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KR102178238B1 - Apparatus and method of defect classification using rotating kernel based on machine-learning - Google Patents

Apparatus and method of defect classification using rotating kernel based on machine-learning Download PDF

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KR102178238B1
KR102178238B1 KR1020190064008A KR20190064008A KR102178238B1 KR 102178238 B1 KR102178238 B1 KR 102178238B1 KR 1020190064008 A KR1020190064008 A KR 1020190064008A KR 20190064008 A KR20190064008 A KR 20190064008A KR 102178238 B1 KR102178238 B1 KR 102178238B1
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KR
South Korea
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feature map
rotating
product
feature
kernel
Prior art date
Application number
KR1020190064008A
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Inventor
윤종필
정대웅
신우상
구교권
김민수
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한국생산기술연구원
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Publication date
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Abstract

The present invention relates to a defect classification technique, and more particularly, to a machine learning based defect classification device using a rotating kernel for detecting and classifying defects of a product from a product input image by using a plurality of rotating kernels obtained by rotating kernels determined through learning, and a method thereof. The machine learning based defect classification device using a rotating kernel comprises a feature extraction part and a classification part.

Description

회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치 및 방법{Apparatus and method of defect classification using rotating kernel based on machine-learning}Apparatus and method of defect classification using rotating kernel based on machine-learning}

본 발명은 결함 분류 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 학습을 통해 결정된 커널을 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널을 이용하여 제품의 입력 영상으로부터 제품의 결함을 검출 및 분류하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a defect classification technology, and in particular, based on machine learning using a rotating kernel that detects and classifies defects in a product from an input image of a product using a plurality of rotating kernels obtained by rotating a kernel determined through learning. It relates to a defect classification apparatus and method.

최근 알파고와 이세돌 9단의 대결로 인공지능에 대한 관심이 크게 증가하였다. 특히 알파고의 핵심 기술로 알려진 딥러닝에 대한 학계와 산업계의 연구가 폭발적으로 증가하였다. The recent confrontation between AlphaGo and Lee Se-dol has greatly increased interest in artificial intelligence. In particular, research by academics and industries on deep learning, known as AlphaGo's core technology, has exploded.

딥러닝은 기존에 알려진 인공 신경망(Artificial Neural Network)의 여러 문제점(즉, vanishing problem, overfitting 등)을 활성함수(ReLU)의 개발과 드롭아웃(Drop-out)과 같은 알고리즘 개선으로 그 성능을 향상시켰고 또한 GPU(Graphic Processing Units)와 같은 하드웨어의 발전과 복잡한 구조를 학습시킬 수 있는 빅데이터의 힘 덕분에 최근 여러 분야에 뛰어난 성능을 발휘하고 있다. Deep learning improves the performance of known problems of artificial neural networks (i.e., vanishing problems, overfitting, etc.) by developing an activation function (ReLU) and improving algorithms such as drop-out. Also, thanks to the advancement of hardware such as GPU (Graphic Processing Units) and the power of big data to learn complex structures, it is showing excellent performance in various fields recently.

이러한 딥러닝 기술은 해외 많은 기업(구글, 페이스북, 애플, 마이크로소프트, 알리바바, 바이두)에 의해 빠르게 발전되고 있으며 얼굴인식, 음성인식, 자연어처리, 검색 서비스, 의료 등의 분야에 적용되고 있다. 이렇게 빠르게 발전하는 딥러닝의 최신 기술을 확보하고 더 나아가 응용 분야를 선점하고 빠르게 상용화 하는 것이 시급하다.These deep learning technologies are rapidly being developed by many overseas companies (Google, Facebook, Apple, Microsoft, Alibaba, Baidu) and are applied to fields such as face recognition, voice recognition, natural language processing, search services, and medical care. It is urgent to secure the latest technology of deep learning, which is rapidly developing, and to preempt the application field and commercialize it quickly.

종래의 결함 검사 장비에서 사용되는 결함 분류 방법은 도 1과 같다. A defect classification method used in a conventional defect inspection equipment is shown in FIG. 1.

알고리즘 개발자가 영상에서 분류가 잘 될 것 같은 특징을 영상처리 알고리즘으로 추출한 후 이러한 특징들을 분류기(SVM, Decision tree)로 학습한다. After the algorithm developer extracts features that are likely to be classified well in an image with an image processing algorithm, these features are learned with a classifier (SVM, Decision Tree).

조명과 카메라를 이용하여 광학 장치를 구성하고, 결함 부분에서 빛의 경로가 변함에 따라 카메라에 들어오는 빛의 양의 변화를 영상화하여 결함 부위의 S/N ratio를 높인다. 이러한 영상에서 결함 검출 알고리즘이 결함 후보를 검출하고, 결함 후보 영상에 대해 특징 추출 알고리즘과 분류 알고리즘을 이용해 결함을 검출 및 분류하게 된다. An optical device is constructed using lighting and a camera, and the S/N ratio of the defective area is increased by imaging the change in the amount of light entering the camera as the light path changes in the defective area. In such an image, a defect detection algorithm detects a defect candidate, and a defect is detected and classified using a feature extraction algorithm and a classification algorithm for the defect candidate image.

이러한 방법은 사람이 얼마나 특징 추출 알고리즘을 잘 디자인하여 특징을 추출하는지가 성능의 한계이다. 또한 선택된 특징에 따라 분류 성능이 제한적이고, 영상의 회전, 밝기 변화, 크기 변화 등에 따라 분류 성능이 달라지는 문제점이 있다. 제품별로 영상의 특징이 달라서 이를 분석하여 개발하는데, 시간이 많이 소요되는 단점도 존재한다.In this method, the limit of performance is how well a person design a feature extraction algorithm to extract features. In addition, there is a problem in that the classification performance is limited according to the selected feature, and the classification performance is changed according to rotation, brightness change, size change, etc. Since the characteristics of the video are different for each product, there is a disadvantage that it takes a lot of time to analyze and develop it.

최신 기술인 딥러닝 중 CNN 방법을 응용한 분류 알고리즘은 영상에서 인공지능이 스스로 특징을 추출하고 학습하는 방법이다. 딥러닝 기술을 응용하여 결함 분류 알고리즘을 구성하면 위의 문제를 해결할 수 있다. 다양한 딥러닝 구조 중 영상 분야에서의 딥러닝은 CNN(Convolutional Neural Network)이라는 구조가 사용된다. Among the latest technology, deep learning, the classification algorithm applying the CNN method is a method in which artificial intelligence extracts and learns features by itself from images. The above problem can be solved by constructing a defect classification algorithm by applying deep learning technology. Among various deep learning structures, a structure called CNN (Convolutional Neural Network) is used for deep learning in the image field.

CNN을 이용한 영상 분류는 CNN 스스로가 분류 성능을 높일 수 있는 특징을 추출하고 학습한다는 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하여 영상을 기반으로 하는 결함 검출 분야에 적용한다면 획기적인 성능 향상을 기대할 수 있다. Image classification using CNN has the feature that CNN itself extracts and learns features that can improve classification performance. If these features are applied to the field of image-based defect detection, a remarkable performance improvement can be expected.

일반적인 딥러닝을 이용한 분류기의 구성은 도 2와 같다. The configuration of a classifier using general deep learning is shown in FIG. 2.

입력 영상에 대해 컨벌루션 층(Convolution layer)과 활성함수(Activation function)를 적용시킨 후 나온 특징 맵(feature map)을 풀링 층(Pooling layer)을 통해 크기를 줄인 후 다음 컨벌루션 층(convolution layer)으로 전달한다. After applying a convolution layer and an activation function to the input image, the feature map is reduced in size through the pooling layer and then transferred to the next convolution layer. do.

이러한 기본 구조를 반복적으로 깊게 쌓아서 영상에서 결함 분류를 위한 특징을 효과적으로 추출하게 한다. 풀링(Pooling)은 특징 맵의 크기를 작게하여 연산량이 줄어드는 장점과 수용 영역(receptive field)을 늘려 분류에 사용되는 특징을 넓게 포함시킬 수 있는 장점이 있다. These basic structures are repeatedly deeply stacked to effectively extract features for defect classification from images. Pooling has the advantage of reducing the size of the feature map and reducing the amount of computation, and has the advantage of being able to widely include features used for classification by increasing the receptive field.

종래 딥러닝을 이용한 결함 분류의 성능 향상을 위해서는 레이어(layer)를 깊게 쌓아야 하는데, 레이어가 깊을수록 학습하기가 어려워 결함 탐상(표면 결함 검사) 성능을 확보하기 힘들다. In order to improve the performance of defect classification using deep learning in the related art, layers need to be deeply stacked, and the deeper the layer is, the more difficult it is to learn, so it is difficult to secure defect detection (surface defect inspection) performance.

따라서 레이어를 깊게 만들기 위해서는 모델을 학습하기 위한 충분한 양의 빅데이터가 필수적이다. 하지만 제조업의 특성상 모든 경우의 데이터를 확보하는 것은 현실적으로 어렵다. Therefore, in order to deepen the layer, a sufficient amount of big data to train the model is essential. However, it is practically difficult to secure data in all cases due to the nature of the manufacturing industry.

일반적으로 데이터 확대(data augmentation)를 위해 다양한 방법(예를 들어, flipping, rotation, shifting, noise 추가, blurring, shaping 등)을 사용하지만, 실제 제조업에 이러한 방법을 사용할 때는 한계가 발생한다. In general, various methods (for example, flipping, rotation, shifting, noise addition, blurring, shaping, etc.) are used for data augmentation, but there are limitations when using these methods in the actual manufacturing industry.

특히, 특정 방향의 질감(texture)이 있는 제품의 경우 영상 전체를 회전(rotation)하는 방법으로 얻은 데이터로는 성능 확보가 어렵다. 또한, 영상 전체를 회전해도 결함 전체가 회전하지 않고 결함의 일부분만 회전하는 경우 데이터를 확보할 수 없다.In particular, in the case of a product with a texture in a specific direction, it is difficult to secure performance with data obtained by rotating the entire image. In addition, even if the entire image is rotated, data cannot be obtained if the entire defect is not rotated and only a part of the defect is rotated.

따라서 적은 양의 데이터를 이용해도 우수한 결함 분류 성능을 확보할 수 있는 새로운 딥러닝 기반 결함 분류 방법을 개발할 필요가 있다. Therefore, it is necessary to develop a new deep learning-based defect classification method that can secure excellent defect classification performance even with a small amount of data.

미국등록특허 제9805303호U.S. Patent No. 985303

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 적은 양의 데이터만으로도 우수한 결함 분류 성능을 확보하는 것이다. The present invention was invented to solve the above problems, and an object of the present invention is to secure excellent defect classification performance with only a small amount of data.

이를 위하여, 본 발명에 따른 머신러닝 기반 결함 분류 장치는 학습을 통해 결정된 커널을 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널을 이용하여 제품의 입력 영상으로부터 특징 맵을 추출하는 특징 추출부와, 상기 추출한 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류하는 분류부를 포함한다. To this end, the machine learning-based defect classification apparatus according to the present invention includes a feature extraction unit that extracts a feature map from an input image of a product using a plurality of rotation kernels obtained by rotating a kernel determined through learning, and the extracted feature map. It includes a classification unit for classifying defects in the product by analyzing it.

또한, 본 발명에 따른 머신 러닝 기반 결함 분류 방법은 학습을 통해 결정된 커널을 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널을 이용하여 제품의 입력 영상으로부터 특징 맵을 추출하는 단계와, 상기 추출한 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류하는 단계를 포함한다. In addition, the machine learning-based defect classification method according to the present invention includes the steps of extracting a feature map from an input image of a product using a plurality of rotation kernels obtained by rotating a kernel determined through learning, and analyzing the extracted feature map. Classifying product defects.

또한, 본 발명에 따른 머신 러닝 기반 결함 분류 방법을 수행하는 프로그램은 컴퓨터 판독 기록매체에 저장되어, 학습을 통해 결정된 커널을 회전시켜 복수의 회전 커널을 생성하는 단계와, 상기 복수의 회전 커널을 이용하여 제품의 입력 영상으로부터 다중 특징 맵을 추출하는 단계와, 상기 추출한 다중 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링을 수행하여 특징 벡터를 생성하는 단계와, 상기 특징 벡터를 완전 연결층의 신경망을 이용해 분석하여 제품의 결함을 분류하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the program for performing the machine learning-based defect classification method according to the present invention is stored in a computer-readable recording medium, and generates a plurality of rotation kernels by rotating the kernel determined through learning, and using the plurality of rotation kernels. And extracting a multi-feature map from the input image of the product, generating a feature vector by performing a global average pooling on the extracted multi-feature map, and analyzing the feature vector using a neural network of a fully connected layer It characterized in that performing the step of classifying the defects.

상술한 바와 같이, 본 발명은 결함 분류를 위한 학습 데이터를 충분히 확보하지 못하더라도 분류기의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, the present invention has the effect of remarkably improving the performance of the classifier even if the learning data for defect classification is not sufficiently secured.

즉, 본 발명은 종래의 컨벌루션 필터(커널) 연산을 이용한 분류 방법이 아니라 회전하는 컨벌루션 필터를 이용한 딥러닝 분류 알고리즘을 사용함으로써 회전한 학습 데이터를 사용하지 않고도 결함 분류 성능을 개선할 수 있다. That is, the present invention can improve defect classification performance without using rotated learning data by using a deep learning classification algorithm using a rotating convolution filter instead of a classification method using a conventional convolutional filter (kernel) operation.

도 1은 종래 결함 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 일반적인 딥러닝 기반 분류 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치의 상세 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 방법에서 컨벌루션 및 폴링을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 방법을 나타낸 순서도.
1 is a view for explaining a conventional defect classification method.
2 is a diagram for explaining a general deep learning-based classification method.
3 is a diagram showing a schematic configuration of a machine learning-based defect classification apparatus using a rotating kernel according to the present invention
4 is a detailed configuration diagram of a machine learning-based defect classification apparatus using a rotating kernel according to the present invention.
5 is a diagram for explaining convolution and polling in a machine learning-based defect classification method using a rotating kernel according to the present invention.
6 is a flow chart showing a machine learning-based defect classification method using a rotating kernel according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The configuration of the present invention and its effect will be clearly understood through the detailed description below.

도 3은 본 발명에 따른 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다. 3 shows a schematic configuration of a machine learning-based defect classification apparatus using a rotating kernel according to the present invention.

도 3을 참조하면, 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치(이하, 결함 분류 장치)는 특징 추출부(10)와 분류부(20)를 주요 구성요소로 한다. Referring to FIG. 3, a machine learning-based defect classification apparatus using a rotating kernel (hereinafter, a defect classification apparatus) has a feature extraction unit 10 and a classification unit 20 as main components.

결함 분류 장치를 구성하는 특징 추출부(10)와 분류부(20)는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 결함 분류 장치는 제품의 결함 검출 및 분류 기능을 수행하는 모델이 적용되어 있으며 이 모델은 머신러닝 기반으로 학습된 모델이다. The feature extraction unit 10 and the classification unit 20 constituting the defect classification apparatus may be implemented in software or hardware. The defect classification device applies a model that performs defect detection and classification of products, and this model is a model learned based on machine learning.

본 발명에 따른 결함 분류 장치는 제품의 표면 결함 검사뿐만 아니라 비파괴 검사와 같은 진단 분야에도 사용될 수 있다. 또한, 스마트 팩토리(smart factory) 구현의 필수 기술로서 생산 조업 조건에 따른 제품의 품질을 판정하는데도 사용될 수 있다. The defect classification apparatus according to the present invention can be used not only for surface defect inspection of a product, but also for diagnostic fields such as non-destructive inspection. In addition, as an essential technology for implementing a smart factory, it can be used to determine the quality of a product according to production operating conditions.

특징 추출부(10)는 학습을 통해 결정된 커널(kernel)을 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널(rotating kernel)을 이용하여 제품의 입력 영상으로부터 특징 맵(feature map)을 추출한다. The feature extractor 10 extracts a feature map from an input image of a product using a plurality of rotating kernels obtained by rotating a kernel determined through learning.

특징 추출부(10)는 복수의 회전 커널을 이용하여 다중 특징 맵을 추출하는 컨벌루션 과정 및 다중 특징 맵의 크기를 축소하는 풀링 과정을 반복하여 입력 영상의 크기가 축소된 다중 특징 맵을 생성한다. The feature extraction unit 10 generates a multi-feature map in which the size of an input image is reduced by repeating a convolution process of extracting a multi-feature map using a plurality of rotation kernels and a pooling process of reducing the size of the multi-feature map.

분류부(20)는 특징 추출부(10)에서 출력된 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류한다. The classification unit 20 classifies defects of the product by analyzing the feature map output from the feature extraction unit 10.

분류부(20)는 특징 추출부(10)에서 출력된 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링(Global Average Pooling)을 수행한 후 완전 연결층(fully connected layer)의 신경망(Neural Network)을 통해 제품의 결함을 분류한다. The classification unit 20 performs global average pooling on the feature map output from the feature extraction unit 10, and then performs product defects through a neural network of a fully connected layer. Classify.

도 4는 본 발명에 따른 결함 분류 장치의 내부 구성을 상세하게 나타낸 것이다. 4 shows in detail the internal configuration of the defect classification apparatus according to the present invention.

도 4를 참조하면, 특징 추출부(10)는 복수의 컨벌루션 층(convolution layer)과 풀링 층(pooling layer)으로 구성된다. Referring to FIG. 4, the feature extraction unit 10 includes a plurality of convolution layers and a pooling layer.

컨벌루션 층에서는 회전 커널을 이용하여 특징 맵을 생성하고, 풀링 층에서는 특징 맵의 크기를 축소시킨다. 본 발명에서는 최대 풀링(max pooling)을 사용하여 특징 맵의 크기를 축소시킬 수 있다. In the convolutional layer, a feature map is generated using a rotation kernel, and in the pooling layer, the size of the feature map is reduced. In the present invention, the size of the feature map can be reduced by using max pooling.

특징 추출부(10)는 이러한 컨벌루션 및 풀링 과정을 여러 번 수행면서 다중 특징 맵을 생성하게 된다. The feature extraction unit 10 generates multiple feature maps while performing the convolution and pooling process several times.

도 5는 컨벌루션 및 풀링 과정을 설명하기 위해 도시된 것이다. 5 is a diagram illustrating a convolution and pooling process.

도 5를 참조하면, 컨벌루션 층에서 먼저 입력 영상(m × m × k)이 n개의 커널(h × h × k)과 컨벌루션된다. Referring to FIG. 5, in the convolutional layer, an input image (m × m × k) is first convolved with n kernels (h × h × k).

n개의 커널은 딥러닝 학습에 의해 결정된 커널들이 다양한 방향으로 회전되어 얻어진 커널들이다. The n kernels are kernels obtained by rotating kernels determined by deep learning learning in various directions.

이러한 회전 커널을 이용하게 되면 종래 모델에서 학습 데이터를 회전하여 얻은 많은 양의 데이터를 대체하여 적은 양의 학습 데이터를 가지고도 회전된 다양한 특징 맵을 얻을 수 있는 효과가 있다. If such a rotation kernel is used, it is possible to obtain various rotated feature maps even with a small amount of training data by replacing a large amount of data obtained by rotating training data in a conventional model.

입력 영상과 n개의 커널이 컨벌루션되면 n개의 다중 특징 맵(m′× m′× k)이 생성된다. 즉, 각 회전 커널이 입력 영상과 컨벌루션된 값 중에서 최대 값을 선택하여 그 최대값으로 특징 맵을 구성하게 된다. When the input image and n kernels are convolved, n multiple feature maps (m'×m'×k) are generated. That is, each rotation kernel selects the maximum value from the input image and the convolved value, and constructs a feature map with the maximum value.

n개의 다중 특징 맵은 활성함수(예를 들어, ReLU)를 거친다. 특징 맵의 요소마다 독립적으로 활성함수를 적용하므로 특징 맵은 m′× m′× k 크기를 유지한다. The n multiple feature maps go through an activation function (eg, ReLU). Since the activation function is independently applied for each element of the feature map, the feature map maintains the size of m'×m'×k.

활성함수(τ)를 거친 특징 맵은 풀링 층에서 풀링되면서 특징 맵의 크기가 축소되어, m″ × m″ × k 크기의 특징 맵으로 출력된다. The feature map that has passed the activation function (τ) is pooled in the pooling layer, reducing the size of the feature map, and outputting it as a feature map of size m″×m″×k.

이러한 컨벌루션 및 풀링이 여러 번 반복적으로 수행되면서 최종의 특징 맵이 출력된다. As such convolution and pooling are repeatedly performed several times, a final feature map is output.

특징 추출부(10)에서 최종적으로 출력된 다중 특징 맵은 분류부(20)로 입력되어 분석되는데, 먼저 전역 평균 풀링층(GAP)(Global Average Pooling layer)(26)에서 전역 평균 풀링이 수행되어 다중 특징 맵이 일정 크기의 특징 벡터로 출력된다. The multi-feature map finally output from the feature extraction unit 10 is input to the classification unit 20 and analyzed. First, the global average pooling is performed in the global average pooling layer (GAP) 26 Multiple feature maps are output as feature vectors of a certain size.

전역 평균 풀링층을 통해 생성된 특징 벡터는 최종 분류하고자 하는 결함의 종류의 수와 동일한 크기의 완전 연결층(FC)(Fully Connected layer)과 연결되고 활성함수(softmax)를 거쳐 최종적으로 결함 분류 결과가 출력된다. 즉, 특징 벡터의 원소 값이 완전 연결층의 신경망을 거치면서 제품의 결함 분류가 수행된다. The feature vector generated through the global average pooling layer is connected to a fully connected layer (FC) having the same size as the number of defect types to be classified, and finally the defect classification result through an activation function (softmax). Is displayed. That is, defect classification of the product is performed while the element value of the feature vector passes through the neural network of the fully connected layer.

도 6은 본 발명에 따른 결함 분류 방법을 나타낸 것이다. 6 shows a defect classification method according to the present invention.

도 6을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 결함 분류 장치를 머신러닝 기반으로 학습하기 위한 학습 단계(S10)를 수행한다. Referring to FIG. 6, first, a learning step (S10) for learning a defect classification apparatus according to the present invention based on machine learning is performed.

학습 단계(S10)에서는 결함 종류가 태깅된 제품 영상을 학습 데이터로 사용하여 딥러닝 모델을 학습시킨다. 즉, 딥러닝 모델을 학습시켜 가면서 컨벌루션 신경망(CNN)의 필터(커널) 값, 신경망(Deep Multi-Layer Perceptron)의 가중치(weight) 등을 결정한다. 이와 같이 학습 단계(S10)를 통해 본 발명에 의한 복수의 회전 커널을 획득할 수 있다. In the learning step (S10), the deep learning model is trained using the product image tagged with the defect type as training data. That is, while training the deep learning model, the filter (kernel) value of the convolutional neural network (CNN) and the weight of the neural network (Deep Multi-Layer Perceptron) are determined. In this way, through the learning step (S10), a plurality of rotation kernels according to the present invention may be obtained.

특징 맵 추출 단계(S20)에서는 학습 단계(S10)에서 획득한 복수의 회전 커널을 이용해 입력 영상으로부터 특징 맵을 추출한다. 즉, 복수의 회전 커널을 이용하여 특징 맵을 추출하는 컨벌루션 과정 및 특징 맵의 크기를 축소하는 풀링 과정을 반복하여 다중 특징 맵을 추출하게 된다. In the feature map extraction step S20, a feature map is extracted from an input image using a plurality of rotation kernels obtained in the learning step S10. That is, multiple feature maps are extracted by repeating a convolution process for extracting a feature map using a plurality of rotation kernels and a pooling process for reducing a size of the feature map.

분류 단계(S30)에서는 다중 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류한다. 즉, 추출한 다중 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링을 수행한 후 완전 연결층의 신경망을 통해 제품의 결함을 분류한다. In the classification step S30, defects of the product are classified by analyzing multiple feature maps. That is, after performing global average pooling on the extracted multiple feature maps, defects of the product are classified through a neural network of a fully connected layer.

본 발명에 따른 결함 분류 방법의 성능 검증을 위해 인텔 i7-7700k CPU, 타이탄 XP GPU 및 32G 메모리를 가진 컴퓨터(PC)를 이용해 실험하였다. 학습을 위해 배치(batch) 크기는 128, 학습율(learning rate)는 0.01이고, 경사하강법(Gradient Descent)이 최적화 도구로 사용되었다. 정규화를 위한 가중치 감쇠율(weight decay rate)은 0.0001로 설정되었다. In order to verify the performance of the defect classification method according to the present invention, an experiment was performed using a computer (PC) having an Intel i7-7700k CPU, Titan XP GPU, and 32G memory. For learning, the batch size was 128, the learning rate was 0.01, and gradient descent was used as an optimization tool. The weight decay rate for normalization was set to 0.0001.

이 실험에서 사용 된 데이터 세트는 (MNIST, MNIST-rot36)이다. 이 데이터 세트는 과거에 제안된 회전 불변 특성의 모델에 대한 성능 검증을 확인하는데 사용된 것이다. The data set used in this experiment is (MNIST, MNIST-rot36). This data set has been used to verify the performance verification of a model of rotation invariant properties proposed in the past.

(MNIST, MNIST-rot36) 데이터 세트는 기본 MNIST로 구성되며, 테스트 세트는 360 방향으로 일정하게 회전된 MNIST 테스트 세트로 구성된다. (MNIST, MNIST-rot36) The data set consists of the basic MNIST, and the test set consists of the MNIST test set constantly rotated in the 360 direction.

표 1은 본 발명에 따른 결함 분류 방법과 종래의 딥러닝을 이용한 방법의 결함 분류 에러율을 나타낸 것이다. Table 1 shows the defect classification error rate of the defect classification method according to the present invention and the conventional deep learning method.

표 1을 보면, 종래 딥러닝 방식에서는 에러율이 57.15%이지만, 본 발명의 방식을 사용하면 에러율이 16.67%로 감소된다는 것을 알 수 있다. Referring to Table 1, in the conventional deep learning method, the error rate is 57.15%, but it can be seen that the error rate is reduced to 16.67% when the method of the present invention is used.

방식system Error(%)Error(%) Baseline(CNN)Baseline (CNN) 57.15%57.15% 회전커널 방식Rotary kernel method 15.67%15.67%

즉, 종래 방식이 아닌 회전하는 컨벌루션 필터를 이용한 딥러닝 분류 알고리즘을 사용함으로써 결함 분류 성능이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있다. That is, it can be seen that there is an effect of improving defect classification performance by using a deep learning classification algorithm using a rotating convolutional filter rather than a conventional method.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. The above description is only illustrative of the present invention, and various modifications may be made without departing from the technical spirit of the present invention by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs.

따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다. Therefore, the embodiments disclosed in the specification of the present invention do not limit the present invention. The scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technologies within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

10: 특징 추출부 20: 분류부10: feature extraction unit 20: classification unit

Claims (8)

학습을 통해 결정된 커널을 45도씩 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널을 이용하여 제품에 대한 한 개의 입력 영상으로부터 입력 영상을 회전시켜 생성되는 복수의 입력 영상에 대한 특징 맵과 대응하는 다중 특징 맵을 추출하는 특징 추출부와,
상기 추출한 다중 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류하는 분류부를 포함하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치.
Using a plurality of rotation kernels obtained by rotating the kernel determined through learning by 45 degrees, a feature map for a plurality of input images generated by rotating an input image for a product and a corresponding multi-feature map is extracted from a single input image for a product. A feature extraction unit that
Machine learning-based defect classification apparatus using a rotating kernel including a classification unit for classifying product defects by analyzing the extracted multiple feature maps.
제1항에 있어서,
상기 특징 추출부는 복수의 회전 커널을 이용하여 다중 특징 맵을 추출하는 컨벌루션 과정 및 다중 특징 맵의 크기를 축소하는 풀링 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치.
The method of claim 1,
The feature extracting unit repeats a convolution process for extracting a multi-feature map using a plurality of rotation kernels and a pulling process for reducing a size of the multi-feature map.
제1항에 있어서,
상기 분류부는 상기 특징 추출부에서 출력된 다중 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링을 수행한 후 완전 연결층의 신경망을 통해 제품의 결함을 분류하는 것을 특징으로 하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 장치.
The method of claim 1,
The classification unit classifies defects of a product through a neural network of a fully connected layer after performing global average pooling on the multiple feature maps output from the feature extraction unit.
학습을 통해 결정된 커널을 45도씩 회전시켜 획득한 복수의 회전 커널을 이용하여 제품에 대한 한 개의 입력 영상으로부터 입력 영상을 회전시켜 생성되는 복수의 입력 영상에 대한 특징 맵과 대응하는 다중 특징 맵을 추출하는 단계와,
상기 추출한 다중 특징 맵을 분석하여 제품의 결함을 분류하는 단계를 포함하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 방법.
Using a plurality of rotation kernels obtained by rotating the kernel determined through learning by 45 degrees, a feature map for a plurality of input images generated by rotating an input image for a product and a corresponding multi-feature map is extracted from a single input image for a product. And the steps to do,
Machine learning-based defect classification method using a rotating kernel comprising the step of classifying defects of a product by analyzing the extracted multiple feature maps.
제4항에 있어서,
상기 다중 특징 맵을 추출하는 단계는 복수의 회전 커널을 이용하여 다중 특징 맵을 추출하는 컨벌루션 과정 및 다중 특징 맵의 크기를 축소하는 풀링 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 방법.
The method of claim 4,
In the extracting of the multi-feature map, a convolution process of extracting a multi-feature map using a plurality of rotation kernels and a pooling process of reducing the size of the multi-feature map are repeated. Classification method.
제4항에 있어서,
상기 결함을 분류하는 단계는 상기 추출한 다중 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링을 수행한 후 완전 연결층의 신경망을 통해 제품의 결함을 분류하는 것을 특징으로 하는 회전 커널을 이용한 머신러닝 기반 결함 분류 방법.
The method of claim 4,
In the step of classifying the defects, the defect classification method based on machine learning using a rotating kernel, characterized in that after performing global average pooling on the extracted multiple feature maps, defects of a product are classified through a neural network of a fully connected layer.
학습을 통해 결정된 커널을 45도씩 회전시켜 복수의 회전 커널을 생성하는 단계와,
상기 복수의 회전 커널을 이용하여 제품에 대한 한 개의 입력 영상으로부터 입력 영상을 회전시켜 생성되는 복수의 입력 영상에 대한 특징 맵과 대응하는 다중 특징 맵을 추출하는 단계와,
상기 추출한 다중 특징 맵에 대해 전역 평균 풀링을 수행하여 특징 벡터를 생성하는 단계와,
상기 특징 벡터를 완전 연결층의 신경망을 이용해 분석하여 제품의 결함을 분류하는 단계를 수행하기 위한 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 기록매체.
Generating a plurality of rotation kernels by rotating the kernel determined through learning by 45 degrees,
Extracting a feature map for a plurality of input images generated by rotating an input image from one input image for a product using the plurality of rotation kernels and a multi-feature map corresponding to the plurality of input images;
Generating feature vectors by performing global average pooling on the extracted multiple feature maps; and
A computer-readable recording medium storing a program for performing the step of classifying defects of a product by analyzing the feature vector using a neural network of a fully connected layer.
제7항에 있어서,
상기 다중 특징 맵을 추출하는 단계는 각 회전 커널(h × h × k)이 입력 영상(m × m × k)과 컨벌루션된 값 중에서 최대 값을 선택하여 특징 맵을 생성하는 것을 특징으로 하는 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 기록매체.
The method of claim 7,
In the step of extracting the multi-feature map, each rotation kernel (h × h × k) selects a maximum value from the input image (m × m × k) and the convolved value to generate a feature map. Stored computer-readable recording medium.
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