Ученые Пермского Политеха обучили нейросеть восстанавливать 3D-объекты из 2D-изображений

Экспериментальное изучение свойств сложных многокомпонентных материалов на реальных образцах не всегда эффективно и экономически оправдано. Чтобы оценить их характеристики и применимость для изготовления тех или иных деталей, используется численное 3D-моделирование материалов. Однако имеющиеся методы «оцифровки» трехмерных экспериментальных образцов требуют серьезных временных и экономических затрат. Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм обучения нейросети, позволяющий с высокой скоростью реконструировать качественную 3D-структуру материала по изображению его поперечного среза.

Преобразование непрерывного геометрического представления (слева) в 3D-массив, состоящий из 643 воксельных элементов (справа).

Результаты исследования опубликованы в журнале «Computer-Aided Design» (№ 158, 2023г.). Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований при содействии Министерства образования и науки Пермского края. Использованные наборы данных были получены в рамках программы мегагрантов.

В современном мире практически повсеместно используются так называемые гетерогенные материалы. К природным примерам можно отнести, например, всем известный гранит, который состоит из трех минералов: кварца, слюды и полевого шпата. В сложных инженерных приложениях применяются искусственно получаемые композиты. Возможность комбинировать свойства исходных компонент определяет возможность использования таких материалов в конкретном применении. Чтобы изучить микроструктуру материала и оценить его морфологические характеристики, необходимо получить его цифровую 3D-структуру.

Реконструкция нескольких статистически эквивалентных структур

— Существующие методы «оцифровки» материалов крайне затратны как по времени, так и по финансам. К тому же, они ограничиваются анализом небольших объемов материала, которые могут быть недостаточно репрезентативными, а для некоторых материалов – не подходят вовсе, например, из-за свойств поверхности или низкого контраста свойств внутренних компонентов. Поэтому во многих случаях доступны только 2D-изображения поверхности материала. В этой связи актуальна задача восстановления однородной случайной 3D-структуры из двумерного изображения, — рассказывает ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств», доцент кафедры динамики и прочности машин, кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов.

Ученые Пермского Политеха разработали метод восстановления статистически эквивалентной 3D-модели пористой микроструктуры по 2D-изображению с помощью нейронной сети. В отличие от более ранних работ, предлагаемый алгоритм обучается без использования поэлементных составляющих в целевой функции, подлежащей оптимизации.

Схема для случая реконструкции из 2D в 3D

— Когда единственным носителем информации для реконструкции 3D-структуры является двумерное изображение поперечного сечения, способ его кодировки (извлечение наиболее важной информации) напрямую влияет на качество генерируемой структуры. Даже небольшой сдвиг изображения значительно увеличивает поэлементную ошибку, что дестабилизирует процесс обучения нейросети. Поэтому мы предложили более абстрактную функцию оптимизации, обладающую уникальными свойствами. Благодаря этому, возросла стабильность обучения нейросети и качество генерируемых 3D-структур, — рассказывает сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств», студент 1-го курса магистратуры Евгений Кононов.

Эксперименты показали, что визуальные и количественные оценки реконструированных нейросетью трехмерных моделей полностью соответствуют исходным структурам, а синтез происходит почти мгновенно. Таким образом, предложенный алгоритм позволит ускорить и удешевить процесс исследования гетерогенных материалов без потери в качестве.

Для справки:

Мегагранты – программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Она стартовала в 2010 году с принятием Правительством РФ Постановления № 220. Целью программы является создание в российских вузах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых. В ее рамках в Пермском Политехе была открыта научно-исследовательская лаборатория «Механика биосовместимых материалов и устройств». Федеральная поддержка составила 90 млн рублей и продлится до конца 2023 года.