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JP7528613B2 - Water quality determination device - Google Patents
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Description

本発明は、水質判定装置に関する。 The present invention relates to a water quality determination device.

近年、下水処理場においても労働力が不足しており、下水道処理施設の維持及び管理の効率化が求められている。
そのため、職員の業務の一部を人工知能(AI:Artificial Intelligence)により代替することが検討されている。
In recent years, there has been a labor shortage at sewage treatment plants, and there is a demand for more efficient maintenance and management of sewage treatment facilities.
For this reason, there are considerations being given to replacing some of the work of staff with artificial intelligence (AI).

従来技術の一例である特許文献1には、沈殿池の画像データについて畳み込みAE(Auto Encoder)を学習して前記沈殿池の色相の特徴量を抽出し、該色相の特徴量からクラスタリングにより前記画像データを色相のクラスタに分類して色相の特徴空間及びクラスタ分布を描画する色相分析部と、前記画像データについて畳み込みAEを学習して前記沈殿池の浮遊物の特徴量を抽出し、該浮遊物の特徴量からクラスタリングにより前記画像データを浮遊物のクラスタに分類して浮遊物の特徴空間及びクラスタ分布を描画する浮遊物分析部と、を備える水質分析装置が開示されている。
特許文献1に開示された技術によれば、教師なし学習及びクラスタリングによって、大量の水質画像に対して正解ラベルを付与することなく学習及び水質判定が可能である。
Patent Document 1, which is an example of the conventional technology, discloses a water quality analysis device that includes a hue analysis unit that learns a convolution AE (Auto Encoder) on image data of a sedimentation tank to extract hue features of the sedimentation tank, classifies the image data into hue clusters by clustering from the hue features, and draws a hue feature space and cluster distribution, and a floating matter analysis unit that learns a convolution AE on the image data to extract feature values of floating matter in the sedimentation tank, classifies the image data into floating matter clusters by clustering from the floating matter features, and draws the floating matter feature space and cluster distribution.
According to the technology disclosed in Patent Document 1, unsupervised learning and clustering enable learning and water quality judgment without assigning correct labels to a large number of water quality images.

特開2019-136664号公報JP 2019-136664 A

しかしながら、上記の従来技術では、水質状態及びクラスタを学習期間中に評価しなければならず、未知の異常状態を検知することが困難である、という問題があった。 However, the above conventional technology had the problem that the water quality state and clusters had to be evaluated during the learning period, making it difficult to detect unknown abnormal conditions.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、未知の異常状態が生じても水質を判定することができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a technology that can determine water quality even when an unknown abnormal condition occurs.

上述の課題を解決して目的を達成する本発明は、水質判定対象から取得した画像データを記憶する画像データ記憶部と、前記画像データ記憶部に記憶された前記画像データに加工処理を行って加工済画像データを出力する画像加工部と、前記水質判定対象の水質が正常状態である時の画像データを教師データとして学習し、学習済パラメータを出力する畳み込みAE学習部と、前記畳み込みAE学習部が出力した前記学習済パラメータを記憶する畳み込みAEパラメータ記憶部と、前記畳み込みAEパラメータ記憶部に記憶された前記学習済パラメータを用いて畳み込みAEを構築して畳み込みAE推定背景画像を生成するとともに、前記畳み込みAE推定背景画像と過去画像との代表値による背景推定値から推定背景画像データを生成して出力する背景推定部と、前記画像加工部が出力する前記加工済画像データと前記背景推定部が出力する前記推定背景画像データとを比較して差分画像データを生成し、該差分画像データに基づいて水質判定を行う水質判定部と、を備える水質判定装置である。 The present invention, which solves the above problems and achieves the object, is a water quality assessment device that includes an image data storage unit that stores image data acquired from a water quality assessment target, an image processing unit that processes the image data stored in the image data storage unit and outputs processed image data, a convolution AE learning unit that learns image data when the water quality of the water quality assessment target is in a normal state as teacher data and outputs learned parameters, a convolution AE parameter storage unit that stores the learned parameters output by the convolution AE learning unit, a background estimation unit that uses the learned parameters stored in the convolution AE parameter storage unit to construct a convolution AE to generate a convolution AE estimated background image, and generates and outputs estimated background image data from a background estimation value based on a representative value of the convolution AE estimated background image and a past image, and a water quality assessment unit that compares the processed image data output by the image processing unit with the estimated background image data output by the background estimation unit to generate differential image data and performs water quality assessment based on the differential image data.

上記構成の水質判定装置において、前記背景推定部は、前記畳み込みAE推定背景画像の生成及び前記推定背景画像データの生成に用いる画像の各々に重み付けを行うことが好ましい。 In the water quality determination device having the above configuration, it is preferable that the background estimation unit weights each of the images used to generate the convolution AE estimated background image and the estimated background image data.

上記構成の水質判定装置において、前記背景推定部は、画素値のヒストグラムを用いて前記重み付けを自動で行うことが好ましい。 In the water quality determination device having the above configuration, it is preferable that the background estimation unit automatically performs the weighting using a histogram of pixel values.

本発明によれば、未知の異常状態が生じても水質を判定することができる、という効果を奏する。 The present invention has the effect of making it possible to determine water quality even when an unknown abnormal condition occurs.

図1は、実施形態1に係る水質判定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a water quality determining device according to the first embodiment. 図2は、畳み込みAE学習部における学習のイメージを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an image of learning in the convolution AE learning unit. 図3は、背景推定部の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the background estimation unit. 図4は、中央値法による背景推定を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining background estimation by the median method. 図5は、背景推定部を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the background estimation unit. 図6は、実施形態2に係る水質判定装置が備える背景推定部を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a background estimation unit included in the water quality determining device according to the second embodiment. 図7は、実施形態3に係る水質判定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a water quality determining device according to the third embodiment. 図8は、統計処理部が生成する画素値のヒストグラムを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a histogram of pixel values generated by the statistical processing unit.

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。
ただし、本発明は、以下の実施形態の記載によって限定解釈されるものではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings.
However, the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments.

<実施形態1>
図1は、本実施形態に係る水質判定装置100の構成を示すブロック図である。
図1に示す水質判定装置100は、画像データ入力部101と、画像データ記憶部102と、画像加工部103と、畳み込みAE学習部104と、畳み込みAEパラメータ記憶部105と、背景推定部106と、水質判定部107と、判定結果出力部108と、を備える。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a water quality determining device 100 according to this embodiment.
The water quality judgment device 100 shown in Figure 1 includes an image data input unit 101, an image data storage unit 102, an image processing unit 103, a convolution AE learning unit 104, a convolution AE parameter storage unit 105, a background estimation unit 106, a water quality judgment unit 107, and a judgment result output unit 108.

画像データ入力部101は、水質判定対象に設置された、図示しないカメラにより得られた画像データが入力されるインターフェイスである。
水質判定対象としては、下水道処理施設等の沈殿池又は水槽を例示することができる。
The image data input unit 101 is an interface into which image data obtained by a camera (not shown) installed on the subject of water quality assessment is input.
Examples of the water quality to be assessed include settling ponds or tanks in sewage treatment facilities.

画像データ記憶部102は、画像データ入力部101に入力された画像データを記憶する。
画像データ記憶部102に記憶された画像データは、画像加工部103に出力される。
画像データ記憶部102は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
この画像データは、静止画又は複数の連続した静止画により構成される動画の双方を含む。
The image data storage unit 102 stores the image data input to the image data input unit 101 .
The image data stored in the image data storage unit 102 is output to the image processing unit 103 .
The image data storage unit 102 can be realized by a recording medium such as a semiconductor memory or a magnetic disk.
This image data includes both still images and moving images made up of a number of successive still images.

画像加工部103は、画像データ記憶部102に記憶された画像データを入力とし、該画像データに加工処理を行い、加工済画像データを出力する。
画像加工部103が行う加工処理は、畳み込みAE学習部104に入力可能となるように、画像データに対して行うトリミング処理、正規化処理又はフィルタ処理である。
画像加工部103は、MPU(Micro-Processing Unit)及びCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサにより実現することができる。
The image processing unit 103 receives the image data stored in the image data storage unit 102, processes the image data, and outputs the processed image data.
The processing performed by the image processing unit 103 is trimming, normalization, or filtering performed on the image data so that the image data can be input to the convolution AE learning unit 104 .
The image processing unit 103 can be realized by a processor such as an MPU (Micro-Processing Unit) and a CPU (Central Processing Unit).

畳み込みAE学習部104は、画像加工部103が出力する加工済画像データを入力とし、入力画像データである正常時加工済画像データを教師データとして学習を行い、学習済パラメータを生成して畳み込みAEパラメータ記憶部105に出力する。
ここで、学習は、入力された正常時加工済画像データの特徴を抽出し、入力された正常時加工済画像データを再現するように復元画像を生成することにより行われる。
畳み込みAE学習部104は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
The convolution AE learning unit 104 receives the processed image data output by the image processing unit 103 as input, learns using the input image data, that is, normal processed image data, as teacher data, generates learned parameters, and outputs them to the convolution AE parameter memory unit 105.
Here, the learning is performed by extracting features of the inputted normal-state processed image data and generating a restored image so as to reproduce the inputted normal-state processed image data.
The convolution AE learning unit 104 can be realized by a processor such as an MPU or a CPU.

図2は、畳み込みAE学習部104における学習のイメージを示す図である。
図2に示すように畳み込みAE学習部104は、教師データを入力画像としたニューラルネットワークであり、次元を圧縮する畳み込み層により入力画像の特徴を抽出し、次元を復元する逆畳み込み層により入力画像を再現する復元画像を出力する。
ここで、畳み込みAE学習部104が行う学習は、水質判定対象の水質が正常状態である時に行うため、正常時の画像である正常画像を復元するモデルを構築することができる。
なお、正常状態とは、水質判定対象を含むシステムが不具合なく稼働している状態をいう。
畳み込みAE学習部104は、水質判定対象の水質が正常状態である時に画像データ記憶部102に入力され、画像加工部103によって加工処理が行われた入力画像データである正常時加工済画像データの特徴を自動で抽出し、該入力画像データを再現するように復元画像データを生成し、学習を行い、学習済パラメータを生成する。
FIG. 2 is a diagram showing an image of learning in the convolution AE learning unit 104. As shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the convolutional AE learning unit 104 is a neural network that uses teacher data as an input image, extracts features of the input image using a convolutional layer that compresses the dimensions, and outputs a restored image that reproduces the input image using a deconvolutional layer that restores the dimensions.
Here, the learning performed by the convolution AE learning unit 104 is performed when the water quality of the subject of water quality assessment is in a normal state, so that a model can be constructed that restores a normal image, which is an image taken under normal conditions.
The normal state refers to a state in which the system including the subject of water quality assessment is operating without any malfunctions.
The convolution AE learning unit 104 automatically extracts features of normal-state processed image data, which is input image data that is input to the image data storage unit 102 when the water quality of the subject of water quality assessment is in a normal state and processed by the image processing unit 103, generates restored image data to reproduce the input image data, performs learning, and generates learned parameters.

なお、畳み込みAE学習部104のモデルは一つであってもよいし、複数であってもよい。
畳み込みAE学習部104のモデルを複数用意する場合には、学習する画像データの期間を変更し、又は画像にノイズを加える等の処理を施すことで、異なる複数のモデルが構築されるようにする。
The convolution AE learning unit 104 may have one model or multiple models.
When preparing multiple models for the convolution AE learning unit 104, multiple different models are constructed by changing the period of the image data to be learned or by performing processing such as adding noise to the image.

畳み込みAEパラメータ記憶部105は、畳み込みAE学習部104が出力した学習済パラメータを入力とし、該学習済パラメータを記憶する。
畳み込みAEパラメータ記憶部105は、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体により実現することができる。
The convolution AE parameter storage unit 105 receives the learned parameters output by the convolution AE learning unit 104 and stores the learned parameters.
The convolution AE parameter storage unit 105 can be realized by a recording medium such as a semiconductor memory or a magnetic disk.

図3は、背景推定部106の構成を示すブロック図である。
図3に示す背景推定部106は、畳み込みAE背景推定部1061と、中央値算出部1062と、推定背景画像生成部1063と、を備え、畳み込みAEによる背景推定と中央値法による背景推定との協調により、画像データの背景推定を効果的に行う。
背景推定部106は、MPU及びCPU等のプロセッサと、半導体メモリ及び磁気ディスク等の記録媒体と、により実現することができる。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the background estimation unit 106. As shown in FIG.
The background estimation unit 106 shown in FIG. 3 includes a convolution AE background estimation unit 1061, a median calculation unit 1062, and an estimated background image generation unit 1063, and effectively performs background estimation of image data by coordinating background estimation using the convolution AE and background estimation using the median method.
The background estimation unit 106 can be realized by a processor such as an MPU or a CPU, and a recording medium such as a semiconductor memory or a magnetic disk.

畳み込みAE背景推定部1061は、畳み込みAEパラメータ記憶部105に記憶された学習済パラメータを用いて構築された畳み込みAEにより背景を推定し、第1の背景画像群を出力する。
畳み込みAE背景推定部1061は、N個のモデルを有し、N枚の復元画像を出力する。
ここで、Nは自然数である。
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、1個のモデルを有し、このモデルの出力が複製されてN枚の復元画像を出力する構成であってもよい。
ここで、畳み込みAEは、畳み込みAE学習部104において正常画像により学習済みであるため、正常状態でない画像が入力されたとしても擬似的な正常画像を復元して出力する。
すなわち、畳み込みAE背景推定部1061は、入力画像から前景を取り除いた推定背景画像を複数枚(N枚)生成して出力する。
ここで、前景は、スカム(水面に浮上する固形物又は汚泥)及びフロック等の画像に表出した、検知すべき異常状態に起因して生じたイメージである。
背景は、検知すべき異常状態が含まれないイメージである。
The convolution AE background estimation unit 1061 estimates a background by a convolution AE constructed using the learned parameters stored in the convolution AE parameter storage unit 105, and outputs a first group of background images.
The convolution AE background estimation unit 1061 has N models and outputs N restored images.
Here, N is a natural number.
However, the present invention is not limited to this, and may have a configuration in which one model is provided, and the output of this model is replicated to output N restored images.
Here, since the convolution AE has already been learned by the convolution AE learning unit 104 using normal images, even if an image in an abnormal state is input, the convolution AE restores and outputs a pseudo normal image.
That is, the convolution AE background estimation unit 1061 generates and outputs a plurality of (N) estimated background images by removing the foreground from the input image.
Here, the foreground is an image that appears in the image, such as scum (solid matter or sludge floating to the water surface) and flocs, and is caused by an abnormal state to be detected.
The background is an image that does not contain any abnormal conditions to be detected.

しかしながら、畳み込みAEでは、学習時に生じなかった背景の変化が生じた場合に、背景画像を正しく生成することが困難である。
特に、水質判定対象が最終沈殿池のような過酷な撮影環境である場合には、学習時に生じなかったような照明又は外光の変化が生じることが多いため、畳み込みAEによる背景推定では誤検知が生じうる。
However, in the case of convolution AE, when a change occurs in the background that did not occur during learning, it is difficult to correctly generate a background image.
In particular, when the water quality assessment subject is a harsh shooting environment such as a final sedimentation tank, changes in lighting or external light that did not occur during learning often occur, and background estimation using convolution AE can result in false positives.

背景を推定する他の手法の一つとして、中央値法が挙げられる。
図4は、中央値法による背景推定を説明する図である。
図4において、横軸は時間であり、左が過去を示し、右端が現在を示す。
中央値法では、過去から現在までの間に撮影された過去Nフレーム画像から、推定背景画像が生成される。
具体的には、過去から現在までの過去Nフレーム画像、すなわちN枚の画像について、各画素値における中央値をとり、この中央値を各画素の背景推定値として推定背景画像が生成される。
中央値法によれば、推定背景画像に偽色が出ず、動的に変化する背景に対しても背景画像を柔軟に生成可能である。
Another method for estimating the background is the median method.
FIG. 4 is a diagram for explaining background estimation by the median method.
In FIG. 4, the horizontal axis represents time, with the left side representing the past and the right side representing the present.
In the median method, an estimated background image is generated from N past frame images captured between the past and the present.
Specifically, the median value of each pixel is taken for the past N frame images from the past to the present, that is, N images, and the median value is used as the background estimation value for each pixel to generate an estimated background image.
According to the median method, no false colors appear in the estimated background image, and a background image can be flexibly generated even for a dynamically changing background.

しかしながら、中央値法では、照明の変化等により過去Nフレーム画像に対してごく一瞬でも変化が生じると、背景画像を正しく生成することが困難である。
そこで、本実施形態においては、畳み込みAE背景推定部1061が生成するN枚の推定背景画像と、過去Nフレーム画像すなわちN枚の画像と、を合わせた2N枚の画像に対して中央値法を適用することで畳み込みAEと中央値法との協調により、画像データの背景推定を行う。
However, with the median method, if a change occurs even for an instant with respect to the past N frame images due to a change in lighting or the like, it is difficult to generate a correct background image.
Therefore, in this embodiment, the median method is applied to 2N images, which are the N estimated background images generated by the convolution AE background estimation unit 1061 and the past N frame images, i.e., N images, thereby performing background estimation of the image data by cooperation between the convolution AE and the median method.

中央値算出部1062は、畳み込みAE背景推定部1061が生成するN枚の推定背景画像と、過去Nフレーム画像と、を入力とし、合計2N枚の画像について、各画素値における代表値である中央値をとり、この中央値を背景推定値として出力する。 The median calculation unit 1062 receives the N estimated background images generated by the convolution AE background estimation unit 1061 and the past N frame images, calculates the median, which is the representative value of each pixel value, for a total of 2N images, and outputs this median as the background estimation value.

推定背景画像生成部1063は、中央値算出部1062が出力する背景推定値を用いて推定背景画像を生成する。 The estimated background image generating unit 1063 generates an estimated background image using the background estimation value output by the median calculation unit 1062.

このように、背景推定部106が畳み込みAEによる背景推定と、中央値法による背景推定と、の協調により、背景の推定を行うことで、学習期間にない照明変化が生じた場合でも、Nフレームに対してごく一瞬の変化が生じた場合でも、問題なく背景画像を正しく生成することができる。 In this way, the background estimation unit 106 estimates the background by coordinating background estimation using convolution AE and background estimation using the median method, so that a background image can be generated correctly without any problems even if a lighting change occurs that is not present during the learning period or if a very momentary change occurs over N frames.

図5は、背景推定部106を説明する図である。
図5の上部には畳み込みAEによるN枚の推定背景画像の生成が示されており、図5の下部には現在から過去までのNフレームの画像が示されている。
上述のように、畳み込みAEが生成するN枚の復元画像と過去Nフレーム画像との合計2N枚の画像の各画素における中央値の算出により、推定背景画像が生成される。
FIG. 5 is a diagram illustrating the background estimation unit 106. As shown in FIG.
The upper part of FIG. 5 shows the generation of N estimated background images by convolution AE, and the lower part of FIG. 5 shows N frames of images from the present to the past.
As described above, an estimated background image is generated by calculating the median value of each pixel of a total of 2N images, including N restored images generated by the convolution AE and the past N frame images.

水質判定部107は、画像加工部103からの加工済み画像データと、背景推定部106が出力する推定背景画像データとを入力とし、加工済み画像データと推定背景画像データとを比較して差分画像を生成し、該差分画像に基づいて水質判定を行い、水質判定結果を示す水質判定データを出力する。
水質判定部107は、MPU及びCPU等のプロセッサにより実現することができる。
The water quality assessment unit 107 receives as input the processed image data from the image processing unit 103 and the estimated background image data output by the background estimation unit 106, compares the processed image data with the estimated background image data to generate a difference image, performs water quality assessment based on the difference image, and outputs water quality assessment data indicating the water quality assessment result.
The water quality determination unit 107 can be realized by a processor such as an MPU or a CPU.

水質判定部107は、各画素において、加工済み画像データと推定背景画像データとの差分をとって前景画像データを生成する。
入力画像に異常であるスカム又はフロックが写りこんでいる場合には、スカム又はフロックが前景として前景画像に表出する。
水質判定部107は、前景画像に対して、二値化、モルフォロジー変換又はラベリング処理等の画像処理を施すことで、異常領域を定量的に評価する。
更には、水質判定部107は、異常の個数及び面積を評価し、異常の個数及び面積が予め定めたしきい値を超えている場合に異常と判定し、判定結果を出力する。
The water quality determination unit 107 calculates the difference between the processed image data and the estimated background image data for each pixel to generate foreground image data.
When abnormal scum or flocks are captured in the input image, the scum or flocks appear as the foreground in the foreground image.
The water quality determination unit 107 performs image processing such as binarization, morphological transformation, or labeling processing on the foreground image to quantitatively evaluate the abnormal area.
Furthermore, the water quality determination unit 107 evaluates the number and area of abnormalities, and when the number and area of abnormalities exceed a predetermined threshold value, determines that an abnormality has occurred, and outputs the determination result.

なお、水質判定部107による水質判定は、具体的には判定対象に浮上するスカム等の浮遊物の量の判定、又は活性汚泥沈殿率等に起因して変化する判定対象の色の変化の判定を想定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、異常の原因によらず、正常状態との差異が画像上に表出するものであれば、あらゆる異常を検知可能である。 The water quality judgment by the water quality judgment unit 107 is specifically intended to judge the amount of floating matter such as scum that floats to the object to be judged, or to judge the change in color of the object to be judged that changes due to the activated sludge settling rate, etc., but the present invention is not limited to this, and any abnormality can be detected as long as a difference from the normal state is displayed on the image, regardless of the cause of the abnormality.

判定結果出力部108は、水質判定部107の判定結果を外部に出力する。
判定結果出力部108は、運転員が視認可能な表示装置であってもよいし、水質制御装置に接続されたインターフェイスであってもよい。
外部に出力された判定結果に基づいて、運転員又は水質制御装置は水質判定対象に対して運転操作を行う。
The judgment result output unit 108 outputs the judgment result of the water quality judgment unit 107 to the outside.
The judgment result output unit 108 may be a display device that can be visually recognized by the operator, or may be an interface connected to the water quality control device.
Based on the judgment result outputted to the outside, the operator or the water quality control device performs operation on the water quality judgment target.

なお、本実施形態においては、代表値として中央値を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、中央値に代えて各画素値における平均値が背景推定値とされてもよい。 In this embodiment, the median is used as the representative value, but the present invention is not limited to this, and instead of the median, the average value of each pixel value may be used as the background estimation value.

以上説明したように、本実施形態によれば、水質判定対象の水質が正常状態である時の画像データによって学習を行って生成した推定背景画像と、過去Nフレーム画像と、を用いることで、水質判定対象の水質の異常を検知することができる。
そのため、本実施形態によれば、異常時の画像データを取得することなく、水質判定対象の異常を検知することができる。
従って、本実施形態によれば、水質判定対象の水質に未知の異常が生じた場合であっても異常を検知することができ、水質を判定することができる。
As described above, according to this embodiment, by using an estimated background image generated by learning from image data when the water quality of the subject of water quality assessment is in a normal state, and the past N frame images, it is possible to detect abnormalities in the water quality of the subject of water quality assessment.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to detect an abnormality in the water quality assessment subject without acquiring image data at the time of the abnormality.
Therefore, according to this embodiment, even if an unknown abnormality occurs in the water quality of the water being assessed, the abnormality can be detected and the water quality can be assessed.

<実施形態2>
実施形態1では、代表値の算出に用いるすべての画像データが平等に扱われる形態について説明した。
本実施形態では、各画像データに重み係数wを付与することで、各画像データの推定背景画像に対する寄与度を調整する形態について説明する。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, a configuration has been described in which all image data used to calculate the representative value is treated equally.
In this embodiment, a form will be described in which a weighting factor w is assigned to each piece of image data to adjust the contribution of each piece of image data to the estimated background image.

本実施形態に係る水質判定装置は、背景推定部のみが実施形態1と異なり、その他の構成は実施形態1と同じである。 The water quality determination device according to this embodiment differs from embodiment 1 only in the background estimation unit, and the other configurations are the same as those of embodiment 1.

図6は、本実施形態に係る水質判定装置が備える背景推定部を説明する図である。
現在時刻における画像の画素(x,y)における画素値をaxy とし、t時刻前における画像の画素(x,y)における画素値をaxy とする。
なお、t=1,2,…,N-1である。
そして、k番目の畳み込みAEの復元画像の画素(x,y)における画素値をbxy とする。
なお、k=0,1,…,N-1である。
このとき、推定背景画像の画素(x,y)における画素値lxyは、下記の式(1)で表される。
ただし、下記の式(2)を前提とする。
FIG. 6 is a diagram illustrating the background estimation unit included in the water quality determination device according to this embodiment.
The pixel value of pixel (x, y) of the image at the current time is a xy 0 , and the pixel value of pixel (x, y) of the image at time t before is a xy t .
Note that t = 1, 2, ..., N-1.
Then, the pixel value at pixel (x, y) of the restored image of the k-th convolution AE is denoted by b xy k .
Note that k=0, 1, ..., N-1.
In this case, the pixel value l xy of a pixel (x, y) of the estimated background image is expressed by the following equation (1).
However, this is based on the following formula (2).

Figure 0007528613000001
Figure 0007528613000001

Figure 0007528613000002
Figure 0007528613000002

ここで、過去Nフレームの画像と畳み込みAEのN枚の復元画像とを区別することなく、その画素値をcxy とすると、上記の式(1)は下記の式(3)により表すことも可能である。
なお、i=0,1,…,2N-1とする。
Here, if the pixel values are c xy i without distinguishing between the images of the past N frames and the N restored images of the convolution AE, the above formula (1) can also be expressed by the following formula (3).
Here, i=0, 1, ..., 2N-1.

Figure 0007528613000003
Figure 0007528613000003

過去画像優先度uによると、過去Nフレームの画像の優先度が設定される。
多くの場合、現在から数時刻前の画像の優先度を高くし、古い画像の優先度を低くすることで、過去のデータを忘却するように設定することができる。
ただし、上記の式(2)の制約を満たすための工夫を要する。
なお、画像ごとの優先度を対数的に減少させる場合には、下記の式(4)に示すように、ベンフォードの法則で知られる確率分布を用いるとよい。
According to the past image priority u t , the priority of the images of the past N frames is set.
In many cases, past data can be set to be forgotten by giving a high priority to images from a few hours ago and giving a low priority to older images.
However, some ingenuity is required to satisfy the constraint of the above formula (2).
When the priority of each image is logarithmically decreased, it is advisable to use a probability distribution known as Benford's law, as shown in the following equation (4).

Figure 0007528613000004
Figure 0007528613000004

更には、過去画像優先度uを個別に独立に設定する場合には、過去画像優先度uが上記の式(2)を満たさないのであれば、下記の式(5)に示すソフトマックス関数を用いて変数変換した変換優先度u’を用いることで、上記の式(2)を満たすことができる。 Furthermore, when the past image priority u t is set individually and independently, if the past image priority u t does not satisfy the above formula (2), the above formula (2) can be satisfied by using a transformed priority u t ′ that has been variable-transformed using the softmax function shown in the following formula (5).

Figure 0007528613000005
Figure 0007528613000005

また、畳み込みAE画像優先度vによると、畳み込みAEの画像の優先度が設定される。
例えば、直近の学習期間において学習したモデルの畳み込みAE画像優先度vを高くし、ノイズを加えたデータによって学習したモデルの畳み込みAE画像優先度vを低くすると、直近の学習を重視し、ノイズを考慮しない背景推定が可能となる。
Furthermore, the priority of the convolution AE image is set according to the convolution AE image priority vt .
For example, by increasing the convolution AE image priority vt of a model trained in the most recent learning period and decreasing the convolution AE image priority vt of a model trained using data with added noise, it becomes possible to place emphasis on the most recent learning and perform background estimation without taking noise into account.

また、画像生成法優先度wによると、畳み込みAEの画像と過去Nフレームの画像とのいずれを優先するかを設定することができる。
学習期間が短いため畳み込みAEの学習が不足していると判断される場合には、wを大きくし、畳み込みAEの学習が適切に行われたと判断される場合には、wを大きくする。
ここで、過去画像のフレーム数と、畳み込みAEのモデル数とを異なる値に設定することも可能である。
このとき、すべての画像ごとの寄与率を均一にするためには、過去画像のフレーム数Nと、畳み込みAEのモデル数Nと、を用いて下記の式(6)が成り立つことが好ましい。
Furthermore, according to the image generation method priority w i , it is possible to set whether to give priority to the image of the convolution AE or the image of the past N frames.
When it is determined that the learning of the convolution AE is insufficient due to a short learning period, w0 is increased, and when it is determined that the learning of the convolution AE has been performed appropriately, w1 is increased.
Here, it is also possible to set the number of frames of past images and the number of models of the convolution AE to different values.
At this time, in order to make the contribution rate for each image uniform, it is preferable that the following formula (6) be satisfied using the number of frames N0 of past images and the number of models N1 of the convolution AE.

Figure 0007528613000006
Figure 0007528613000006

例えば、N>Nである場合において、w=0.5とし、w=0.5としてしまうと、畳み込みAEモデルの復元画像の枚数が多いため、復元画像一枚当たりの寄与率が減少することに注意を要する。 For example, when N 1 >N 0 , if w 0 =0.5 and w 1 =0.5, it should be noted that the contribution rate per restored image decreases because the number of restored images of the convolution AE model is large.

上記の式(1)は、過去画像優先度u、畳み込みAE画像優先度v及び画像生成法優先度wを確率質量関数とみなすと、これは期待値によって背景を推定しているということになる。
中央値によって背景を推定しようとする場合には、過去画像優先度uの確率に従って、画素値axy の枚数を仮想的に増減させる方法がある。
例えば、N=3として、u=0.5、u=0.3、u=0.2である場合には、axy を5個、axy を3個、axy を2個に複製して合計10個の画素値axyから中央値が取得される。
各画素値axyの個数を増減させることは、各画素値axyの生起確率を仮想的に増減させることに等しく、過去画像優先度uが大きい画素値の生起確率が仮想的に増加されて中央値として採択されやすくなる。
なお、畳み込みAE画像優先度v及び優先度wについても同様であるが、優先度wについては、w及びwの2つしかないため、いずれか大きいほうが必ず採択されてしまうことになる。
これを回避するためには、上記の式(3)におけるωを用いて畳み込みAE及び過去Nフレームの双方を区別することなく評価することが好ましい。
If the past image priority u t , the convolution AE image priority v t , and the image generation method priority w i are regarded as a probability mass function, then the above equation (1) estimates the background by the expected value.
When estimating the background using the median, there is a method of virtually increasing or decreasing the number of pixel values a xy t according to the probability of the past image priority u t .
For example, when N=3, u 0 =0.5, u 1 =0.3, and u 2 =0.2, a xy 0 is replicated five times, a xy 1 is replicated three times, and a xy 2 is replicated two times, and the median is obtained from a total of 10 pixel values a xy .
Increasing or decreasing the number of each pixel value a x y is equivalent to virtually increasing or decreasing the occurrence probability of each pixel value a x y , and the occurrence probability of a pixel value with a large past image priority u is virtually increased and becomes more likely to be adopted as the median value.
The same applies to the convoluted AE image priority v and priority w. However, since there are only two priorities w, w0 and w1 , the larger one will always be adopted.
To avoid this, it is preferable to use ω i in the above equation (3) to evaluate both the convolution AE and the past N frames without distinguishing between them.

本実施形態によれば、各画像に重み付けを行うことによって、各画像の背景画像に対する寄与度を調整可能であり、これにより、現在に近い画像を重視し、又は畳み込みオートエンコーダの復元画像を重視する等のチューニングが可能である。 According to this embodiment, by weighting each image, it is possible to adjust the contribution of each image to the background image, which allows tuning such as prioritizing an image that is closer to the current image or prioritizing the restored image of the convolutional autoencoder.

<実施形態3>
本実施形態では、実施形態2における重み付けを画素値のヒストグラムによって自動で決定する形態について説明する。
<Embodiment 3>
In this embodiment, a form in which the weighting in the second embodiment is automatically determined based on a histogram of pixel values will be described.

図7は、本実施形態に係る水質判定装置100aの構成を示すブロック図である。
図7に示す水質判定装置100aは、統計処理部111と、背景ヒストグラム記憶部112と、を備える点のみが図1に示す水質判定装置100と異なり、その他の構成は図1に示す水質判定装置100と同じである。
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a water quality determining device 100a according to this embodiment.
The water quality determination device 100a shown in Figure 7 differs from the water quality determination device 100 shown in Figure 1 only in that it is equipped with a statistical processing unit 111 and a background histogram memory unit 112, and the other configurations are the same as those of the water quality determination device 100 shown in Figure 1.

統計処理部111は、画素値の確率分布をモデル化しており、実施形態2において説明した重み係数を自動的に決定するために、学習期間に撮影された全ての画像の画素値を数え上げ、画素値のヒストグラムを生成し、推定により密度関数f(axy)を生成する。 The statistical processing unit 111 models the probability distribution of pixel values, and in order to automatically determine the weighting coefficients described in the second embodiment, counts up the pixel values of all images captured during a learning period, generates a histogram of the pixel values, and generates a density function f(a xy ) by estimation.

図8は、統計処理部111が生成する画素値のヒストグラムを示す図である。
密度関数f(axy)は、カーネル密度推定により生成される。
FIG. 8 is a diagram showing a histogram of pixel values generated by the statistical processing unit 111. As shown in FIG.
The density function f(a xy ) is generated by kernel density estimation.

背景ヒストグラム記憶部112は、統計処理部111が生成した密度関数f(axy)を記憶する。 The background histogram storage unit 112 stores the density function f(a xy ) generated by the statistical processing unit 111 .

背景推定部106aは、未知の画像データの推定に際して、背景ヒストグラム記憶部112に記憶された密度関数f(axy)により、上記の式(3)の重みωを自動で決定する。
例えば、2つの畳み込みAEから出力された推定背景画像の画素値を各々a^xy 、a^xy とする。
推定背景画像が実際の背景画像に近いか否かは、画素値のヒストグラムの代表値、すなわち平均値、中央値又は最頻値に近いか否かにより検討される。
When estimating unknown image data, the background estimation unit 106 a automatically determines the weight ω i in the above equation (3) using the density function f(a xy ) stored in the background histogram storage unit 112 .
For example, the pixel values of the estimated background images output from the two convolution AEs are denoted as a^ xy 1 and a^ xy 2 , respectively.
Whether the estimated background image is close to the actual background image is examined based on whether it is close to a representative value of a histogram of pixel values, that is, the average value, the median value, or the mode value.

図8においては、代表値を最頻値axy modeとすると、a^xy の画素値の方がa^xy の画素値よりも実際の背景画像に近い確率が高いと推測される。
そのため、背景推定部106aは、a^xy に対する重みが大きく、a^xy に対する重みが小さくなるように上記の式(3)の重みωを下記の式(7)により自動で決定する。
In FIG. 8, if the representative value is the mode a xy mode , it is estimated that the pixel value a ^ xy 1 is more likely to be closer to the actual background image than the pixel value a ^ xy 2 .
Therefore, the background estimation unit 106a automatically determines the weight ω i in the above equation (3) by the following equation (7) so that the weight for a^ xy 1 is large and the weight for a^ xy 2 is small.

Figure 0007528613000007
Figure 0007528613000007

本実施形態によれば、過去の正常画像のヒストグラムより寄与率の重み係数を自動的に設定することによって、実施形態2に対して、煩雑な重み係数の調整が不要となる。 According to this embodiment, the contribution rate weighting coefficient is automatically set based on the histogram of past normal images, eliminating the need for cumbersome adjustment of the weighting coefficient compared to embodiment 2.

100,100a 水質判定装置
101 画像データ入力部
102 画像データ記憶部
103 画像加工部
104 畳み込みAE学習部
105 畳み込みAEパラメータ記憶部
106,106a 背景推定部
107 水質判定部
108 判定結果出力部
111 統計処理部
112 背景ヒストグラム記憶部
1061 畳み込みAE背景推定部
1062 中央値算出部
1063 推定背景画像生成部

100, 100a Water quality determination device 101 Image data input unit 102 Image data storage unit 103 Image processing unit 104 Convolution AE learning unit 105 Convolution AE parameter storage unit 106, 106a Background estimation unit 107 Water quality determination unit 108 Determination result output unit 111 Statistical processing unit 112 Background histogram storage unit 1061 Convolution AE background estimation unit 1062 Median calculation unit 1063 Estimated background image generation unit

Claims (3)

水質判定対象から取得した画像データを記憶する画像データ記憶部と、
前記画像データ記憶部に記憶された前記画像データに加工処理を行って加工済画像データを出力する画像加工部と、
前記水質判定対象の水質が正常状態である時の画像データを教師データとして学習し、学習済パラメータを出力する畳み込みAE学習部と、
前記畳み込みAE学習部が出力した前記学習済パラメータを記憶する畳み込みAEパラメータ記憶部と、
前記畳み込みAEパラメータ記憶部に記憶された前記学習済パラメータを用いて畳み込みAEを構築して畳み込みAE推定背景画像を生成するとともに、前記畳み込みAE推定背景画像と過去画像との各画素の中央値または平均値を含む代表値による背景推定値から推定背景画像データを生成して出力する背景推定部と、
前記画像加工部が出力する前記加工済画像データと前記背景推定部が出力する前記推定背景画像データとを比較して差分画像データを生成し、該差分画像データに基づいて水質判定を行う水質判定部と、を備える水質判定装置。
an image data storage unit that stores image data acquired from a water quality assessment target;
an image processing unit that processes the image data stored in the image data storage unit and outputs processed image data;
a convolution AE learning unit that learns image data when the water quality of the water quality judgment target is in a normal state as teacher data and outputs learned parameters;
a convolution AE parameter storage unit that stores the learned parameters output by the convolution AE learning unit;
a background estimation unit that constructs a convolution AE using the learned parameters stored in the convolution AE parameter storage unit to generate a convolution AE estimated background image, and generates and outputs estimated background image data from a background estimation value based on a representative value including a median or average value of each pixel of the convolution AE estimated background image and a past image;
A water quality determination unit that compares the processed image data output by the image processing unit with the estimated background image data output by the background estimation unit to generate differential image data, and determines water quality based on the differential image data.
前記背景推定部は、前記畳み込みAE推定背景画像の生成及び前記推定背景画像データの生成に用いる画像の各々に重み付けを行うことを特徴とする請求項1に記載の水質判定装置。 The water quality determination device according to claim 1, characterized in that the background estimation unit weights each of the images used to generate the convolution AE estimated background image and the estimated background image data. 前記背景推定部は、画素値のヒストグラムを用いて前記重み付けを自動で行うことを特徴とする請求項2に記載の水質判定装置。 The water quality determination device according to claim 2, characterized in that the background estimation unit automatically performs the weighting using a histogram of pixel values.
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