水泥顆粒三維重構(gòu)及并行化研究.pdf

1、材料的微觀結(jié)構(gòu)影響著材料的性能和性質(zhì)，從定量上弄清材料的宏觀性能和其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，一直是計(jì)算材料學(xué)的一個(gè)主要研究目標(biāo)。對(duì)于水泥復(fù)合材料來說，其各種性能指標(biāo)，如流動(dòng)性、凝結(jié)硬化程度，微觀結(jié)構(gòu)和耐久性等都直接受到水化反應(yīng)的影響，通過對(duì)水化過程準(zhǔn)確的模擬可以對(duì)水泥性能做更加可靠的預(yù)測(cè)，模擬水泥的水化過程，首先需要得到水泥漿體的初始三維微結(jié)構(gòu)，即水泥水化未發(fā)生時(shí)的水泥顆粒三維分布情況。
　　 近年來，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用以及圖

2、形圖像技術(shù)的日益成熟，通過三維圖像與圖形模擬技術(shù)建立水泥顆粒的三維結(jié)構(gòu)，為水泥材料的研究與開發(fā)提供了新的科學(xué)方法和技術(shù)途徑。
　　 本文以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，從水泥顆粒的二維斷層圖像入手，結(jié)合水泥顆粒自身的特點(diǎn)，提取出多層單像素，閉合的水泥顆粒封閉輪廓，將輪廓配準(zhǔn)后，轉(zhuǎn)化為帶有“法矢”的三維空間點(diǎn)，采用基于散亂點(diǎn)的重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)了水泥顆粒的三維重構(gòu)。同時(shí)為提高重構(gòu)速度，本文最后對(duì)水泥顆粒的重構(gòu)進(jìn)行了并行化處理。具體研究?jī)?nèi)容如下

3、：
　　 研究了現(xiàn)有圖像輪廓提取方法，分析了兩種經(jīng)典主動(dòng)輪廓模型提取方法Snake方法和水平集方法的不足，結(jié)合水泥顆粒斷層圖像特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)輪廓模型快速全局最小化方法提取出斷層圖像序列輪廓，該方法利用權(quán)重函數(shù)將基于水平集方法的GAC模型與基于Snake方法的ACWE模型結(jié)合到一起，很好的避免了傳統(tǒng)Snake方法和水平集方法的不足，提取出正確的輪廓信息。同時(shí)本文采用最大類間方差求取邊緣閾值，對(duì)提取的顆粒輪廓進(jìn)行優(yōu)化，得到邊緣灰度均

4、一化的顆粒輪廓，最后對(duì)均一化輪廓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，得到水泥顆粒光滑，精度高的邊緣輪廓線。
　　 為解決現(xiàn)有圖像配準(zhǔn)方法特征點(diǎn)難以匹配，配準(zhǔn)模型難以構(gòu)建的問題，提出PBIL-MEP自動(dòng)圖像配準(zhǔn)方法，該方法不需要事先確定圖像配準(zhǔn)模型，首先采用質(zhì)心平衡采樣方法獲取輪廓特征點(diǎn)，然后采用PBIL優(yōu)化的ICP方法進(jìn)行特征點(diǎn)對(duì)的匹配，以匹配的特征點(diǎn)對(duì)作為訓(xùn)練集，采用MEP自動(dòng)建模工具自動(dòng)建立配準(zhǔn)模型，最后在該配準(zhǔn)模型下進(jìn)行序列輪廓的配準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果表明該配準(zhǔn)方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，配準(zhǔn)精確的特點(diǎn)，是一種有效的自動(dòng)配準(zhǔn)方法。
　　 采用平面擬合的方法將配準(zhǔn)后的序列輪廓轉(zhuǎn)化為帶有“法矢”的三維空間點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有的基于空間點(diǎn)的MPU方法重構(gòu)出的水泥顆粒表面不平滑的缺點(diǎn)，采用正交多項(xiàng)式作為局部擬合函數(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，重構(gòu)出了較為理想的水泥顆粒三維隱式曲面。
　　 為加快重構(gòu)的速度，提出MPU方法并行化機(jī)制，該機(jī)制采用主從模式及單程序流多數(shù)據(jù)流相結(jié)合的混合并行編程模式