Photoelastic techniques have a long tradition in both qualitative and quantitative analysis of the stresses in granular materials. Over the last two decades, computational methods for reconstructing forces between particles from their photoelastic response have been developed by many different experimental teams. Unfortunately, all of these methods are computationally expensive. This limits their use for processing extensive data sets that capture the time evolution of granular ensembles consisting of a large number of particles. In this paper, we present a novel approach to this problem which leverages the power of convolutional neural networks to recognize complex spatial patterns. The main drawback of using neural networks is that training them usually requires a large labeled data set which is hard to obtain experimentally. We show that this problem can be successfully circumvented by pretraining the networks on a large synthetic data set and then fine-tuning them on much smaller experimental data sets. Due to our current lack of experimental data, we demonstrate the potential of our method by changing the size of the considered particles which alters the exhibited photoelastic patterns more than typical experimental errors.


翻译:光弹性技术在颗粒材料压力的定性和定量分析方面具有悠久的传统。 在过去20年中,许多不同的实验团队都开发了从光弹性反应中重建粒子之间能量的计算方法。 不幸的是,所有这些方法都是计算成本很高的。这限制了它们用于处理广泛数据集的用途,这些数据集可以捕捉大量颗粒组成的颗粒团团团的时间演进。在本文中,我们展示了一种新颖的方法,利用卷发神经网络的力量来识别复杂的空间模式。使用神经网络的主要缺点是,训练它们通常需要大量标记的数据集,而这些数据是难以实验获得的。我们表明,通过在大型合成数据集上对网络进行预先训练,然后将其微调到小得多的实验数据集上,可以成功地绕过这个问题。由于我们目前缺乏实验数据,我们通过改变所考虑的粒子的大小来显示我们的方法的潜力,这些微粒子的改变所展示的光弹性模式比典型的实验错误要大得多。

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