水泥顆粒三維重構及并行化研究.pdf

1、材料的微觀結構影響著材料的性能和性質，從定量上弄清材料的宏觀性能和其微觀結構之間的關系，一直是計算材料學的一個主要研究目標。對于水泥復合材料來說，其各種性能指標，如流動性、凝結硬化程度，微觀結構和耐久性等都直接受到水化反應的影響，通過對水化過程準確的模擬可以對水泥性能做更加可靠的預測，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構，即水泥水化未發(fā)生時的水泥顆粒三維分布情況。
　　 近年來，隨著計算技術的發(fā)展與應用以及圖

2、形圖像技術的日益成熟，通過三維圖像與圖形模擬技術建立水泥顆粒的三維結構，為水泥材料的研究與開發(fā)提供了新的科學方法和技術途徑。
　　 本文以數(shù)字圖像處理技術為基礎，從水泥顆粒的二維斷層圖像入手，結合水泥顆粒自身的特點，提取出多層單像素，閉合的水泥顆粒封閉輪廓，將輪廓配準后，轉化為帶有“法矢”的三維空間點，采用基于散亂點的重構方法實現(xiàn)了水泥顆粒的三維重構。同時為提高重構速度，本文最后對水泥顆粒的重構進行了并行化處理。具體研究內容如下

3、：
　　 研究了現(xiàn)有圖像輪廓提取方法，分析了兩種經典主動輪廓模型提取方法Snake方法和水平集方法的不足，結合水泥顆粒斷層圖像特點，采用動態(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。同時本文采用最大類間方差求取邊緣閾值，對提取的顆粒輪廓進行優(yōu)化，得到邊緣灰度均

4、一化的顆粒輪廓，最后對均一化輪廓進行進一步的處理，得到水泥顆粒光滑，精度高的邊緣輪廓線。
　　 為解決現(xiàn)有圖像配準方法特征點難以匹配，配準模型難以構建的問題，提出PBIL-MEP自動圖像配準方法，該方法不需要事先確定圖像配準模型，首先采用質心平衡采樣方法獲取輪廓特征點，然后采用PBIL優(yōu)化的ICP方法進行特征點對的匹配，以匹配的特征點對作為訓練集，采用MEP自動建模工具自動建立配準模型，最后在該配準模型下進行序列輪廓的配準，實驗

5、結果表明該配準方法具有實現(xiàn)簡單，執(zhí)行效率高，配準精確的特點，是一種有效的自動配準方法。
　　 采用平面擬合的方法將配準后的序列輪廓轉化為帶有“法矢”的三維空間點，針對現(xiàn)有的基于空間點的MPU方法重構出的水泥顆粒表面不平滑的缺點，采用正交多項式作為局部擬合函數(shù)對其進行改進，重構出了較為理想的水泥顆粒三維隱式曲面。
　　 為加快重構的速度，提出MPU方法并行化機制，該機制采用主從模式及單程序流多數(shù)據流相結合的混合并行編程模式