基于深度學習的安全氣囊裁剪片識別系統(tǒng)的設計

摘 要：隨著安全氣囊設計的多樣化，安全氣囊裁剪片的設計也越來越相似。現(xiàn)階段工廠仍然采用人工識別安全氣囊裁剪片的方式，不僅需要投入大量的人力和時間，其準確率還受人員主觀因素的影響。為解決這一問題，設計了一種基于深度學習的安全氣囊裁剪片識別系統(tǒng)。首先，通過拍攝采集了6種相似OPW安全氣囊的耳片照片共1 000張，構建了實驗所用的數(shù)據(jù)集；然后，訓練了基于深度學習的安全氣囊裁剪片識別模型，并應用當前常用的幾種深度學習模型進行實驗，進而選取合適的模型；接著，對所選的模型進行改進，將其識別準確率提高至93%；最后，開發(fā)Web端，用戶通過訪問網(wǎng)頁端即可識別裁剪片，實現(xiàn)移動端的識別操作。在Web端對OPW安全氣囊的6種相似耳片進行了識別實驗，結果表明所設計的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)預期的功能，相較于人工識別效果更好，具有替代人工識別的可能性。

關鍵詞：安全氣囊；裁剪片；深度學習；卷積神經網(wǎng)絡：VGG16；移動端；識別系統(tǒng)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

安全氣囊作為汽車的安全部件，已被廣泛應用于各類車型中。隨著人們對汽車內飾的要求逐漸提升，汽車車型的研發(fā)也逐步趨向于少量多類，而這導致了安全氣囊出現(xiàn)很多相似設計，使得用于縫制安全氣囊的裁剪片也有很多的相似性。例如，圖1所示的一體化（OPW）安全氣囊雖為全織型，但也需要縫制一些掛耳等，以便能固定至汽車內，滿足其性能要求。為防止因裁剪片的混用而導致爆破失敗的事情發(fā)生，工廠常用人工對比圖片的方式進行裁剪片的識別。然而這種方式下不僅需要投入大量的人力與時間，其準確率還受人員主觀因素的影響。

近年來，隨著人工智能的興起，利用深度學習的方法進行物體識別的技術已越來越成熟[1-6]。文獻[7]利用卷積神經網(wǎng)絡對蘋果葉片進行圖像分類，模型準確率為98.14%；文獻[8]利用卷積神經網(wǎng)絡分類算法對21個品種的釀酒葡萄進行了識別，準確率可達到94%以上。但已有研究中鮮有對安全氣囊裁剪片進行識別的研究報道。

本文以安全氣囊袋上的耳片為主要識別對象，設計了一種基于深度學習的安全氣囊裁剪片識別系統(tǒng)，從而改變傳統(tǒng)的人工識別方式，提高工廠的生產效率和質量。

1 深度學習訓練模型的選取及算法改進

本文設計的基于深度學習的安全氣囊裁剪片識別模型如圖2所示。創(chuàng)建模型的主要步驟如下：

（1）選定識別對象，并進行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)擴充，進而得到增廣的數(shù)據(jù)集；

（2）使用目前應用較廣、識別效果最好的卷積神經網(wǎng)絡進行訓練；

（3）對選擇的神經網(wǎng)絡模型進行優(yōu)化，以提高其準確率。

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文所研究的識別對象主要為OPW氣囊的耳片。本課題共采集了6種OPW氣囊的耳片，共1 000張照片。其中，800張構成訓練集，200張構成測試集。這些耳片的主要區(qū)別在于固定孔位、長寬比例的不同。采集的數(shù)據(jù)均使用線上標注工具make sense進行標注。

1.2 模型訓練及選取

首先，將收集的1 000張圖片的像素設置為28×28。然后，采用目前圖像識別領域中應用較廣的幾種卷積網(wǎng)絡算法，如AlexNet8、Inception10、ResNet18、VGG16，分別進行1 000輪訓練（batch size為32）。其訓練結果見表1。

根據(jù)上述訓練結果，選取準確率較高、損失較少的模型VGG16，進行進一步的模型改進。

1.3 選取模型的改進

選取識別效果較優(yōu)秀的模型VGG16后，進行下述處理：

（1）圖片像素提升為32×32；

（2）對采集的數(shù)據(jù)進行水平鏡像、垂直鏡像、旋轉90°、180°、270°，得到增廣的數(shù)據(jù)；

（3）在VGG16模型中保持VGG16的卷積堆疊塊和池化層的原結構不動，在全連接層凍結80%的神經元，以提升其訓練效率。

經過100輪的訓練后，結果如圖3所示，Loss值明顯更加收斂。

對模型進行改進之后，數(shù)據(jù)對比見表2。

2 基于Web端的識別系統(tǒng)的實現(xiàn)

完成基于深度學習的模型訓練后，利用訓練樣本建立起圖像的基礎模型，該模型顯著提升了圖像識別系統(tǒng)的識別能力。本章將重點介紹在手機移動端Web上通過該模型對樣品進行識別的具體實現(xiàn)過程，包括系統(tǒng)架構詳解、終端可行性分析、通信機制選擇、服務架構設計、系統(tǒng)測試方法以及測試結果等。

2.1 系統(tǒng)架構

本文研究的圖像識別系統(tǒng)整體架構如圖4所示。

上文中對深度學習訓練模型進行改進并經過100輪的訓練后，模型的Loss值趨于收斂，這表明模型基本具備圖像識別功能。本文將該功能以接口形式封裝成圖像識別系統(tǒng)。

在該模型的實際應用中，可以采用移動手機終端的瀏覽器訪問并打開Web端服務，通過識別拍照上傳的圖片，調用服務器的圖像識別算法模型接口服務，最后經過算法模型識別后返回結果。其整體應用架構示意圖如圖5所示。

2.2 終端可行性分析

在選擇移動終端時，仔細分析對比了使用APP和Web端的優(yōu)劣。

2.2.1 使用APP實現(xiàn)

一般情況下，對于圖像識別系統(tǒng)終端軟件的解決方案大都是針對Android或者iOS端進行APP開發(fā)，其優(yōu)勢為用戶體驗感較好。相比較Web項目，APP一般具有更豐富的UI交互效果和更友好的用戶體驗，支持更快速、更直觀的操作和反饋[9-11]。但APP開發(fā)也有以下劣勢：

（1）開發(fā)難度高。開發(fā)APP需要使用特定的開發(fā)語言和框架，如Java、Swift、Objective-C等，同時還需要考慮不同操作系統(tǒng)和設備之間的兼容性問題。

（2）安卓和iOS系統(tǒng)的兼容問題。需要開發(fā)2套APP系統(tǒng)才能同時滿足安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)。

（3）維護成本高。APP的更新和維護復雜，每次代碼優(yōu)化都需要重新編譯打包，需要消耗更多的時間和資源。

2.2.2 使用Web項目實現(xiàn)

相比之下，使用Web端雖然在用戶體驗上相較于APP略顯不足，但其他優(yōu)勢較明顯，具體如下：

（1）開發(fā)難度低。Web項目主要使用HTML、CSS和JavaScript編寫。

（2）適配能力好。Web項目一般適用于大多數(shù)安卓和iOS手機，一套代碼可以同時在2種系統(tǒng)的手機瀏覽器中展示。

（3）維護成本低。代碼的優(yōu)化迭代隨時更新隨時生效，減少了編譯打包的時間資源消耗。

經過比較，本系統(tǒng)最終選取Web項目開發(fā)來實現(xiàn)移動終端的開發(fā)選型，用戶可直接使用安卓或iOS手機的瀏覽器打開Web端網(wǎng)頁服務提供的網(wǎng)站，隨時隨地拍照并上傳圖片進行識別。其優(yōu)點為：方便使用，易實現(xiàn)，省去了開發(fā)APP的成本和占用手機的部分空間，使用維護都比較簡便[12]。

2.3 通信方式

將網(wǎng)站代碼部署在服務器中，通過接入互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)對外提供網(wǎng)站服務，用戶的手機終端主要通過無線局域網(wǎng)或5G網(wǎng)絡與服務器保持通信，具體有以下2種情況：

（1）5G：若將服務器部署在外部公網(wǎng)，用戶手機端可以通過5G通信對網(wǎng)站進行訪問；

（2）WiFi：若將服務器部署在工廠內網(wǎng)且不對外提供訪問服務，用戶手機端可以通過連接工廠內部WiFi網(wǎng)絡對網(wǎng)站進行訪問。

2.4 服務架構設計

服務器中包含算法服務、接口層服務和Web端服務，每個服務獨立部署且相互提供服務。

2.4.1 算法服務

在服務器中，通過Python開發(fā)并經過深度學習之后形成的算法服務模型可以為接口層提供計算識別服務。

2.4.2 接口層服務

使用Python開發(fā)接口層服務，將算法服務封裝成接口http：//192.168.3.25：5000/predict，該接口的輸入?yún)?shù)為“被識別圖片”，輸出參數(shù)為對應裁剪片的名稱，調用該接口即可調用內部的算法服務進行計算識別。

2.4.3 Web端服務

使用HTML5開發(fā)Web端服務，將接口功能嵌入到頁面中，使得用戶能夠直接在網(wǎng)頁上操作。用戶通過手機端拍照后將圖片上傳到Web端，手動點擊“識別”按鈕，即可觸發(fā)接口層服務的調用，并最終在頁面上展示識別結果。

2.5 系統(tǒng)測試與結果

根據(jù)上文的研究結果和系統(tǒng)部署，基于深度學習算法模型[13]的圖像識別系統(tǒng)已經實現(xiàn)。本節(jié)將對系統(tǒng)的識別功能進行檢驗。先啟動系統(tǒng)，再通過手機端瀏覽器打開網(wǎng)站并進入圖片識別主頁面。系統(tǒng)的實機演示效果如圖6所示。

點擊圖6中的“選擇圖片”上傳圖片。系統(tǒng)會彈出“拍照”和“文件”2個選項供選擇，如圖7所示，分別支持實時拍照和上傳之前已經拍好的照片。若上傳錯誤，點擊“清除”，則清空圖片并返回主頁面。

上傳樣品圖片后的演示頁面如圖8所示。

上傳好樣品圖片后，點擊“識別”按鈕，通過訓練好的模型對其進行識別，并返回結果“MTG_TAB_1”，演示頁面如圖9所示。

3 結 語

本文研究的主要目的是將深度學習應用至實際生產中，將安全氣囊裁剪片生產過程中的人工識別方式改進為通過移動端進行實物識別的方式。本文通過訓練模型并開發(fā)Web端，使用戶可以通過Web端訪問服務，并得到識別的數(shù)據(jù)。后期工作仍需要持續(xù)改進，當前使用的數(shù)據(jù)集局限于6種，后續(xù)需增加更多種類，增強其泛化能力；另外還需要持續(xù)改進模型，提升其準確度。

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