と舗装の品質維持

道路のひび割れは、気象条件や交通量の多さ、自然の消耗などによって引き起こされる一般的な問題である。気温の変化は舗装の膨張と収縮を引き起こし、ひび割れの原因となる。大型車は路面に応力を加え、小さなひび割れに水がしみ込むと、時間の経過とともにひび割れが広がり、深くなります。このようなひび割れは、早期摩耗や構造的な欠陥につながり、道路を走行する人々への危険を増大させます。ひび割れセグメンテーションによる早期発見は、道路維持の合理化に役立ちます。

‍

コンピュータ・ビジョンを使って検出され、セグメント化されたひび割れは、その大きさに基づいて重要度が低、中、高に分類されます。ひび割れを分類することで、メンテナンスチームは優先順位をつけることができます。例えば、重大性の高いひび割れには最初に対処して重大な故障を防止し、道路の安全性を向上させる一方、中程度や重大性の低いひび割れにはその後の修理や定期点検を予定しておくことができます。そうすることで、メンテナンスチームはリソースの利用を最適化し、メンテナンスコストを削減し、道路利用者の混乱を最小限に抑えることができます。

構造検査とモニタリング

ひび割れ検知は、建物やその他の構造物の品質と安全性を維持するためにも利用できる。道路と同じように、建物も天候の変化や材料の疲労、定期的な摩耗や損傷によってひび割れが発生することがあります。また、建設中に使用される重機は、構造物に余分なストレスを与え、より多くのひび割れを引き起こす可能性があります。 

‍

ひび割れを正確に特定して対処することで、建物や構造物の寿命を大幅に延ばすことができる。ひび割れ検知システムから収集されたデータは、建設基準や規制の改善にも利用できる。さまざまなプロジェクトにおけるひび割れのパターンや原因を分析することで、業界の専門家はより良い建設手法や材料を開発することができる。 

石油・ガスの亀裂検出

石油・ガス産業では、パイプライン、貯蔵タンク、その他の重要なインフラの安全性と信頼性を維持するために、亀裂の検出が不可欠です。パイプラインは長距離に及ぶことが多く、過酷な環境条件に直面するため、圧力変化や材料疲労を引き起こし、亀裂につながる可能性があります。従来、亀裂の検出は、パイプライン検査ゲージ（ピグ）、超音波検査、X線透視検査などを用いて行われてきました。これらの亀裂が早期に発見され、修正されなければ、漏洩や爆発といった深刻な問題につながる可能性がある。この産業における亀裂は、環境と人間に大きなリスクをもたらす。

‍

コンピュータ・ビジョンを使用した亀裂セグメンテーションにより、パイプラインの状態を継続的に監視することができます。メンテナンスチームは、亀裂を早期に発見することで、タイムリーな修理を行い、潜在的な災害を防ぐことができます。

製造部品の自動検査

クラック・セグメンテーションを用いた自動検査は、製造業における品質管理に変革をもたらしつつある。従来、クラックの検出は、目視検査、染料浸透探傷検査、磁粉探傷検査によって行われていた。先進的な画像処理システムとコンピューター・ビジョン・システムを製造ラインに組み込むことで、メーカーは製造直後の部品にある小さな亀裂や欠陥も検出することができる。すべての部品がチェックされ、顧客の手元に届く前に高品質基準を満たすようにすることができる。 

自動化された検査は精度と効率を向上させ、リアルタイムでフィードバックを提供するため、生産チームは問題を迅速に修正することができます。これにより、手作業による検査の必要性が減り、高価なリコールを防ぐことができるため、コストを削減することができます。また、これらのシステムは欠陥に関する貴重なデータを収集し、パターンの特定や製造工程の改善に役立つため、より安全で信頼性の高い製品を生み出すことができます。

‍

クラック・セグメンテーションの長所と短所

ディープラーニングを使用した亀裂検出には、安全性の向上やデータに基づいた意思決定など、多くの利点があります。産業環境でひび割れ検出を使用するその他の利点を探ってみよう：

• 持続可能な実践：大規模な修理や交換の必要性を減らし、材料や資源を節約することで、持続可能な建設と維持管理をサポートします。
• 中断の最小化： 定期的なメンテナンスの際に、それほど深刻でない亀裂の修理をスケジューリングすることで、操業や使用への大きな支障を回避することができます。
• 規制の遵守 インフラストラクチャーの定期的な点検とメンテナンスを確実に行うことで、業界標準や規制要件への適合を支援します。

その利点にもかかわらず、クラック・セグメンテーションには欠点もある。初期のインフラコストが高いことは、小規模な組織にとっては懸念材料であり、システムが複雑なため、継続的なトレーニングとメンテナンスが必要である。以下は、産業用アプリケーションでクラックセグメンテーションを使用するその他の欠点である：

• 誤検出と誤検出：ひび割れを誤って特定したり、検出できなかったりする可能性があり、不必要な修理や見逃しにつながる。
• データ管理の課題： 大量のデータが発生するため、堅牢なストレージと分析ツールが必要。
• 環境要因： 極端な天候や高湿度などの外部条件は、亀裂セグメンテーションシステムの精度と信頼性に影響を与える可能性がある。
• 既存システムとの統合： ひび割れ検知技術を既存のインフラやシステムに統合することは困難であり、追加の修正やアップグレードが必要になる場合があります。

要点

ひび割れのセグメンテーションと検出は、産業インフラの安全性と耐久性を維持する上で重要な役割を果たすことができる。ディープラーニングやコンピュータビジョンなどの先進技術を使用することで、構造上の問題を早期に発見し、重大な問題に発展する前に修正することができます。このプロアクティブなアプローチは、安全性と規制基準を満たしながら、時間とコストを節約します。さらに、大規模な修理の必要性を最小限に抑えることで、持続可能な実践をサポートします。初期コストの高さや複雑さといった課題もありますが、さまざまな産業におけるひび割れセグメンテーションのメリットは、インフラの品質を維持・向上させるための貴重なツールとなっています。

AIについてもっと知りたい方は、GitHubリポジトリにアクセスし、私たちのコミュニティに参加してください。ソリューションのページでは、製造業や 農業におけるAIアプリケーションをご覧いただけます。🚀