水泥颗粒三维重及并行化研究.pdf

摘要 材料的微观结构影响着材料的性能和性质，从定量上弄清材料的宏观性能和其微 观结构之间的关系，一直是计算材料学的一个主要研究目标。对于水泥复合材料来说， 其各种性能指标，如流动性、凝结硬化程度，微观结构和耐久性等都直接受到水化反 应的影响，通过对水化过程准确的模拟可以对水泥性能做更加可靠的预测，模拟水泥 的水化过程，首先需要得到水泥浆体的初始三维微结构，即水泥水化未发生时的水泥 颗粒三维分布情况。 近年来，随着计算技术的发展与应用以及图形图像技术的日益成熟，通过三维图 像与图形模拟技术建立水泥颗粒的三维结构，为水泥材料的研究与开发提供了新的科 学方法和技术途径。 本文以数字图像处理技术为基础，从水泥颗粒的二维断层图像入手，结合水泥颗 粒自身的特点，提取出多层单像素，闭合的水泥颗粒封闭轮廓，将轮廓配准后，转化 为带有“法矢”的三维空间点，采用基于散乱点的重构方法实现了水泥颗粒的三维重 构。同时为提高重构速度，本文最后对水泥颗粒的重构进行了并行化处理。具体研究 内容如下： 研究了现有图像轮廓提取方法，分析了两种经典主动轮廓模型提取方法Snake方 法和水平集方法的不足，结合水泥颗粒断层图像特点，采用动态轮廓模型快速全局最 小化方法提取出断层图像序列轮廓，该方法利用权重函数将基于水平集方法的GAC 水平集方法的不足，提取出正确的轮廓信息。同时本文采用最大类间方差求取边缘阈 值，对提取的颗粒轮廓进行优化，得到边缘灰度均一化的颗粒轮廓，最后对均一化轮 廓进行进一步的处理，得到水泥颗粒光滑，精度高的边缘轮廓线。 为解决现有图像配准方法特征点难以匹配，配准模型难以构建的问题，提出 PBIL．MEP自动图像配准方法，该方法不需要事先确定图像配准模型，首先采用质心 平衡采样方法获取轮廓特征点，然后采用PBIL优化的ICP方法进行特征点对的匹配， 以匹配的特征点对作为训练集，采用MEP自动建模工具自动建立配准模型，最后在 该配准模型下进行序列轮廓的配准，实验结果表明该配准方法具有实现简单，执行效 率高，配准精确的特点，是一种有效的自动配准方法。 采用平面拟合的方法将配准后的序列轮廓转化为带有“法矢”的三维空间点，针对 现有的基于空间点的MPU方法重构出的水泥颗粒表面不平滑的缺点，采用正交多项 Ill 水泥颗粒i维蕈构及并行化研究 式作为局部拟合函数对其进行改进，重构出了较为理想的水泥颗粒三维隐式曲面。 为加快重构的速度，提出MPU方法并行化机制，该机制采用主从模式及单程序 流多数据流相结合的混合并行编程模式，同时引入多线程机制进行负载均衡的控制， 有效提高了MPU重构方法的执行效率，降低了其执行时间。 关键词：轮廓提取；图像配准；三维重构；并行计算 IV Abstract Micro—structureofmaterialsthe and clear impactspropertiescharacteristics．Gaining ideas ofthe between and quantitativelyrelationshipsmacroscopicalperformance Micro—structureofmaterialsisthe of primaryresearchingobjectiveComputational MaterialsScience．Forthe of as cement，several indicators，such composite performance