Tecniche di Visione Artificiale e Pattern Recognition per l ......Visione Artificiale: l’analisi...

12
Tecniche di Visione Artifi Tessiture su superfici cer R. Cucchiara, S. Calderara Imagelab- Dipartimento di Ingegner Università di Modena e Reggio Emili 1. Introduzione Da più di vent’anni, l’analisi di im produttivo ceramico, specialmente Inspection (AVI) sono state sviluppa quali la Visione Artificiale e la Patte La prima, si occupa di modelli e t biologico, e quindi studia tutte le te contorni e forme poi impiegate in p strumenti, soprattutto statistici, pe grandi quantità di dati misurati, com Molteplici problemi che influiscon Visione Artificiale: l’analisi dimensio spigoli); l’analisi di difettosità locali delle tessiture. Le tecniche di analisi automatica di ‘80 tanto che l’industria modenese e l’analisi di difetti locali su superfici d sono risultati di studi scientifici inizi tecniche per l’analisi di crepe [2] g uniformità del colore di superfici ce strumenti specifici quali spettromet istogrammi [3]. L’analisi del colore è un campo mo restituzione visiva (ad esempio pe calcolatore), Image Processing e la iciale e Pattern Recognition per l’a ramiche ria dell’Informazione ia mmagini al calcolatore è uno strumento prezio e nella fase di ispezione visiva. Queste tecnich ate nell’ambito di due discipline ormai affermate ern Recognition. tecniche per emulare il comportamento visivo ecniche al calcolatore per estrarre primitive visua processi per la comprensione e il riconoscimento er analizzare, classificare ed individuare patte me le suddette primitive visuali estratte dalle imm no la qualità del prodotto ceramico possono e onale, per la identificazione delle difettosità geo ( quali crepe o gocce o porosità), l’analisi di tona i immagini per l’integrità geometrica sono ben c e’ leader mondiale per la produzione di sistemi d di colore uniforme e’ un problema stabilmente r iati negli anni ’70 , [1], e sviluppati negli anni ’80 generalizzate su diverse superfici. Anche l’analisi eramiche e’ un problema affrontato in dettaglio tri e interferometri e con algoritmi immagini digit olto interessante che interseca diverse discipline er la stampa fedele su carta e su ceramica d Visione Artificiale per il controllo e la scelta del c analisi di oso durante il processo he di Automated Visual e nel mondo informatico o proprio di un sistema ali, quali colori, tessiture, o. La seconda si avvale di ern e modelli definiti in magini. essere risolti grazie alla ometriche (ad es. bordi e alità e di colore e l’analisi consolidate fin dagli anni di controllo; ugualmente risolto. Queste soluzioni e ‘90, come ad esempio i tonale della qualità ed o attraverso l’analisi con tali soprattutto basati su e come l’Imaging per la di serigrafie definite al colore. In questo caso si

Transcript of Tecniche di Visione Artificiale e Pattern Recognition per l ......Visione Artificiale: l’analisi...

  • Tecniche di Visione Artificiale e Pattern Recognition per l’analisi

    Tessiture su superfici ceramiche

    R. Cucchiara, S. Calderara

    Imagelab- Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

    Università di Modena e Reggio Emilia

    1. Introduzione Da più di vent’anni, l’analisi di immagini al calcolatore è uno strumento prezioso durante il processo

    produttivo ceramico, specialmente nella fase di ispezione visiva.

    Inspection (AVI) sono state sviluppate nell’ambito di due dis

    quali la Visione Artificiale e la Patter

    La prima, si occupa di modelli e tecniche per emular

    biologico, e quindi studia tutte le tecniche al calcol

    contorni e forme poi impiegate in processi per la comprensione e il riconoscimento. La seconda si avvale di

    strumenti, soprattutto statistici, per analizz

    grandi quantità di dati misurati, come le

    Molteplici problemi che influiscono la qualità del prodotto ceramico possono essere risolti grazie alla

    Visione Artificiale: l’analisi dimensionale, per la identificazione delle difettosità geometriche (ad es. bordi e

    spigoli); l’analisi di difettosità locali ( quali crepe o gocce o porosità), l’analisi di tonalità e di colore e l’analisi

    delle tessiture.

    Le tecniche di analisi automatica di immagini per l’integrità geometrica sono ben consolidate fin dagli anni

    ‘80 tanto che l’industria modenese e’ leader mondiale per la produzione di sistemi di controllo; ugualmente

    l’analisi di difetti locali su superfici di colore uniforme e’ un problema

    sono risultati di studi scientifici iniziati negli anni ’70 , [1], e sviluppati negli anni ’80 e ‘90, come ad esempio

    tecniche per l’analisi di crepe [2] generalizzate su diverse superfici. Anche l’analisi tonale dell

    uniformità del colore di superfici ceramiche e’ un problema affrontato in dettaglio attraverso l’analisi con

    strumenti specifici quali spettrometri e interferometri e con algoritmi immagini digitali soprattutto basati su

    istogrammi [3].

    L’analisi del colore è un campo molto interessante che interseca

    restituzione visiva (ad esempio per la stampa fedele su carta e su ceramica di ser

    calcolatore), Image Processing e la

    Visione Artificiale e Pattern Recognition per l’analisi

    essiture su superfici ceramiche

    Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione

    Università di Modena e Reggio Emilia

    l’analisi di immagini al calcolatore è uno strumento prezioso durante il processo

    produttivo ceramico, specialmente nella fase di ispezione visiva. Queste tecniche di Automated Visual

    Inspection (AVI) sono state sviluppate nell’ambito di due discipline ormai affermate nel mondo informatico

    Pattern Recognition.

    La prima, si occupa di modelli e tecniche per emulare il comportamento visivo proprio di un sistema

    biologico, e quindi studia tutte le tecniche al calcolatore per estrarre primitive visuali

    in processi per la comprensione e il riconoscimento. La seconda si avvale di

    statistici, per analizzare, classificare ed individuare patter

    grandi quantità di dati misurati, come le suddette primitive visuali estratte dalle immagini.

    Molteplici problemi che influiscono la qualità del prodotto ceramico possono essere risolti grazie alla

    ensionale, per la identificazione delle difettosità geometriche (ad es. bordi e

    spigoli); l’analisi di difettosità locali ( quali crepe o gocce o porosità), l’analisi di tonalità e di colore e l’analisi

    i immagini per l’integrità geometrica sono ben consolidate fin dagli anni

    ‘80 tanto che l’industria modenese e’ leader mondiale per la produzione di sistemi di controllo; ugualmente

    l’analisi di difetti locali su superfici di colore uniforme e’ un problema stabilmente risolto. Queste soluzioni

    sono risultati di studi scientifici iniziati negli anni ’70 , [1], e sviluppati negli anni ’80 e ‘90, come ad esempio

    tecniche per l’analisi di crepe [2] generalizzate su diverse superfici. Anche l’analisi tonale dell

    uniformità del colore di superfici ceramiche e’ un problema affrontato in dettaglio attraverso l’analisi con

    strumenti specifici quali spettrometri e interferometri e con algoritmi immagini digitali soprattutto basati su

    un campo molto interessante che interseca diverse discipline come

    restituzione visiva (ad esempio per la stampa fedele su carta e su ceramica di ser

    la Visione Artificiale per il controllo e la scelta del colore. In questo caso si

    Visione Artificiale e Pattern Recognition per l’analisi di

    l’analisi di immagini al calcolatore è uno strumento prezioso durante il processo

    tecniche di Automated Visual

    cipline ormai affermate nel mondo informatico

    visivo proprio di un sistema

    re per estrarre primitive visuali, quali colori, tessiture,

    in processi per la comprensione e il riconoscimento. La seconda si avvale di

    are, classificare ed individuare pattern e modelli definiti in

    primitive visuali estratte dalle immagini.

    Molteplici problemi che influiscono la qualità del prodotto ceramico possono essere risolti grazie alla

    ensionale, per la identificazione delle difettosità geometriche (ad es. bordi e

    spigoli); l’analisi di difettosità locali ( quali crepe o gocce o porosità), l’analisi di tonalità e di colore e l’analisi

    i immagini per l’integrità geometrica sono ben consolidate fin dagli anni

    ‘80 tanto che l’industria modenese e’ leader mondiale per la produzione di sistemi di controllo; ugualmente

    stabilmente risolto. Queste soluzioni

    sono risultati di studi scientifici iniziati negli anni ’70 , [1], e sviluppati negli anni ’80 e ‘90, come ad esempio

    tecniche per l’analisi di crepe [2] generalizzate su diverse superfici. Anche l’analisi tonale della qualità ed

    uniformità del colore di superfici ceramiche e’ un problema affrontato in dettaglio attraverso l’analisi con

    strumenti specifici quali spettrometri e interferometri e con algoritmi immagini digitali soprattutto basati su

    diverse discipline come l’Imaging per la

    restituzione visiva (ad esempio per la stampa fedele su carta e su ceramica di serigrafie definite al

    per il controllo e la scelta del colore. In questo caso si

  • deve prestare attenzione all’immenso panorama di spazi colore nati per descrivere la natura fisica del

    colore ( es. CIE LAB) , la restituzione a monitor (es

    (es. YCbCr) o l’ emulazione della percezione umana (es

    Lo studio dell’ispezione superficiale

    significativi progressi; negli ultimi anni gli sforzi si sono concentrati sulle analisi di tessiture non uniformi

    periodiche che casuali, decisamente

    In questo lavoro vogliamo soffermarci sulle nuove tecniche di visione dedicate alle tessiture, valutando

    tipo di problema b) le metodologie di estrazioni di primitive visuali

    associate. Per quel che riguarda il primo punto

    1. deviazioni locali della tessitura

    disegno e riportate sulla superficie, visibili sull’immagini digitale. A questa categoria

    le difettosità standard che devono essere valutate sulle superfici ceram

    dalle trame e tessiture più o meno complesse.

    2. deviazioni di carattere globale

    anomalie di carattere locale. Tale

    tonalità.

    A seconda del problema devono essere estratte primitive visuali diverse come descritto nei paragrafi

    successivi. Per quel che riguarda il terzo punto invece

    1. classificazione (supervisionata) i campioni vengono divisi in modelli o in classi e dato un nuovo

    campione deve essere riconosciuto a quale modello o classe appartiene. Questi classici problemi di

    classificazione possono essere impiegati sia per applicazioni di smistamento, packaging o

    dei prodotti sia per la definizione delle scelte durante il processo produttivo

    2. analisi di anomalie: in questo caso i dati di training in genere in numero limitati vengono elaborati al

    fine di definire uno o più modelli di riferimento, anche co

    clustering. Il problema consiste nell’individuare se il campione ispezionato

    o si tratta di un’anomalia ( sia essa deviazione locale o globale)

    deve prestare attenzione all’immenso panorama di spazi colore nati per descrivere la natura fisica del

    LAB) , la restituzione a monitor (es. CIE XYZ, RGB, s-RGB), la trasmission

    emulazione della percezione umana (es. HSV; HLS).

    Fig. 1 Esempi di spazi colore.

    Lo studio dell’ispezione superficiale di difettosità e colore dagli anni ottanta ad ora ha

    ; negli ultimi anni gli sforzi si sono concentrati sulle analisi di tessiture non uniformi

    , decisamente più complesse da essere elaborate al calcolatore in modo automatico

    arci sulle nuove tecniche di visione dedicate alle tessiture, valutando

    le metodologie di estrazioni di primitive visuali c) le tecniche di pattern recognition

    primo punto, l’analisi di tessiture si può dividere in due categorie:

    deviazioni locali della tessitura quali irregolarità nella trama o brusche rotture e imperfezioni nel

    gno e riportate sulla superficie, visibili sull’immagini digitale. A questa categoria

    standard che devono essere valutate sulle superfici ceramiche, cercando di differenziarle

    dalle trame e tessiture più o meno complesse.

    globale sia di colore che di tessitura senza che siano presenti particolari

    tere locale. Tale difettosità viene definite anche ombreggiatura

    A seconda del problema devono essere estratte primitive visuali diverse come descritto nei paragrafi

    . Per quel che riguarda il terzo punto invece bisogna distinguere tra

    ) i campioni vengono divisi in modelli o in classi e dato un nuovo

    campione deve essere riconosciuto a quale modello o classe appartiene. Questi classici problemi di

    classificazione possono essere impiegati sia per applicazioni di smistamento, packaging o

    la definizione delle scelte durante il processo produttivo

    questo caso i dati di training in genere in numero limitati vengono elaborati al

    modelli di riferimento, anche con classificazione non supervisionata o

    clustering. Il problema consiste nell’individuare se il campione ispezionato sia compatibile col modello

    o si tratta di un’anomalia ( sia essa deviazione locale o globale)

    deve prestare attenzione all’immenso panorama di spazi colore nati per descrivere la natura fisica del

    RGB), la trasmissione e la compressione

    di difettosità e colore dagli anni ottanta ad ora ha conseguito

    ; negli ultimi anni gli sforzi si sono concentrati sulle analisi di tessiture non uniformi sia

    complesse da essere elaborate al calcolatore in modo automatico.

    arci sulle nuove tecniche di visione dedicate alle tessiture, valutando a) il

    le tecniche di pattern recognition

    in due categorie:

    quali irregolarità nella trama o brusche rotture e imperfezioni nel

    gno e riportate sulla superficie, visibili sull’immagini digitale. A questa categoria fanno riferimento

    iche, cercando di differenziarle

    sia di colore che di tessitura senza che siano presenti particolari

    ombreggiatura o variazione di

    A seconda del problema devono essere estratte primitive visuali diverse come descritto nei paragrafi

    ) i campioni vengono divisi in modelli o in classi e dato un nuovo

    campione deve essere riconosciuto a quale modello o classe appartiene. Questi classici problemi di

    classificazione possono essere impiegati sia per applicazioni di smistamento, packaging o ordinamento

    questo caso i dati di training in genere in numero limitati vengono elaborati al

    n classificazione non supervisionata o

    compatibile col modello

  • Questo problema verrà brevemente discusso

    sull’argomento e sulle tecniche correlate,

    3. Analisi di tessitura: operatori per deviazioni locali

    Le tecniche per rilevare i difetti locali della tessitura, che comprendono crepe, imperfezioni qua

    gocce oppure irregolarità della trama come mostrato in Fig. 2

    quattro categorie: tecniche statistiche, tecniche strutturali, approcci basati su filt

    modello.

    Fig. 2 Esempi di difetti locali: Immagine a sinistra: bolla

    Fig. 3 Possibili approcci per l'individuazione di difetti di trama di tipo locale

    2.1 Metodi statistici

    Gli approcci statistici analizzano con metodi matematici la distribuzione dei pixel all’interno dell’immagine

    rilevando variazioni rispetto a un campione di riferimento o anomalie rispetto

    statistica dell’intensità all’interno dell’immagine. Tali metodi nella maggior parte operano in scala di grigi e

    possono sfruttare statistiche del primo ordine quali media

    probabilità o statistiche di ordine superiore quali la varianza,

    occorrenza …

    brevemente discusso nell’ultima parte, ma esiste una vasta letteratura

    o e sulle tecniche correlate, ad es. [5].

    Analisi di tessitura: operatori per deviazioni locali

    Le tecniche per rilevare i difetti locali della tessitura, che comprendono crepe, imperfezioni qua

    la trama come mostrato in Fig. 2, sono convenzionalmente raggruppate in

    statistiche, tecniche strutturali, approcci basati su filt

    Esempi di difetti locali: Immagine a sinistra: bolla; immagine centrale crepa in scala di grigi; Immagine a destra: Crepa e

    variazione di tonalità.

    Possibili approcci per l'individuazione di difetti di trama di tipo locale

    Gli approcci statistici analizzano con metodi matematici la distribuzione dei pixel all’interno dell’immagine

    rilevando variazioni rispetto a un campione di riferimento o anomalie rispetto la normale distribuzione

    nsità all’interno dell’immagine. Tali metodi nella maggior parte operano in scala di grigi e

    possono sfruttare statistiche del primo ordine quali media, moda e mediana di una distribuzione di

    probabilità o statistiche di ordine superiore quali la varianza, la deviazione standard le matrici di co

    l’ultima parte, ma esiste una vasta letteratura

    Le tecniche per rilevare i difetti locali della tessitura, che comprendono crepe, imperfezioni quali bolle o

    , sono convenzionalmente raggruppate in

    statistiche, tecniche strutturali, approcci basati su filtri e approcci basati su

    ; immagine centrale crepa in scala di grigi; Immagine a destra: Crepa e

    Possibili approcci per l'individuazione di difetti di trama di tipo locale

    Gli approcci statistici analizzano con metodi matematici la distribuzione dei pixel all’interno dell’immagine

    la normale distribuzione

    nsità all’interno dell’immagine. Tali metodi nella maggior parte operano in scala di grigi e

    moda e mediana di una distribuzione di

    la deviazione standard le matrici di co-

  • La più semplice descrizione discreta della distribuzione dell’intensità luminosa dei pixel all’interno di una

    immagine è l’istogramma. Esso viene utilizzato per ottenere una distribuzione discreta che descrive

    l’andamento dell’intera immagine. Tramite gli istogrammi è possibile analizzare eventuali variazioni di

    intensità dovute a crepe o macchie, utilizzando la statistica del primo ordine, oppure confrontare due

    istogrammi per rilevare difetti di carattere globale come le variazioni tonali [7].

    Fig. 4: a) immagine originale. b) istogramma dell'immagine. c) evidenziazione della difettosità

    Un importate elemento per la classificazione della tessitura e ampiamente utilizzato per l’analisi di

    materiale ceramico sono le matrici di co-occorrenza (GrayLevel Co-occurence Matrices). Tali matrici sono

    ottenute valutando le dipendenze spaziali di due livelli di grigio differenti in una immagine data una

    direzione di riferimento, come mostrato in Fig.6. Una volta calcolata la matrice di co-occorrenza, data una

    specifica direzione, statistiche del secondo ordine e di ordini superiori quali l’entropia, l’energia e la

    correlazione possono essere utilizzate per evidenziare eventuali difetti [9]. Pur essendo largamente

    utilizzate le matrici di co-occorrenza hanno il significativo problema di dipendere da direzioni specifiche che

    devono essere fornite a priori. Non esiste una direzione ottima in grado di rilevare ogni tipo di difettosità

    pertanto devono essere calcolate diverse matrici per ogni immagine analizzata.

    livarinen in [10] ha mostrato come sia possibile ottenere risultati comparabili in termini di rilevazioni dei

    difetti per materiale ceramico utilizzando come elemento discriminante il Local Binary Pattern (LBP)

    estremamente più semplice da calcolare e meno oneroso computazionalmente. Tale descrittore consiste in

    una matrice ottenuta facendo scorrere una finestra di dimensioni fisse sull’immagine ed utilizzando il

    livello di grigio del pixel centrale come soglia all’interno della finestra. Ad ogni centro viene quindi sostituito

    il numero di elementi della finestra risultanti dall’operazione di sogliatura. Un esempio e’ mostrato in Fig. 5.

  • Fig. 5 Differenti pattern di tessitura di piastrelle evidenziati applicando l'operatore LBP

  • Fig. 6 A sinistra: immagini di riferimento con tessitura simile e relative matrici di co-occorrenza. A destra: immagine da

    confrontare con relativa matrice di co-occorrenza. Sotto: risultato del confronto dove si evidenzia come l’immagine avente

    tessitura di tipo b risulta distinta dal cluster formato dalle immagini aventi tessitura di tipo a.

    2.2 Metodi strutturali

    Negli approcci strutturali la tessitura viene analizzata utilizzando gli elementi primitivi che la compongono

    quali punti o linee e sfruttando le relazioni spaziali tra essi. Tali approcci per la loro semplicità sono stati i

    più utilizzati negli anni ’80, ma l’estrazione degli elementi primitivi risulta fortemente influenzata dal

    rumore di acquisizione e non particolarmente discriminante per l’analisi delle tessiture più complesse.

    2.3 Metodi basati su filtri

    La totalità delle tecniche di analisi della tessitura presenti in questa categoria sono basate sull’applicazione

    di uno o più filtri all’immagine della piastrella per evidenziare particolari aree di interesse. Tali tecniche a

    seconda del tipo di filtro applicato possono operare nel dominio delle frequenze, dello spazio o in

    entrambi.

    Tra i possibili filtri nel dominio dello spazio sono degni di nota i filtri per il calcolo del gradiente, degli edge

    di una immagine o di punti isolati come Canny, Sobel, Laplace e Deriche. Filtri basati su autovettori

    (eigenfilters) sono stati recentemente applicati all’analisi della tessitura di materiale ceramico [11], tali

  • filtraggi, essendo basati sull’autospazio indotto dagli autovettori di una immagine hanno l’importante

    proprietà di fornire come immagini risultanti del filtraggio una serie di immagini ortogonali tra loro.

    Per quanto concerne i filtri nel dominio delle frequenze sicuramente la trasformazione più utilizzata

    nell’analisi della tessitura è la trasformata di Fourier [12]. L’immagine della superficie da analizzare viene

    trasformata nel dominio delle frequenze e successivamente opportuni filtraggi sono applicati per

    evidenziare irregolarità nella tessitura. Tali tecniche basate sulla trasformata di Fourier sono efficaci

    soltanto nel caso di tessiture che godono di un certo grado di periodicità ma non sono efficaci nel caso di

    tessiture casuali.

    Fig. 7 Risposta Reale e Immaginaria ai filtri di Gabor di due piastrelle aventi tessiture differenti

    Per quanto concerne le trasformate nel dominio congiunto dello spazio e delle frequenze le più utilizzate

    sono la trasformata di Gabor Fig. 7, che consiste nell’applicare la trasformata di Fourier su finestre spaziali

    dell’immagine di tipo Gaussiano, e la trasformata wavelet[14]. Applicate tali trasformazioni un approccio

    consueto consiste nell’analizzare l’energia dell’immagine e in particolare individuare zone aventi energia

    differente rispetto a quella dell’immagine nel suo complesso come mostrato in Fig. 8.

  • Fig. 8 Analisi dell'energia di una immagine per l'individuazione di una crepa utilizzando la trasformata wavelet. I picchi nel

    grafico tridimensionale dell'energia evidenziano la presenza di un difetto che interrompe una tessitura uniforme.

    2.4 Metodi basati su modelli

    I metodi basati su modelli consistono nell’utilizzo di modelli matematici parametrici per l’analisi della

    tessitura quali i frattali, i modelli autoregressivi[16], random fields[17] e più recentemente su modelli

    basati su elementi di tessitura definiti texem(texture exemplars)[21].

    Tali approcci particolarmente complessi sono molto interessanti anche se computazionalmente molto

    onerosi da adottare per un controllo in linea ma potranno essere di interesse per i sistemi con processori

    avanzati delle prossime generazioni.

    2.5 Studi comparativi per l’analisi di difetti locali su materiale ceramico

    Per l’analisi di materiale ceramico la scelta dell’approccio più conveniente è subordinata a numerosi fattori

    quali il tipo di superficie da analizzare, la potenza di calcolo e il tempo a disposizione per compiere le

    analisi, il sistema di acquisizione e la risoluzione delle immagini stesse. Numerosi studi comparativi sono

    stati proposti per individuare comunque, a parità di questi fattori, le tecniche più opportune per la

    rilevazione di anomalie locali nella tessitura. In particolare in [18] viene presentato un interessante

    confronto tra tre differenti metodi statistici per l’analisi della tessitura (LBP, istogrammi e matrici di co-

    occorrenza) e cinque differenti filtraggi tra cui Gabor e le wavelet con la conclusione che, per

  • l’evidenziazione di difetti locali, la tecnica più efficace risulta il filtraggio di Gabor che fornisce una buona

    accuratezza anche su superfici significativamente differenti tra loro. Recentemente molti sforzi sono stati

    profusi per sfruttare le relazioni di vicinanza di pixel dell’immagine anche nell’individuazione delle

    difettosità. In particolare metodi come i modelli texem e i Markov Random Fields(comunemente usati per

    la segmentazione di immagini) sono stati applicati con successo anche alla rilevazione di difetti nella

    tessitura.

    3. Deviazioni Globali

    Durante il processo ceramico l’analisi delle proprietà cromatiche della tessitura sono importanti per

    mantenere la tonalità il più uniforme possibile e ridurre le imperfezioni del prodotto finito. Il controllo della

    tonalità consiste nel verificare la consistenza cromatica tra i prodotti in modo che non si percepiscano

    significative variazioni tra una superficie e un'altra. Ogni immagine a colori consiste di più canali a seconda

    dello spazio colore impiegato. Tali canali possono essere analizzati separatamente con le stesse tecniche

    utilizzate per l’individuazione di difetti in scala di grigio oppure analizzati nel complesso per valutare

    globalmente la tonalità della piastrella.

    In [19] per l’analisi tonale viene utilizzata la trasformata wavelet nello spazio RGB e comuni tecniche di

    clustering come il K-means vengono utilizzate per raggruppare elementi aventi energia simile ottenendo

    così gruppi cromaticamente omogenei.

    Un altro approccio diffuso consiste nell’utilizzo di istogrammi multidimensionali. Tali approcci variano a

    seconda dello spazio colore utilizzato. Nel caso dello spazio RGB tali istogrammi sono quattro-dimensionali

    e possono essere ottenuti direttamente dalle immagini, come nel caso di immagini a scala di grigio e

    confrontati utilizzando metriche quali la distanza di Mahalanobis o l’intersezione tra istogrammi. Il

    confronto diretto tra istogrammi seppur semplice si è rivelato efficace per individuare variazioni di tonalità

    significative rispetto a un campione di riferimento [7].

    L’utilizzo di istogrammi in opportuni spazi colore, ad esempio lo spazio YCbCr, può essere adottato anche

    per rilevare difetti cromatici di tipo locale utilizzando gli istogrammi su ciascun canale per clusterizzare le

    zone aventi proprietà cromatiche comuni e sfruttare tale suddivisione per classificare elementi difettati

    come mostrato in Fig. 9.

  • Fig. 9 Esempio di rilevazione di difetti cromatici locali nello spazio YCbCr mediante clustering e classificazione

    La scelta dello spazio colore è importante per l’individuazione delle variazioni tonali. Spazi colore opponenti

    sono preferibili a spazi colore con canali correlati come l’RGB. In [20] numerosi spazi colore sono stati

    confrontati per l’analisi della tessitura di diversi materiali tra cui materiali ceramici. Nel caso di materiali

    ceramici i migliori risultati sono stati ottenuti con lo spazio CIELab.

    4. Tecniche di pattern recognition

    Come detto le tecniche di classificazione e clustering che possono essere impiegate sono molteplici e

    dipendono dallo spazio delle feature visuali impiegate, dalla dimensionalità dello spazio e dalla linearità di

    divisione dello spazio. Quando la classificazione ha lo scopo di riconoscere oggetti di modelli diversi e ben

    riconoscibili classificatori Bayesiani o a Maximum Likelihood(ML) possono essere efficacemente impiegati

    anche se spesso si cerca di impiegare classificatori non lineari. Un possibile esempio sono le Support Vector

    Machine (SVM) o le reti neurali[1].

    In caso di analisi di anomalie invece si impiegano tecniche di classificazione non supervisionata o clustering,

    La tecnica più diffusa è il K-means e la sua variante fuzzy (Fuzzy K-means) o tecniche derivate per dividere

    lo spazio delle feature in gruppi a omogenea similarità. Ad esempio in Fig. 9 una piastrella texturata

    contiene in forma casuale due tonalità di colori predominanti che vengono clusterizzati in due gruppi sulla

    base dell’istogramma bidimensionale nello spazio YCbCr (considerando solo le componenti Cb Cr di

    crominanza) di cui si vede il modello in basso. Un altro campione dello stesso tipo dovrebbe prevedere un

    andamento simile dell’istogramma sebbene localmente il colore dei singoli pixel risulti differente. Nel caso

    presentato in Fig. 9 la presenza di gruppi di pixel di colore dissimile ad ogni cluster ottenuto dal campione di

    riferimento è utilizzata per rilevare una possibile anomalia della tessitura.

    Numerose tecniche di pattern recognition possono essere utilizzate per l’analisi delle tessiture di materiale

    ceramico, molte delle quali possono essere ottimizzate per un’elaborazione in tempo reale e quindi

    applicate in modo proficuo in contesti produttivi.

  • 5. Conclusioni: Quest’articolo ha come obiettivo soltanto porre l’accento su un vasto panorama di tecniche di pattern

    recognition e di operatori di visione artificiale che sono potenzialmente molto efficaci nell’ambito

    dell’ispezione visiva ceramica. Ovviamente queste tecniche prima di poter essere stabilmente impiegati in

    sistemi in linea devono essere valutate e testate su numerosi casi di studio reali. Fortunatamente si stanno

    sviluppando diverse librerie statistiche e di visione artificiale che possono essere impiegate in fase di

    valutazione, tra esse ricordiamo numerose librerie per l’ambiente Matlab estremamente utili in fase di

    valutazione del progetto non essendo computazionalmente ottimizzate. Altre librerie software invece come

    le open source Computer Vision library (openCv) o librerie commerciali come le IPP dell’Intel, scritte in C o

    C++ possono essere direttamente impiegate per lo sviluppo di sistemi di visione automatizzate. Per questo

    il laboratorio ImageLab del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università degli studi di

    Modena e Reggio Emilia da più di dieci anni sta sviluppando librerie ed esperienze sia nell’ambito

    dell’ispezione visiva 2D e 3D che di molte altre applicazioni di visione artificiale quali la videosorveglianza e

    l’analisi di dati multimediali. I ricercatori dell’ImageLab fanno parte dell’associazione italiana per la pattern

    recognition GIRPR, capitolo italiano del raggruppamento internazionale IAPR.

    Bibliografia: [1] R.Haralick, K. Shanmugam, L.Dinstein Textural features for image classification, IEEE Trans on System

    Man and Cybernetics Vol. 3 1973

    [2] R.Cucchiara, F.Filicori The vector gradient Hough transform, IEEE Trans. On Pattern analysis and

    Machine Intelligence No. 7, July 1998

    [3] C. Boukovales, J.Kittler, M.Petrou Color grading of randomly textured ceramic tiles using color

    histograms, IEEE Trans on Industrial Electronics Vol. 46-1 1999.

    [4] Raghu, P.P.; Yegnanarayana, B. Supervised texture classification using a probabilistic neural network and

    constraint satisfaction model, IEEE Trans. On Neural Networks Vol. 9, No. 3, 1998

    [5] Richard O. Duda, Peter E. Hart and David G. Stork Pattern Classification, Wiley-Interscience Ed.

    [7] C. Boukouvalas, J. Kittler, R. Marik, and M. Petrou. Color grading of randomly textured ceramic tiles

    using color histograms. IEEE Transactions on Industry Electronics, 46(1):219–226, 1999.

    [9] L. Siew, R. Hodgson, and E. Wood. Texture measures for carpet wear assessment. IEEE Transactions

    on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 10:92–105, 1988.

    [10] J. Iivarinen. Surface defect detection with histogram-based texture features. In SPIE Intelligent Robots

    and Computer Vision XIX: Algorithms, Techniques, and Active Vision, volume 4197, pages 140–145,

    2000.

    [11] A. Monadjemi, M. Mirmehdi, and B. Thomas. Restructured eigenfilter matching for novelty detection

    in random textures. In British Machine Vision Conference, pages 637–646, 2004.

    [12] D. Tsai and T. Huang. Automated surface inspection for statistical textures. Image and Vision

    Computing, 21:307–323, 2003.

  • [14] F. Truchetet and O. Laligant. A review on industrial applications of wavelet and multiresolution based

    signal-image processing. Journal Electronic Imaging, 2008.

    [16] J. Mao and A. Jain. Texture classification and segmentation using multiresolution simultaneous

    autoregressive models. Pattern Recognition, 25(2):173–188, 1992.

    [17] N. Jojic, B. Frey, and A. Kannan. Epitomic analysis of appearance and shape. In IEEE International

    Conference on Computer Vision, pages 34–42, 2003

    [18] A. Monadjemi. Towards Efficient Texture Classification and Abnormality Detection. PhD thesis,

    University of Bristol, UK, 2004.

    [19] F. Lumbreras, J. Serrat, R. Baldrich, M. Vanrell, and J. Villanueva. Color texture recognition through

    multiresolution features. In International Conference on Quality Control by Artificial Vision, volume 1,

    pages 114–121, 2001.

    [20] Maneesha Singh, Markos Markou, Sameer Singh, "Colour Image Texture Analysis: Dependence on

    Colour Spaces," icpr , p. 10672, 2002.

    [21] X. Xie and M. Mirmehdi. TEXEM: Texture exemplars for defect detection on random textured surfaces.

    IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 29(8):1454–1464, 2007.