滴水不漏,雲科大 IRIS 開發檢測隧道滲水瑕疵技術,精準定位

作者 | 發布日期 2020 年 10 月 07 日 9:00 | 分類 AI 人工智慧 , 交通運輸 Telegram share ! follow us in feedly


隧道長期滲漏水會嚴重危害到結構安全,造成通行車輛極大的隱患。如今國立雲林科技大學智慧辨識產業服務研究中心(以下簡稱 IRIS) 專家林建州副教授團隊在隧道瑕疵檢測上做出突破,研發關鍵技術「基於隧道點雲資訊瑕疵檢測」,即時提供滲漏水警示並運用隧道點雲資訊找出瑕疵位置,能有效降低隧道維護後勤人力、減少資源的浪費。

從產學到國際,強大研發能量 IRIS

IRIS 為教育部高等教育深耕計畫特色領域研究中心,由多位教授及研究人員組成,在電腦視覺檢測、醫學影像檢測、聲音辨識及無人機影像辨識都有非常亮眼的成果,本次介紹的隧道瑕疵檢測屬於電腦視覺檢測之技術,過去 IRIS 與產業合作開發技術包含:記憶體模組外觀缺陷檢出、輪胎產品氣泡檢出、鞋面鞋底自動化 3D 建模等,廣受業界好評。此外,雲科大智慧辨識產業服務研究中心除了在產業合作上有著亮眼佳績,在研發智慧辨識關鍵技術之餘,同步積極推動國際能見度,與各國際知名研究中心進行多面向交流,提升國際影響力。

▲ IRIS中心與新加坡南洋理工大學國際交流。(Source:國立雲林科技大學)

隧道瑕疵精準定位,如透視般的全面掃瞄

台灣地形多山,為了交通方便及經濟發展,開鑿許多隧道,數量累計至少有 8 百多座,其中如捷運及地下化工程等,維修檢測已成為重大負擔,近年來,如雪山隧道等著名工程均發生裂縫及漏水現象,令民眾相當憂心。

林建州副教授團隊所開發的「基於隧道點雲資訊瑕疵檢測」技術,以光學影像檢測為基礎,融入點雲(point cloud)及多項智慧辨識關鍵技術,以 3D 雷射掃描抓點定位,即使在無光源的環境下也能安全作業及讀取隧道內的環境結構,透過專業研究團隊的程式開發,其檢測成效比一般的隧道瑕疵檢測設備更快速、更全面、更廣泛、更正確。而國內目前只有雲科大林建州副教授的團隊在專研並精進此項技術,可謂先驅。林建州副教授表示技術中使用的點雲以能大範圍掃描的光達 LiDAR 分析其回傳的反射波及強度訊號形成電腦視覺,用點抓取三維座標讀取隨道內的地形環境和深度,顯示出隧道內的材質影像、色彩資訊,並自動標示滲水異常區域,能有效快速的判別隧道瑕疵,找出隧道漏水區域。該技術的演算法也十分獨特,使用了塊狀的分割式檢測,將隧道曲面分割成更微小面塊,檢測精度高且仔細,IRIS 團隊表示該技術已克服光達裝置檢測距離越遠,標點越不準確的缺點,不僅能掃描更加廣域的範圍,還可減少測繪隧道影像所需的次數,並加快作業時間。目前政府單位也正積極探索光達在測繪空間上的應用,以更好的維護國土安全,林建州副教授的研究至為關鍵,移除距離與角度的誤差值校正讓演算法令既有的隧道檢測技術提高到更高層次。

▲ IRIS 團隊使用的光達裝置進行實驗。(Source:國立雲林科技大學)

化繁為簡,突破傳統思維,複雜檢測圖精簡化

而該技術還有一大亮點是建立有效的數學模型來消除距離效應及反射角的修正,將複雜的 3D 立體檢測圖轉換為精簡 2D 圖像,突破傳統思維、化繁為簡,移除角度和距離的限制,量測標記出最準確的滲水位置及面積,這都需要經過大量的幾何運算。舉例說明,光達的反射強度隨著角度、距離不同,接收訊號得強度也會有所差異,在演算法如此複雜的情況下,有效處理反射角的數學模式更是極為重要。

▲ 演算法校正前後。(Source:國立雲林科技大學)

「基於隧道點雲資訊瑕疵檢測」這項技術在檢測圖校正的部分更是有所突破,點雲資料除了擷取幾何位置外,還有回波強度等數據與目標的表面材質、粗糙度、入射角方向,以及儀器的發射能量、雷射波長等眾多參數環環相扣,如何有效剝離數據及分析就是 IRIS 團隊最重要的 Know How。儘管數據龐大且繁雜,林建州副教授團隊所開發的技術擁有約 1.7 億筆的龐大隧道點雲資料,只需不到半小時,就能快速算完全長近 7.7 公里的「全面性」隧道資料比對,像是分割、讀取、找出滲水所在點。藉由明確標明隧道漏水位置,其檢測率結果和實際滲水區域面積比準確度高達近 90% 、誤判比率小於 10%,可快速精準定位並有助於減少人力成本。

▲ 該技術診斷的隧道瑕疵檢測圖。(Source:國立雲林科技大學)

最重要的是,「基於隧道點雲資訊瑕疵檢測」這項技術無需使用高規格硬體支援,林建州副教授表示該技術的程式只需消費級顯卡就能驅動,使用一般設備就能有頂尖效果,這都是多虧了團隊強大的研發能量,將複雜的技術萃取精簡,甚至直接內建在檢測儀中也是有可能的,這將能更好的縮短隧道瑕疵檢測的作業時間及減少硬體成本。未來 IRIS 甚至有望能在技術中導入 5G 通訊功能,做到全面的即時雲端運算,將會是引領光達檢測隧道發展的重要技術。

(首圖來源:國立雲林科技大學)