Shower-Aware Dual-Stream Voxel Networks for Structural Defect Detection in Cosmic-Ray Muon Tomography

arXiv cs.CV / 4/7/2026

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Key Points

  • 提案手法SA-DSVNは、宇宙線ミュオントモグラフィで鉄筋コンクリート構造の欠陥をボクセル単位でセグメンテーションするための3D畳み込みネットワークで、散乱だけでなく二次電磁シャワーの情報も同時に扱います。
  • 具体的には9チャネルの散乱運動学と40チャネルのシャワー多重度を独立エンコーダで処理し、クロスアテンションで融合するデュアルストリーム構成になっています。
  • Geant4ベースのVegaで4.5百万件のミュオン事象を生成し、4種類の欠陥(ハニカム、せん断破壊、腐食ボイド、剥離)を含む900ボリュームで学習・評価しています。
  • アブレーションの結果、シャワー多重度ストリーム単独でも大きな識別性能を持ち、欠陥平均Diceが「散乱のみ」0.535から「シャワーのみ」0.685へ改善したと報告されています。
  • 60件の独立検証ではボクセル精度96.3%、欠陥別Dice 0.59〜0.81、推論10ms/ボリュームで欠陥のボリュームレベル検出感度100%を達成し、二次シャワー多重度が有効な未活用特徴であることを示しています。

Abstract

We present SA-DSVN, a 3D convolutional architecture for voxel-level segmentation of structural defects in reinforced concrete using cosmic-ray muon tomography. Unlike conventional reconstruction methods (POCA, MLSD) that rely solely on muon scattering angles, our approach jointly processes scattering kinematics (9 channels) and secondary electromagnetic shower multiplicities (40 channels) through independent encoder streams fused via cross-attention. Training data were generated using Vega, a cloud-native Geant4 simulation framework, producing 4.5 million muon events across 900 volumes containing four defect types - honeycombing, shear fracture, corrosion voids, and delamination - embedded within a dense 7x7 rebar cage. A five-variant ablation study demonstrates that the shower multiplicity stream alone accounts for the majority of discriminative power, raising defect-mean Dice from 0.535 (scattering only) to 0.685 (shower only). On 60 independently simulated validation volumes, the model achieves 96.3% voxel accuracy, per-defect Dice scores of 0.59-0.81, and 100% volume-level detection sensitivity at 10 ms inference per volume. These results establish secondary shower multiplicity as a previously unexploited but highly effective feature for learned muon tomographic reconstruction.