JP2021111360A - Method for generating quality characteristic map - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁石やセラミクスなどの材料を画像撮像装置で撮像し、その画像から品質特性マップを生成する技術に関する。 The present invention relates to a technique of imaging a material such as a magnet or ceramics with an image imaging device and generating a quality characteristic map from the image.
近年、情報科学、特にデータ科学を効果的に活用して、新材料を開発するマテリアルズインフォマティクスという技術分野が注目されている。
マテリアルズインフォマティクスでは、様々な実験条件や実験結果などのデータを関連付けてデータベースに蓄積し、統計解析、機械学習、シミュレーションなどを駆使して、新材料の開発に役立つ情報を抽出している。
特に、製作した材料を電子顕微鏡や光学顕微鏡などの画像撮像装置で撮像して得た画像や、分析装置で測定した材料の性能を表す品質特性は、有益な情報として蓄積されている。
In recent years, the technical field of materials informatics, which develops new materials by effectively utilizing information science, especially data science, has attracted attention.
In materials informatics, data such as various experimental conditions and experimental results are associated and accumulated in a database, and statistical analysis, machine learning, simulation, etc. are used to extract information useful for the development of new materials.
In particular, images obtained by imaging the manufactured material with an image imaging device such as an electron microscope or an optical microscope, and quality characteristics representing the performance of the material measured by the analyzer are accumulated as useful information.
ここで、材料を撮像して得た画像を分析して、有益な情報を得る方法として、たとえば、特許文献1に電子顕微鏡で撮像された画像の強調方法が開示されている。特許文献1の方法では、電子顕微鏡から得られるエネルギー信号や角度信号などと、組成情報や組織構造との関係に準じた、画像の変換処理を予め用意しておき、新材料の開発者が注目したい組成情報や組織構造が写った部位を強調した画像を生成できる。
Here, as a method of analyzing an image obtained by imaging a material and obtaining useful information, for example,
また、材料を撮像して得た画像の分析に、機械学習を応用する方法として、たとえば、特許文献2にニューラルネットワークを用いて品質特性を予測する方法が開示されている。特許文献2の方法は、複数の材料を撮像して得た画像群と夫々の品質特性の対を予め多数用意し、ニューラルネットワークを学習しておくことで、学習済みのニューラルネットワークに新たに撮像して得た画像を入力することで、その材料の品質特性を予測できる。 Further, as a method of applying machine learning to the analysis of an image obtained by imaging a material, for example, Patent Document 2 discloses a method of predicting quality characteristics using a neural network. In the method of Patent Document 2, a large number of pairs of image groups obtained by imaging a plurality of materials and their respective quality characteristics are prepared in advance, and the neural network is trained to newly image the trained neural network. By inputting the obtained image, the quality characteristics of the material can be predicted.
特許文献1の方法で画像を生成するには、予め電子顕微鏡から得られるエネルギー信号や角度信号などと、組成情報や組織構造との関係に準じた画像の変換処理を実行する必要がある。更に、新材料の開発者が電子顕微鏡の原理、組成情報、組織構造などの知識を有ししていなければならない。
In order to generate an image by the method of
また、特許文献2の方法は、ニューラルネットワークの学習のために大量な材料、それらの画像、それらの品質特性を予め測定しなければ活用できない問題もある。新材料の開発では、ニューラルネットワークの学習に必要なだけの大量な材料を準備することは難しい。 Further, the method of Patent Document 2 has a problem that it cannot be utilized unless a large amount of materials, images thereof, and quality characteristics thereof are measured in advance for learning a neural network. In the development of new materials, it is difficult to prepare as many materials as necessary for learning neural networks.
そこで本発明では、大量の材料、画像、品質特性測定がなくても、また、電子顕微鏡などの原理、組成情報、組織構造などの知識を有しなくても、材料の特性、すなわち品質特性の分布を表すマップを生成することが可能な品質特性マップの生成方法を提供する。 Therefore, in the present invention, the characteristics of the material, that is, the quality characteristics, can be obtained without having to measure a large amount of materials, images, and quality characteristics, and without having knowledge of principles such as an electron microscope, composition information, and tissue structure. Provided is a method of generating a quality characteristic map capable of generating a map representing a distribution.
本発明に係る品質特性マップの生成方法は、一つ以上の学習用材料を撮像して得られた、複数の学習用画像からなる学習用画像群と、学習用画像における学習用材料の品質特性とを対応付けて読み込み、学習用画像から複数の学習用領域を切り出して、学習用領域から学習用特徴量を抽出し、学習用特徴量から学習用材料の品質特性を予測する回帰モデルを学習する機械学習ステップと、一つ以上の評価用材料の評価用画像を読み込み、評価用画像から複数の評価用領域を切り出して、評価用領域から評価用特徴量を抽出し、評価特徴量と、回帰モデルによって、評価用領域毎に、評価用材料の品質特性を予測し、予測した評価用材料の品質特性を用いて、評価用画像内における評価用材料の品質特性の分布のマッピングを行うマップ生成ステップを有する。 The method for generating a quality characteristic map according to the present invention includes a learning image group consisting of a plurality of learning images obtained by imaging one or more learning materials, and the quality characteristics of the learning material in the learning image. To learn a regression model that predicts the quality characteristics of the learning material from the learning feature amount by extracting multiple learning areas from the learning area and extracting the learning feature amount from the learning feature amount. The machine learning step to be performed and the evaluation image of one or more evaluation materials are read, a plurality of evaluation areas are cut out from the evaluation image, the evaluation feature amount is extracted from the evaluation area, and the evaluation feature amount and the evaluation feature amount are used. A map that predicts the quality characteristics of the evaluation material for each evaluation area by the regression model and maps the distribution of the quality characteristics of the evaluation material in the evaluation image using the predicted quality characteristics of the evaluation material. It has a generation step.
また、前記学習用特徴量及び前記評価用特徴量の抽出は、学習済みの畳み込みニューラルネットワークを用いて行うことが好ましい。 Further, it is preferable to extract the learning feature amount and the evaluation feature amount using a learned convolutional neural network.
また、回帰モデルの学習は、ランダムフォレストを用いて行うことが好ましい。 Further, it is preferable to train the regression model using a random forest.
また、前記マップ生成ステップにおける前記マッピングは、等高線図であることが好ましい。 Further, it is preferable that the mapping in the map generation step is a contour map.
また、本発明に係る品質特性マップの生成方法は、一つ以上の学習用材料を撮像して得られた、複数の学習用画像からなる学習用画像群と、前記学習用画像における前記学習用材料の品質特性と、を対応付けて読み込み、前記学習用画像から複数の学習用領域を切り出して、
前記学習用領域から学習用特徴量を抽出し、前記学習用特徴量から前記学習用材料の品質特性を予測する回帰モデルを学習する機械学習ステップと、一つ以上の評価用材料の評価用画像を読み込み、前記評価用画像から複数の評価用領域を切り出して、前記評価用領域から第1の評価用特徴量を抽出し、前記第1の評価特徴量と、前記回帰モデルによって、前記評価用領域毎に、前記評価用材料の品質特性を予測する第1の予測ステップと、前記評価用領域の一部の画素の輝度の値を任意の値に置換し、第2の評価用特徴量を抽出し、前記第2の評価用特徴量と、前記回帰モデルによって、前記評価用領域毎に、前記評価用材料の品質特性を予測する第2の予測ステップと、前記第1の予測ステップと前記第2の予測ステップでそれぞれ予測した前記評価用材料の品質特性の差を前記一部の画素の輝度の値を変化させてマッピングするマップ生成ステップと、を有してもよい。
Further, the method for generating a quality characteristic map according to the present invention includes a learning image group composed of a plurality of learning images obtained by imaging one or more learning materials, and the learning image in the learning image. The quality characteristics of the material are associated with each other and read, and a plurality of learning areas are cut out from the learning image.
A machine learning step in which a learning feature amount is extracted from the learning area and a regression model for predicting the quality characteristics of the learning material is learned from the learning feature amount, and an evaluation image of one or more evaluation materials. Is read, a plurality of evaluation regions are cut out from the evaluation image, a first evaluation feature amount is extracted from the evaluation area, and the evaluation feature amount and the regression model are used for the evaluation. For each region, the first prediction step of predicting the quality characteristics of the evaluation material and the brightness value of a part of the pixels in the evaluation region are replaced with arbitrary values, and the second evaluation feature amount is used. A second prediction step of extracting and predicting the quality characteristics of the evaluation material for each evaluation region by the second evaluation feature amount and the regression model, the first prediction step, and the above. It may have a map generation step of mapping the difference in quality characteristics of the evaluation material predicted in the second prediction step by changing the value of the brightness of some of the pixels.
また、前記学習用特徴量、前記第1の評価用特徴量及び前記第2の評価用特徴量の抽出は、学習済みの畳み込みニューラルネットワークを用いて行うことが好ましい。 Further, it is preferable to extract the learning feature amount, the first evaluation feature amount, and the second evaluation feature amount by using a learned convolutional neural network.
また、前記第1の予測ステップと前記第2の予測ステップでそれぞれ予測した前記評価用材料の品質特性の差は、SHAP値であることが好ましい。 Further, the difference in quality characteristics of the evaluation material predicted in the first prediction step and the second prediction step is preferably a SHAP value.
本発明によれば、製作した材料を撮像した画像に対して、前記材料の性能、すなわち品質特性を、例えば一つしか得ることができなくても、画像内における品質特性の分布を表すマップを生成することが可能となり、それらは、新材料の開発における有益な情報として、マテリアルズインフォマティクスにおいて極めて有用となる。
また、画像などの情報が少ない材料でも品質特性マップを描くことができる。
According to the present invention, a map showing the distribution of quality characteristics in an image, even if only one quality characteristic, that is, the performance of the material, can be obtained with respect to an image of the produced material. It will be possible to generate them, which will be extremely useful in materials informatics as useful information in the development of new materials.
In addition, a quality characteristic map can be drawn even for materials with little information such as images.
以下、本発明の品質特性マップの生成方法について、五つの実施形態を用いて詳細に説明する。第1の実施形態では、磁石の電子顕微鏡の画像から、前記磁石の品質特性として重要な磁束密度と保磁力の分布を表す品質特性マップを生成した例を説明する。第2、第3の実施形態では、本発明の方法の確からしさを検証するために実施したシミュレーションの例を説明する。第4の実施形態では、磁石の電子顕微鏡の画像から、磁束密度と保磁力の分布を示す品質特性マップを、分解能を向上させる方法で生成した例について説明する。そして、第5の実施形態では、第4の実施形態で用いた方法の確からしさを検証するために実施したシミュレーションの例を説明する。 Hereinafter, the method for generating the quality characteristic map of the present invention will be described in detail using five embodiments. In the first embodiment, an example in which a quality characteristic map showing the distribution of the magnetic flux density and the coercive force, which are important as the quality characteristics of the magnet, is generated from the electron microscope image of the magnet will be described. In the second and third embodiments, an example of a simulation carried out for verifying the certainty of the method of the present invention will be described. In the fourth embodiment, an example in which a quality characteristic map showing the distribution of magnetic flux density and coercive force is generated from an electron microscope image of a magnet by a method of improving the resolution will be described. Then, in the fifth embodiment, an example of the simulation carried out for verifying the certainty of the method used in the fourth embodiment will be described.
(第1の実施形態)
図1は、入力する電子顕微鏡の画像と、本実施形態に基づいて生成した品質特性マップの例である。入力画像10は、磁石の材料の一部を電子顕微鏡で撮像した画像であり、磁束密度マップ11、及び保磁力マップ12は、夫々、本発明を用いて生成した磁束密度のマップと保磁力のマップである。
磁束密度マップ11や保磁力マップ12の品質特性マップは、後述のとおり、生成時に用いる矩形領域のサイズに従って、画像の端部は生成することができない。
(First Embodiment)
FIG. 1 is an example of an electron microscope image to be input and a quality characteristic map generated based on the present embodiment. The
As described later, the quality characteristic map of the magnetic flux density map 11 and the
生成した磁束密度マップ11と保磁力マップ12は、濃淡が濃い部位ほど予測した品質特性が高く、淡い部位ほど予測した品質特性が低いことを表している。
入力画像10の電子顕微鏡で撮像した画像と、磁束密度マップ11や保磁力マップ12の品質特性マップを視覚的に照らし合わせて、磁束密度が高く予測された部位は、どのような組織構造で、磁束密度が低く予測された部位は、どのような組織構造で、また、保磁力が高く予測された部位は、どのような組織構造で、保磁力が低く予測された部位は、どのような組織構造なのか、比較することができる。
The generated magnetic flux density map 11 and
By visually comparing the image captured by the electron microscope of the
磁石は、入力画像10の濃淡の濃い部位が塊として面積が広いほど磁束密度が高くなることが知られており、磁束密度マップ11のマップにその現象が現れている。また、入力画像10の濃淡の淡い部位が込み入っているほど保磁力が高くなることも知られており、保磁力マップ12にその現象が現れている。
It is known that the magnetic flux density of a magnet increases as the area of the
なお磁束密度マップ11や保磁力マップ12の品質特性マップは、本実施形態では濃淡で図示したが、擬似カラーを用いると品質特性の大小関係がよりわかりやすくなる。
The quality characteristic maps of the magnetic flux density map 11 and the
図2は、材料リストの例である。材料リストには、材料番号、品質特性として測定された磁束密度と保磁力、さらに電子顕微鏡の画像ファイル名が記述されており、電子顕微鏡で撮像した材料の画像と、その画像に対する品質特性の対応付けに用いられる。
縦に各材料に対するデータが記述されている。この例では、一つの材料に対して、一つの磁束密度の測定結果、一つの保磁力の測定結果、一つの画像が管理されている。
FIG. 2 is an example of a material list. The material list describes the material number, the magnetic flux density and coercive force measured as quality characteristics, and the image file name of the electron microscope. Used for attachment.
The data for each material is described vertically. In this example, one measurement result of magnetic flux density, one measurement result of coercive force, and one image are managed for one material.
本実施形態における回帰モデルを学習する機械学習ステップは、複数の学習用材料を撮像して得られた学習用画像群と、学習用画像群の夫々の学習用画像における学習用材料の品質特性とを対応付けて読み込み、読み込んだ学習用画像から複数の学習用矩形領域を切り出して、切り出した学習用矩形領域を用いて学習用特徴量を抽出し、その学習用特徴量から学習用材料の品質特性を予測する回帰モデルを学習することである。 The machine learning step for learning the regression model in the present embodiment includes the learning image group obtained by imaging a plurality of learning materials and the quality characteristics of the learning material in each learning image of the learning image group. , A plurality of learning rectangular areas are cut out from the read learning image, a learning feature amount is extracted using the cut out learning rectangular area, and the quality of the learning material is obtained from the learning feature amount. It is to learn a regression model that predicts the characteristics.
図3は、本実施形態における回帰モデルを学習する機械学習ステップの学習手順を示すフローチャートの例である。 FIG. 3 is an example of a flowchart showing a learning procedure of a machine learning step for learning a regression model in this embodiment.
段階101では、インターネット上に公開されている学習済みの畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の特徴量抽出器を読み込む。
この特徴量抽出器は、本発明の対象である磁石やセラミクスなどの画像を解析するために学習したものではなく、動物や植物などを識別したり、自動車、歩行者などを識別したりするために学習されたものである。例えば、統計解析の分野で顕著なR言語では、深層学習用ライブラリKerasに組み込まれている関数application_vgg16を実行することで、この特徴量抽出器を読み込むことができる。
段階102では、図2に示した材料リストを読み込む。
In
This feature extractor was not learned to analyze images of magnets, ceramics, etc., which is the object of the present invention, but to identify animals, plants, etc., and to identify automobiles, pedestrians, etc. It was learned in. For example, in the R language, which is prominent in the field of statistical analysis, this feature extractor can be read by executing the function application_vgg16 incorporated in the deep learning library Keras.
In
段階103から段階111の間は、前記材料リストの行数分、すなわち画像の枚数分、ループで繰り返す。
段階104では、電子顕微鏡で撮像した画像ファイルを読み込む。
段階105から段階110の間、段階106から段階109の間は、読み込んだ画像に対して、学習用矩形領域(以下、矩形領域と略す。)の中心のX座標とY座標を動かしながら処理する。
段階107ではX座標、Y座標に基づいて矩形領域のデータを切り出し、段階108では、 段階101で読み込んだ学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を用いて、切り出した矩形領域に対する学習用特徴量(以下、特徴量と略す。)を抽出する。
The period from
In
From
In
段階112では、特徴量の種類を削減する。学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を用いて特徴量を抽出する場合、必ずしも有効な特徴量だけが抽出されるわけではない。切り出す矩形領域のサイズが、256画素×256画素×3層(RGB)の場合、32768種類の特徴量が抽出される。しかし、特徴量の種類によっては、値としてゼロしか入っていない場合も多数あるため、例えば、特徴量の値としてゼロが入っている矩形領域が、全矩形領域に対して90%以上であるような特徴量は削除する。
In
段階113では、磁束密度を予測するための回帰モデルを学習する。また段階114では、保磁力を予測するための回帰モデルを学習する。
In step 113, a regression model for predicting the magnetic flux density is learned. Further, in
段階113、段階114ともに回帰モデルとして、重回帰分析、ランダムフォレスト、サポートベクターマシンなどのいずれの回帰系の機械学習方式でも適用できる。
これらの機械学習方式は、ニューラルネットワークよりも少ない材料の数でも学習できる利点がある。
重回帰分析は入力する特徴量の種類の数に制限があるため、主成分分析で事前に次元を削減するとよい。
かかる観点からは、ランダムフォレストが使いやすい。
Both
These machine learning methods have the advantage that they can learn with a smaller number of materials than neural networks.
Since there is a limit to the number of types of features that can be input in multiple regression analysis, it is advisable to reduce the dimensions in advance by principal component analysis.
From this point of view, Random Forest is easy to use.
すなわち、画像を入力し、畳み込みニューラルネットワークを経由して、ランダムフォレストで品質特性、すなわち、ここでは磁束密度や保磁力を予測する回帰モデルを生成する。 That is, an image is input, and a regression model that predicts quality characteristics, that is, magnetic flux density and coercive force, is generated in a random forest via a convolutional neural network.
図4は、段階112の完了後の特徴量データの例である。この特徴量データは、一つの材料番号に対して、複数のX座標とY座標の対301が付いている。品質特性302は、同じ材料番号であれば、項目ごとに同じ値が付いている。特徴量303は、特徴量の種類の数だけ、列が並んでいる。
FIG. 4 is an example of feature data after the completion of
学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器は、F1からF3268まで、32768種類の特徴量を抽出するが、特徴量の値としてゼロが入っている矩形領域が、全矩形領域に対して90%以上であるような特徴量を削除した結果、この例で示すように、F28、F56など数百種類の特徴量に削減される。 The trained convolutional neural network feature extractor extracts 32768 types of features from F1 to F3268, but the rectangular area containing zero as the feature value is 90% of the total rectangular area. As a result of deleting the above-mentioned feature amounts, as shown in this example, the number of feature amounts is reduced to several hundred types such as F28 and F56.
図5は、入力する画像、矩形領域、座標の関係を説明する図である。
段階104で読み込む画像に対して、横方向にX座標、縦方向にY座標をとり、左上部を原点とした画素数に応じて座標が定まる。同図のように横に2560画素、縦に1920画素の画像であれば、X座標は1から2560、Y座標は1から1920まである。
矩形領域13は、画像の一部分を切り出した画像の小片である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the input image, the rectangular area, and the coordinates.
With respect to the image read in
The
例えば、図示した矩形領域13は、中心の座標がX=2304、Y=256で、横に256画素、縦に256画素の領域である。
矩形領域13のサイズは、横に256画素、縦に256画素に限ったものではなく、画像のサイズや、画像に写り込んでいる組織のサイズなどに応じて自由に定めてよい。矩形領域13のサイズが小さいほど、生成される品質特性マップの分解能は高くなる。
しかし、矩形領域13のサイズが小さいと、品質特性の予測精度が低下し、生成された品質特性マップの信憑性が低下する。
そのため、品質特性の予測精度を確認し、妥当な矩形領域13のサイズを定めるとよい。
For example, the illustrated
The size of the
However, if the size of the
Therefore, it is advisable to confirm the prediction accuracy of the quality characteristics and determine an appropriate size of the
本実施形態におけるマップ生成ステップは、少なくとも一つ以上の評価用材料の評価用画像を読み込み、読み込んだ評価用画像から複数の評価用矩形領域を切り出し、切り出した評価用矩形領域から評価用特徴量を抽出し、抽出した評価特徴量と回帰モデルによって、評価用矩形領域毎に、評価用材料の品質特性を予測し、予測した評価用材料の品質特性を用いて、評価用画像内における評価用材料の品質特性の分布をマッピングすることである。 In the map generation step in the present embodiment, at least one evaluation image of the evaluation material is read, a plurality of evaluation rectangular areas are cut out from the read evaluation image, and the evaluation feature amount is cut out from the cut out evaluation rectangular area. Is extracted, the quality characteristics of the evaluation material are predicted for each evaluation rectangular area by the extracted evaluation feature quantity and the regression model, and the predicted quality characteristics of the evaluation material are used for evaluation in the evaluation image. It is to map the distribution of the quality properties of the material.
図6は、本実施形態におけるマップ生成ステップの手順を示すフローチャートの例である。 FIG. 6 is an example of a flowchart showing the procedure of the map generation step in the present embodiment.
段階201では、段階101と同じ学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を読み込む。
段階202では、段階113で学習した磁束密度を予測するための回帰モデルを読み込む。
段階203では、段階114で学習した保磁力を予測するための回帰モデルを読み込む。
段階204では、品質特性マップを生成したい材料の画像を読み込む。
ここで読み込む画像は、回帰モデルの学習に用いた学習用材料の画像の一つでもよいし、学習に用いなかった別の材料の画像でもよい。
ただし、倍率やサイズなど画像の撮像条件は、回帰モデルの学習に用いた画像と同等である必要がある。
In
In
In
In
The image read here may be one of the images of the learning material used for learning the regression model, or may be an image of another material not used for learning.
However, the image imaging conditions such as magnification and size must be the same as the image used for learning the regression model.
段階205から段階212の間、段階206から段階211の間は、読み込んだ画像に対して、評価用矩形領域(以下、矩形領域と略す。)の中心のX座標とY座標を動かしながら処理する。
段階207では、X座標、Y座標に対する矩形領域を切り出す。
段階208では、矩形領域に対する評価用特徴量(以下、特徴量と略す。)を学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を用いて抽出し、段階112で削減した特徴量の種類と同じものを削除する。
段階209では、矩形領域の磁束密度を予測する。
段階210では、矩形領域の保磁力を予測する。
From
In
In
In
In step 210, the coercive force of the rectangular region is predicted.
図7は、段階209と段階210で予測された品質特性データの例である。
X座標、Y座標の組み合わせ毎に、予測した磁束密度、予測した保磁力が列挙されている。
FIG. 7 is an example of quality characteristic data predicted in
The predicted magnetic flux density and the predicted coercive force are listed for each combination of the X coordinate and the Y coordinate.
ループが終了したら、段階213では、X座標、Y座標、予測した磁束密度を用いて、磁束密度マップを生成する。
段階214では、X座標、Y座標、予測した保磁力を用いて、保磁力マップを生成する。この例では、回帰モデルを学習するときと同じようにX座標とY座標を動かしたが、学習ではX座標、Y座標を粗く動かし、品質特性マップを生成するときには、学習の場合よりも細かく動かしてもよい。
細かく動かした方が、より分解能の高い品質特性マップを生成することができる。
At the end of the loop,
In
The finer the movement, the higher the resolution of the quality characteristic map can be generated.
ここで、本発明におけるマッピングとは、上述のように予測された品質特性データから、品質特性の分布を画像化したものである。さらに、マッピングは、等高線図で画像化することが好ましく、その結果が、図1で示した11の磁束密度マップや12の保磁力マップである。 Here, the mapping in the present invention is an image of the distribution of quality characteristics from the quality characteristic data predicted as described above. Further, the mapping is preferably imaged with a contour map, and the result is the magnetic flux density map of 11 and the coercive force map of 12 shown in FIG.
等高線図は、Python言語であれば、グラフ描画ライブラリのmatplotlibやseaborn、R言語であれば、基本関数のcontour、ないしはグラフ描画ライブラリのggplot2を用いれば容易に描くことができる。
ただし、それらを使うことができない場合には、例えば、品質特性データに対して、滑らかなBスプライン曲面を近似して、画像化してもよい。
さらに単純に、品質特性データのX座標、Y座標で散布図を描き、予測した磁束密度や予測した保磁力で各打点に色付けするだけでもよい。
また、マッピングは、2次元表示だけでなく、3次元表示で画像化しても良い。
The contour map can be easily drawn by using the graph drawing library matplotlib or seaborn in the Python language, the basic function contour in the R language, or ggplot2 in the graph drawing library.
However, when they cannot be used, for example, a smooth B-spline curved surface may be approximated to the quality characteristic data and imaged.
More simply, a scatter plot may be drawn with the X and Y coordinates of the quality characteristic data, and each hit point may be colored with the predicted magnetic flux density and the predicted coercive force.
Further, the mapping may be imaged not only in the two-dimensional display but also in the three-dimensional display.
(第2の実施形態)
次に、本実施形態の方法で生成する品質特性マップの確からしさを検証するために、モンテカルロシミュレーションで、磁石の組織構造と類似したボロノイ図を描いた画像を生成し、その画像を入力して品質特性マップを生成した。
(Second Embodiment)
Next, in order to verify the certainty of the quality characteristic map generated by the method of the present embodiment, an image depicting a boronoy diagram similar to the structure of the magnet is generated by Monte Carlo simulation, and the image is input. A quality characteristic map was generated.
図8は、モンテカルロシミュレーションによる、ボロノイ図の画像生成の手順を示すフローチャートである。ここでは256画素×256画素の正方形の画像を生成する例を説明する。 FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for generating an image of a Voronoi diagram by Monte Carlo simulation. Here, an example of generating a square image of 256 pixels × 256 pixels will be described.
段階401から段階408の間は、組織の個数を変数として繰り返す。
例えば、変数Nが40のとき、一つの画像内に40個の組織を生成する。
すなわち、組織の平均の面積は、画像サイズの40分の1となる。
段階402から段階407の間は、組織の個数が等しい画像を20枚生成するために20回繰り返す。
段階403では、変数Nに基づき、N個のランダムなX,Y座標を生成する。X座標として1から256までの整数をランダムに発生させる。また、Y座標も1から256までの整数をランダムに発生させる。
段階404では、N個のランダムな座標からボロノイ図の頂点群を計算する。
段階405では計算された頂点群を線分で結びボロノイ図を描画する。
段階406でボロノイ図が描画された画像を保存する。このフローチャートの処理を実行することで、異なる組織構造の画像を100枚生成できる。
From
For example, when the variable N is 40, 40 tissues are generated in one image.
That is, the average area of the tissue is 1/40 of the image size.
Between
In
In
In
Save the image in which the Voronoi diagram was drawn in
図9は、ボロノイ図が描画された画像と、それを入力として、生成された品質特性マップの例を示す。
ボロノイ図画像421は、段階406で保存されたボロノイ図が描画された256画素×256画素の画像の例である。品質特性マップ422は、ボロノイ図画像421の画像を入力して、生成された品質特性マップである。
回帰モデルは、目的変数を組織の平均の面積として生成した。
FIG. 9 shows an image in which a Voronoi diagram is drawn and an example of a quality characteristic map generated by using the image as an input.
The
The regression model generated the objective variable as the mean area of the tissue.
この結果、画像毎に組織の平均の面積で回帰モデルを生成しても、品質特性マップ422のように、組織の面積が広い部位は、濃淡が濃く、組織の面積が小さい部位は、濃淡が淡く描かれている。
たとえば、ボロノイ図画像421の画像の右上端のように面積の広い組織があると、それに対応するように、品質特性マップ422の右上端は、濃淡が濃く描かれている。
一方、ボロノイ図画像421の画像の右下端のように面積の狭い組織が密集している部位は、それに対応するように、品質特性マップ422の右下端は、濃淡が淡く描かれている。
従って、本発明を用いて生成された品質特性マップ422は、ボロノイ図画像421の面積に関する特徴をよく表していることが分かる。
As a result, even if a regression model is generated with the average area of the tissue for each image, as in the quality
For example, if there is a structure having a large area such as the upper right corner of the
On the other hand, the lower right corner of the quality
Therefore, it can be seen that the quality
(第3の実施形態)
次に、本実施形態の方法で生成する品質特性マップの確からしさを別の対象で検証するために、モンテカルロシミュレーションでセラミクスの粒界構造と類似した図を描いた画像を生成し、その画像を入力して品質特性マップを生成した。
(Third Embodiment)
Next, in order to verify the certainty of the quality characteristic map generated by the method of the present embodiment with another object, an image drawing a diagram similar to the grain boundary structure of ceramics is generated by Monte Carlo simulation, and the image is displayed. Input to generate a quality characteristic map.
セラミクスの粒界構造として、小さな打点がランダムに散りばめられたような画像が撮像される。
しかし、焼結条件によって、直線状に異常成長する粒体が発生し、それが曲げ強度を低下させる。 そこで、ランダムな打点とランダムな線分を混ぜ合わせた画像を生成して、線分の総長を予測する回帰モデルを生成して検証した。
As the grain boundary structure of ceramics, an image in which small dots are randomly scattered is captured.
However, depending on the sintering conditions, particles that grow abnormally in a straight line are generated, which reduces the bending strength. Therefore, we generated an image in which random dots and random line segments were mixed, and generated and verified a regression model that predicts the total length of the line segments.
図10は、モンテカルロシミュレーションによる、粒界構造の画像生成の手順を示すフローチャートである。ここでは256画素×256画素の正方形の画像を生成する例を説明する。 FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for generating an image of a grain boundary structure by a Monte Carlo simulation. Here, an example of generating a square image of 256 pixels × 256 pixels will be described.
段階501から段階507の間は、生成する画像数分だけ繰り返す。
段階502では、50組のランダムなXY座標の対を生成する。すなわち座標(X1,Y1)と座標(X2,Y2)を生成し、それらを結ぶ線分を異常成長した粒体とする。ただし、あまりに長い異常成長は存在しない。
そこで、段階503でそれぞれの線分の長さを計算し、段階504では、50個の線分を整列し、短い方から10個だけを選び出して、10本の線分を描画する。
段階505では、200個のランダムな打点を描画する。
段階506では、線分と打点が描画された画像を保存する。
Between
In
Therefore, the length of each line segment is calculated in
In
In
図11は、線分と打点が描画された画像と、それを入力として、生成された品質特性マップの例を示す。
擬セラミクス粒界構造画像521は、段階506で保存された線分と打点が描画された256画素×256画素の画像の例である。
品質特性マップ522は、擬セラミクス粒界構造画像521の画像を入力して、生成された品質特性マップである。
回帰モデルは、目的変数を複数の線分の総長として生成した。
FIG. 11 shows an image in which line segments and dots are drawn and an example of a quality characteristic map generated by using the image as an input.
The pseudo-ceramic grain
The quality
The regression model generated the objective variable as the total length of multiple line segments.
この結果、複数の線分の総長として回帰モデルを生成しているにもかかわらず、長い線分が存在している部位や、複数の線分が密集している部位で、品質特性マップ522の濃淡が濃く描かれていることが確認できる。
従って、本実施形態を用いて生成された品質特性マップ522は、擬セラミクス粒界構造画像521に関する特徴をよく表していることが分かる。
As a result, although the regression model is generated as the total length of a plurality of line segments, the quality
Therefore, it can be seen that the quality
(第4の実施形態)
図12は、入力する電子顕微鏡の画像と、本実施形態に基づいて生成した品質特性マップの例である。入力画像15は、磁石の材料の一部を電子顕微鏡で撮像した画像であり、磁束密度マップ16、及び保磁力マップ17は、夫々、本発明を用いて生成した磁束密度のマップと保磁力のマップである。
磁束密度マップ16や保磁力マップ17の品質特性マップは、磁束密度マップ11や保磁力マップ12よりも分解能が高く、画像の端部も生成できる点で、磁束密度マップ11や保磁力マップ12と異なる。
(Fourth Embodiment)
FIG. 12 is an example of an electron microscope image to be input and a quality characteristic map generated based on the present embodiment. The
The quality characteristic maps of the magnetic
生成した磁束密度マップ16と保磁力マップ17は、濃淡が薄い部位ほど品質特性を高める作用のある組織、濃淡が濃い部位ほど品質特性を下げる作用のある組織であることを表している。
入力画像15の電子顕微鏡で撮像した画像と、磁束密度マップ16や保磁力マップ17の品質特性マップを視覚的に照らし合わせて、磁束密度を高くする作用がある部位は、どのような組織構造で、磁束密度を低くする作用がある部位は、どのような組織構造で、また、保磁力を高くする作用がある部位は、どのような組織構造で、保磁力を低くする作用がある部位は、どのような組織構造なのか、比較することができる。
The generated magnetic
What kind of tissue structure is the part that has the effect of increasing the magnetic flux density by visually comparing the image captured by the electron microscope of the
磁石は、入力画像15の濃淡の濃い部位、すなわち粒子部が塊として面積が広いほど磁束密度が高くなることが知られている。磁束密度マップ16は、面積が広い粒子部の端部に磁束密度を高める作用があることが現れている。特に、粒子部の左端と右端に磁束密度を高める作用があり、濃淡が淡くなっている。一方、粒子部の端部でも、上端と下端は濃淡が濃くなっていることがわかる。これは、電子顕微鏡画像15の磁化容易軸の向きが左右になっていることを現わしている。また、入力画像15の濃淡の淡い部位、すわなち、粒界部ほど保磁力が高くなることも知られている。保磁力マップ17にはその現象が現れている。これらの品質特性マップから、縦に長めの粒子部を形成できれば、磁束密度と保磁力の両方を高めることができることがわかる。
It is known that the magnetic flux density of a magnet increases as the area of the
なお磁束密度マップ16や保磁力マップ17の品質特性マップは、本実施形態では濃淡で図示したが、擬似カラーを用いると品質特性の大小関係がよりわかりやすくなる。例えば、品質特性を上げる作用がある部分は赤く色づけ、品質特性を下げる作業がある部分は青く色づけるとわかりやすい。
The quality characteristic maps of the magnetic
磁束密度マップ16や保磁力マップ17を生成する手順において、機械学習ステップは、磁束密度マップ11や保磁力マップ12を生成するために例示した図3のフローチャートと同じである。一方、マップ生成ステップは若干異なる。
In the procedure for generating the magnetic
図13は、本実施形態におけるマップ生成ステップの手順を示すフローチャートの例である。
なお、以下に示される段階113や段階114については、図3のフローチャートを参照する。
段階201では、学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を読み込む。
段階202では、段階113で学習した磁束密度を予測するための回帰モデルを読み込む。
段階203では、段階114で学習した保磁力を予測するための回帰モデルを読み込む。
段階204では、品質特性マップを生成したい材料の画像を読み込む。
ここで読み込む画像は、回帰モデルの学習に用いた学習用材料の画像の一つでもよいし、学習に用いなかった別の材料の画像でもよい。
ただし、倍率やサイズなど画像の撮像条件は、回帰モデルの学習に用いた画像と同等である必要がある。
FIG. 13 is an example of a flowchart showing the procedure of the map generation step in the present embodiment.
For the
In
In
In
In
The image read here may be one of the images of the learning material used for learning the regression model, or may be an image of another material not used for learning.
However, the image imaging conditions such as magnification and size must be the same as the image used for learning the regression model.
段階205から段階212の間、段階206から段階211の間は、読み込んだ画像に対して、評価用矩形領域(以下、矩形領域と略す。)の中心のX座標とY座標を動かしながら処理する。
段階207では、X座標、Y座標に対する矩形領域を切り出す。
段階208では、矩形領域に対する第1の評価用特徴量(以下、特徴量1と略す。)を学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を用いて抽出し、段階112で削減した特徴量の種類と同じものを削除する。
From
In
In
また、矩形領域の一部の画素の輝度の値を任意の値に置換し、矩形領域に対する第2の評価用特徴量(以下、特徴量2と略す。)を学習済みの畳み込みニューラルネットワークの特徴量抽出器を用いて抽出し、段階112で削減した特徴量の種類と同じものを削除する。
Further, the luminance value of a part of the pixels in the rectangular region is replaced with an arbitrary value, and the second evaluation feature quantity (hereinafter, abbreviated as feature quantity 2) for the rectangular region is the feature of the trained convolutional neural network. Extract using a quantity extractor, and delete the same type of feature quantity reduced in
次に、特徴量1と、段階113や段階114で学習した回帰モデルによって、矩形領域毎に、評価用材料の品質特性を予測し(第1の予測ステップ)、同様に、特徴量2についても回帰モデルによって、矩形領域毎に、評価用材料の品質特性を予測する(第2の予測ステップ)。更に、第1の予測ステップと第2の予測ステップでそれぞれ予測した評価用材料の品質特性の差を一部の画素の輝度の値を変化させてマッピングする(マップ生成ステップ)。
Next, the quality characteristics of the evaluation material are predicted for each rectangular region by the
ここで、第1の予測ステップと第2の予測ステップでそれぞれ予測した評価用材料の品質特性の差は、例えば、段階113や段階114で学習した回帰モデルを用いて算出できるSHAP値に相当する値である。
Here, the difference in the quality characteristics of the evaluation materials predicted in the first prediction step and the second prediction step corresponds to, for example, the SHAP value that can be calculated using the regression model learned in
なお、SHAP値はXAI(Explainable AI)において算出される数値の一例であり、LIME(Local Interpretable Model-agnostic Explanations)などのXAIを用いて、予測ステップ1と予測ステップ2でそれぞれ予測した評価用材料の品質特性の差を算出してもよい。
The SHAP value is an example of a numerical value calculated by XAI (Explainable AI), and is an evaluation material predicted in
そこで、本実施形態における段階231では、段階202で読み込んだ磁束密度を予測するための回帰モデルを用いて矩形領域の磁束密度のSHAP値の行列を算出する。SHAP値は256×256画素の矩形領域であれば、同様に256×256個のSHAP値が算出される。すなわち、画素毎にSHAP値が算出されるため、分解能の高い品質特性マップを生成できる。
段階232では、段階203で読み込んだ保磁力を予測するための回帰モデルを用いて矩形領域の保磁力のSHAP値の行列を算出する。
Therefore, in
In
ループが終了したら、段階233では、X座標、Y座標、算出したSHAP値の行列を用いて、磁束密度マップを生成する。
段階234では、X座標、Y座標、算出したSHAP値の行列を用いて、保磁力マップを生成する。
When the loop is completed, in
In
(第5の実施形態)
次に、本実施形態の方法で生成する品質特性マップの確からしさを検証するために、モンテカルロシミュレーションで、磁石の組織構造と類似したボロノイ図を描いた画像を生成し、その画像を入力して品質特性マップを生成した。モンテカルロシミュレーションによるボロノイ図の画像生成の手順は、図8と同じである。
(Fifth Embodiment)
Next, in order to verify the certainty of the quality characteristic map generated by the method of the present embodiment, an image depicting a Boronoi diagram similar to the structure of the magnet is generated by Monte Carlo simulation, and the image is input. A quality characteristic map was generated. The procedure for generating an image of a Voronoi diagram by Monte Carlo simulation is the same as that in FIG.
図14は、ボロノイ図が描画された画像と、それを入力として、第4の実施形態を用いて生成された品質特性マップの例を示す。
ボロノイ図画像431は、段階406で保存されたボロノイ図が描画された256画素×256画素の画像の例である。品質特性マップ432は、ボロノイ図画像431の画像を入力して、生成された品質特性マップである。回帰モデルは、目的変数を組織の平均の面積として生成した。
FIG. 14 shows an image in which the Voronoi diagram is drawn and an example of a quality characteristic map generated by using the image as an input and using the fourth embodiment.
The
この結果、画像毎に組織の平均の面積で回帰モデルを生成しても、品質特性マップ432のように、組織の面積が広い部位は、濃淡が濃く、組織の面積が小さい部位は、濃淡が淡く描かれている。特に、組織の面積が小さい部位の粒界部は、濃淡がほぼ白となった。
従って、本実施形態における品質特性マップ432は、ボロノイ図画像431の面積に関する特徴をよく表していることが分かる。
As a result, even if a regression model is generated with the average area of the tissue for each image, as in the quality
Therefore, it can be seen that the quality
本発明は、電子顕微鏡に限らず、いかなる画像撮像装置にも適用できる。
また、本発明は、画像撮像装置の原理、組成情報、組織構造などの知識を必要としない。
さらに、実験で製作した材料を撮像した画像に対して、その性能、すなわち品質特性が一つしか得られない場合でも、画像内の品質特性の分布を表すマップを生成できる。
The present invention is not limited to an electron microscope, and can be applied to any image imaging device.
Further, the present invention does not require knowledge of the principle, composition information, tissue structure, etc. of the image capturing apparatus.
Further, it is possible to generate a map showing the distribution of quality characteristics in an image even when only one quality characteristic is obtained for the image obtained by capturing the material produced in the experiment.
その結果、生成されたマップから、性能の良い部位と悪い部位を比較することができる。たとえば、セラミクスの強度のような品質特性には、粒界構造の異常成長が最も影響することがわかっている。
しかし、粒界構造の異常成長以外にも強度に影響を与える要因が潜んでいる。
As a result, it is possible to compare the good part and the bad part from the generated map. For example, overgrowth of grain boundary structures has been found to have the greatest effect on quality characteristics such as ceramic strength.
However, there are other factors that affect the strength other than the abnormal growth of the grain boundary structure.
本発明は、そのような材料に対しても、材料を撮像して得た画像から、品質特性の分布、すなわち強度分布のマップを生成でき、強度の強い部位と弱い部位を比較することができる。その結果、新材料の開発者が想定していない現象に対して、気づきを与えることができる。 The present invention can generate a map of quality characteristic distribution, that is, intensity distribution, from an image obtained by imaging a material even for such a material, and can compare a strong portion and a weak portion. .. As a result, it is possible to give awareness to a phenomenon that the developer of the new material does not anticipate.
また、本発明は、特許文献2の方法のように、多数の材料、それらの画像、それらの品質特性を測定しておかなくても活用できる。 Further, the present invention can be utilized without measuring a large number of materials, their images, and their quality characteristics as in the method of Patent Document 2.
以上、本発明について、上記実施形態を用いて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に含まれる技術範囲にて、内容を変更することができる。
例えば、上記実施形態では、磁石の磁束密度と保磁力という品質特性をマッピングしたが、セラミクスの熱伝導率と曲げ強度の品質特性をマッピングすることに用いることも可能である。
Although the present invention has been described above using the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment. The contents can be changed within the technical scope included in the claims.
For example, in the above embodiment, the quality characteristics of the magnetic flux density and the coercive force of the magnet are mapped, but it can also be used to map the quality characteristics of the thermal conductivity and the bending strength of ceramics.
10 入力画像
11 磁束密度マップ
12 保磁力マップ
13 矩形領域
421 ボロノイ図画像
422 品質特性マップ
521 擬セラミクス粒界構造画像
522 品質特性マップ
15 入力画像
16 磁束密度マップ
17 保磁力マップ
431 ボロノイ図画像
432 品質特性マップ
10 Input image 11 Magnetic
Claims (7)
前記学習用画像から複数の学習用領域を切り出して、
前記学習用領域から学習用特徴量を抽出し、前記学習用特徴量から前記学習用材料の品質特性を予測する回帰モデルを学習する機械学習ステップと、
一つ以上の評価用材料の評価用画像を読み込み、
前記評価用画像から複数の評価用領域を切り出して、
前記評価用領域から評価用特徴量を抽出し、
前記評価特徴量と、前記回帰モデルによって、前記評価用領域毎に、前記評価用材料の品質特性を予測し、
予測した前記評価用材料の品質特性を用いて、前記評価用画像内における前記評価用材料の品質特性の分布のマッピングを行うマップ生成ステップと、
を有することを特徴とする品質特性マップの生成方法。 A learning image group consisting of a plurality of learning images obtained by imaging one or more learning materials and a quality characteristic of the learning material in the learning image are read in association with each other.
A plurality of learning areas are cut out from the learning image, and a plurality of learning areas are cut out.
A machine learning step in which a learning feature amount is extracted from the learning area and a regression model for predicting the quality characteristic of the learning material is learned from the learning feature amount.
Load the evaluation image of one or more evaluation materials,
A plurality of evaluation areas are cut out from the evaluation image, and a plurality of evaluation areas are cut out.
The evaluation feature amount is extracted from the evaluation area, and the evaluation feature amount is extracted.
The quality characteristics of the evaluation material are predicted for each evaluation area by the evaluation feature amount and the regression model.
A map generation step of mapping the distribution of the quality characteristics of the evaluation material in the evaluation image using the predicted quality characteristics of the evaluation material.
A method of generating a quality characteristic map, which comprises having.
前記学習用画像から複数の学習用領域を切り出して、
前記学習用領域から学習用特徴量を抽出し、前記学習用特徴量から前記学習用材料の品質特性を予測する回帰モデルを学習する機械学習ステップと、
一つ以上の評価用材料の評価用画像を読み込み、
前記評価用画像から複数の評価用領域を切り出して、
前記評価用領域から第1の評価用特徴量を抽出し、
前記第1の評価用特徴量と、前記回帰モデルによって、前記評価用領域毎に、前記評価用材料の品質特性を予測する第1の予測ステップと、
前記評価用領域の一部の画素の輝度の値を任意の値に置換し、第2の評価用特徴量を抽出し、前記第2の評価用特徴量と、前記回帰モデルによって、前記評価用領域毎に、前記評価用材料の品質特性を予測する第2の予測ステップと、
前記第1の予測ステップと前記第2の予測ステップでそれぞれ予測した前記評価用材料の品質特性の差を前記一部の画素の輝度の値を変化させてマッピングするマップ生成ステップと、
を有することを特徴とする品質特性マップの生成方法。 A learning image group consisting of a plurality of learning images obtained by imaging one or more learning materials and a quality characteristic of the learning material in the learning image are read in association with each other.
A plurality of learning areas are cut out from the learning image, and a plurality of learning areas are cut out.
A machine learning step in which a learning feature amount is extracted from the learning area and a regression model for predicting the quality characteristic of the learning material is learned from the learning feature amount.
Load the evaluation image of one or more evaluation materials,
A plurality of evaluation areas are cut out from the evaluation image, and a plurality of evaluation areas are cut out.
The first evaluation feature amount is extracted from the evaluation area, and the evaluation feature amount is extracted.
The first prediction step of predicting the quality characteristics of the evaluation material for each evaluation region by the first evaluation feature amount and the regression model.
The brightness value of a part of the pixels in the evaluation region is replaced with an arbitrary value, the second evaluation feature amount is extracted, and the evaluation feature amount is used with the second evaluation feature amount and the regression model. A second prediction step for predicting the quality characteristics of the evaluation material for each region,
A map generation step that maps the difference in quality characteristics of the evaluation material predicted in the first prediction step and the second prediction step by changing the brightness value of some of the pixels.
A method of generating a quality characteristic map, which comprises having.
The quality characteristic map according to claim 5 or 6, wherein the difference in quality characteristics of the evaluation material predicted in the first prediction step and the second prediction step is a SHAP value. How to generate.
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