Ученые использовали нейронную сеть для реконструкции 3D-изображений волокнистых материалов — Naked Science
18 августа
Сколтех

Ученые использовали нейронную сеть для реконструкции 3D-изображений волокнистых материалов

4.4

Исследователям Сколтеха и их коллегам из Лёвенского католического университета (Бельгия) удалось восстановить трехмерные изображения волокнистых материалов, полученных с помощью микрокомпьютерной томографии. Чтобы решить эту сложную и трудоемкую для человека задачу, ученые использовали методы машинного обучения.

Ученые использовали нейронную сеть для реконструкции 3D-изображений волокнистых материалов / ©Getty images

Полученные результаты, опубликованные в журнале Computational Materials Science, имеют важное значение для дальнейшего углубленного анализа свойств материалов. Микрокомпьютерная томография — незаменимое средство при исследовании трехмерной микроструктуры композитов, армированных волокном, и других сложных материалов. Однако использование этого метода связано с рядом дополнительных трудностей, таких как очень малые размеры образцов, наличие на изображениях артефактов и затененных областей, а также низкое качество, либо полное отсутствие отдельных фрагментов изображения.

Для решения этой непростой задачи ученые решили воспользоваться методами, которые реставраторы применяют при восстановлении произведений искусства — в частности, методом реконструирования дефектов, который уже широко применяется в цифровой обработке изображений.

«Главное преимущество реконструкции изображений на основе ИИ — быстрота. При наличии обученной модели с помощью этого метода можно обрабатывать до сотни изображений в секунду. Человеку такая скорость просто не под силу. Кроме того, компьютеры гораздо лучше справляются с обработкой трехмерных изображений, поскольку машина способна видеть их „насквозь“ и со всех сторон, мгновенно проводя реконструкцию по всему объему, а не только по поверхности», — рассказывает первый автор статьи, аспирант Сколтеха и Лёвенского католического университета Радмир Карамов.

Карамов участвует в исследованиях, проводимых под руководством директора Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) профессора Искандера Ахатова и профессора Лёвенского католического университета Степана Ломова. Коллектив предложил использовать для задач реконструкции трехмерных изображений микрокомпьютерной томографии генеративно-состязательные сети (GAN) с 3D-кодировщиками и декодерами.

Как поясняют авторы, армирующие включения в композитных материалах, такие как волокна, могут иметь произвольную ориентацию в трех измерениях, поэтому приходится иметь дело именно с 3D-изображениями, описывающими эту сложную внутреннюю микроструктуру. Поскольку добиться необходимой точности с помощью более привычных сверточных нейронных сетей не представлялось возможным, ученые решили использовать генеративно-состязательные сети.

«При восстановлении изображений с использованием GAN нужно обучать для этой цели не одну, а две конкурирующие между собой нейронные сети: генеративную сеть, формирующую „искусственные“ изображения, которые выглядят как подлинные; и дискриминативную сеть, задача которой — отличить „настоящие“ изображения от „искусственных“.

Как говорил создатель GAN Ян Гудфеллоу, это напоминает соперничество между фальшивомонетчиками и полицейскими. Первые стремятся напечатать как можно больше фальшивых купюр, мало отличающихся по виду от настоящих, а вторые проверяют каждую купюру на предмет подлинности», — поясняет Карамов. Ученые протестировали три варианта архитектуры GAN, выбрав для этой цели изображения микрокомпьютерной томографии наиболее сложного образца — композита, армированного короткими стеклянными волокнами, не имеющего в своей структуре никаких повторов.

В результате из трех вариантов исследователи выбрали архитектуру сети, в которой наиболее удачно сочетались высокое качество реконструкции, производительность и умеренное использование памяти графического процессора. «Предложенный нами алгоритм позволяет устранять все дефекты на изображениях и, следовательно, более точно моделировать свойства материалов и прогнозировать качество конечного материала при условии устранения всех внутренних пор и пустот в его структуре в процессе производства», — подчеркивает Карамов.

Реконструкция микроструктуры материалов — первый шаг в разработке полностью автоматического генеративного алгоритма, который позволит создавать инновационные материалы со свойствами, отвечающими требованиям конкретных приложений, добавляет он.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

Вчера, 17:21
Илья Ведмеденко

Одной из новинок международного авиационно-космического салона Airshow China 2021 станет разведывательно-ударный БПЛА CH-6. На показанных фотографиях его впервые можно рассмотреть детально.

Позавчера, 12:20
Алиса Гаджиева

Возможно, ценности были спрятаны от грабителей.

22 сентября
Василий Парфенов

Современная Красная планета представляет собой суровую безжизненную пустыню, однако геологические данные показывают, что некогда воды там было едва ли не больше, чем на Земле. Причин, по которым Марс потерял почти все необходимые для развития жизни ресурсы, предлагалось немало. Но теперь ученые обнаружили надежную корреляцию между размерами небесного тела и его способностью удерживать летучие вещества.

Позавчера, 19:09
Василий Парфенов

Недавно основанный стартап Success Rockets объявил о первых полноценных летных испытаниях своей суборбитальной ракеты Nebo 25. Запуск пройдет в ноябре, его цель — установить новый национальный рекорд по высоте полета среди частных компаний.

20 сентября
Илья Ведмеденко

20 сентября, в 10:10 (мск), должен состояться запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-7» с грузовым кораблем «Тяньчжоу». Старт проведут в рамках программы строительства новой орбитальной станции «Тяньгун».

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: