CN104484535B - 一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法，该方法通过对蒙特卡洛粒子输运模拟结果中的物理值的最小值和最大值所在网格进行区别于其他物理值所在网格的差异化特征特可视化，实现对极值所在网格的可视化增强；根据蒙特卡洛粒子输运模拟结果中每个网格中的计算误差，将用户指定的计算误差区间所在网格的透明度设置为0，区间之外所在网格的透明度设置为1，实现对指定误差区间的计算网格结果的可视化增强；本发明能辅助用户快速定位中子学分析中所关心的计算网格区域，提升中子学分析效率。

Description

一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法

技术领域

本发明属于中子学分析领域，尤其涉及中子学分析中粒子输运模拟结果的后处理与可视化。

背景技术

在反应堆的物理设计、燃料管理优化、环境监测与辐射屏蔽防护研究、核安全分析等各个领域,中子学计算都是其必不可少的重要分析方法。在计算机处理能力不断提高的今天,中子学计算结果数据日益庞大、复杂,中子学计算后处理已逐渐成为中子学分析工作的瓶颈。作为分析海量数据的最有效方法之一,可视化技术也必将在中子学分析中发挥重要作用。

科学计算可视化概念自1987被正式提出后，经过30年的发展,很多基本理论和方法已趋于成熟，并发展有很多通用可视化软件,如ParaView，AVS/Express等。但可视化问题通常都是领域相关问题，通用可视化方法难以满足要求，中子学分析也不例外。当前，中子学领域一般采用人工数据抽取、分析与商用可视化软件相结合的中子学计算结果后处理方式，要求分析人员直接面对庞大的复杂数据，并在繁琐的处理流程中进行大量的人工干预，这种处理方式不仅工作量大、周期长，而且具有直观性差，易出错等缺点，已严重影响中子学计算的效率，迫切需要一种面向物理分析问题能快速提取中子学分析特征的可视化方法。

基于蒙特卡洛方法的中子输运模拟结果一般表现为三维体数据。三维体数据可视化的一个重要目标是高质量的展现用户感兴趣的区域，如在医学数据中病变组织以及人体中的一些重要器官，而这主要依赖于绘制和分类方法。直接体绘制通过定义一个与数据集关联的传输函数，将数据映射为颜色和不透明度，实现对数据进行分类，有效地现实三维数据场的内部信息。光线投射是直接体绘制中的重要方法，其基本思想是从屏幕上的每一个像素点发出一条光线，沿着光线方向在三维数据场中进行重采样，并根据传输函数得到采样点的颜色值和不透明值，进而通过光线累积获得屏幕图像的每个像素点的颜色值和不透明值。由于光线投射易于在图形加速显卡中实现，它已成为直接体绘制的最流行的算法。

在前人的工作中，已有人开展面向中子学分析问题的可视化方法研究。具体来说，2010年罗月童等人在论文《SVIP-N 1.0:An integrated visualization platform for neutronics analysis》研究了规则数据场和模型的叠加可视化方法，专利发明人于2011年发表论文《A Method for3D Structured Data Set Regulation Based on Image》研究并发展了基于图像特征的不规则数据场规则化方法。但是上述研究，主要关注于辐射输运模拟结果的可视分析，并没有开展基于物理特征的可视化增强方法研究，用于辅助物理分析人员快速定位关心的分析区域。直接体绘制方法需要借助传输函数才能有效的展示体数据内部的有效信息，而传输函数的设计复杂耗时，因此专利发明人通过直接对中子输运模拟结果带分析的物理值特征进行分析，将分类的思想转换到绘制过程中，提出快速展示体数据内部特征信息的可视化方法。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法,具有丰富性、可见性、关联性、直观性，有效提升了中子学分析的效率。

本发明的技术方案：发明引入中子学分析中的敏感物理特征，对中子输运模拟结果进行可视化增强。引入的最大值网格特征可视化增强主要通过对物理人员特别关心的计算区域的最大值所在网格给与区别于其他网格的不同可视化形式，使得物理人员能够快速定位最大值所在网格。引入计算误差特征可视化增强，主要由于基于蒙特卡洛方法中子输运方法计算得到的三维辐射场对每个计算网格都存在一定的置信区间，根据物理分析问题的不同仅需分析在一定置信区间的网格数据，针对这一特征通过设置网格纹理的透明度实现突出显示关心置信区间的网格区域。与现有对模拟结果直接三维可视化相比，本发明具有丰富性、可见性、关联性、直观性，有效提升了中子学分析的效率。

一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法，其流程图如图1所示，步骤包括：

1)蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征建立

蒙特卡洛粒子输运模拟将计算的几何空间划分为n个网格，蒙特卡洛粒子输运模拟结果中每个网格对应一个物理值和一个计算误差值；根据网格的物理值特征设置网格可视化属性表T_m，其中T_m中的值从小到大排序，m表示n个网格中不同物理值的个数；根据网格的计算误差值特征设置网格可视化标记映射表E_k，其中E_k中的值从小到大排序，k表示n个网格中不同计算误差的个数；在对n个三维网格进行可视化时，根据每个网格中的物理值在可视化属性表T_m中查找对应的可视化属性值进行可视化增强，或者根据每个网格中的计算误差值在可视化标记映射表E_k中查找对应的可视化标记映射值进行可视化增强。

2)可视化属性表Tm中的每个属性值可视化增强

对T_m中的每个属性值T_x，若x＝1，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的小球，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为蓝色、透明度设置为0(其中透明度为1为全透明，透明度为0为不透明)；若x＝m，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的圆锥体并将该长方体表面的RGB颜色设置为红色、透明度设置为0；若x≠1且x≠m，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为灰色、透明度设置为0.5。

3)可视化标记映射表E_k中的每个标记值可视化增强

将蒙特卡洛粒子输运中的每一个网格根据网格边界绘制成一个长方体，其中长方体表面的RGB颜色设置表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}red=\frac{a-T_1}{T_m-T_1}\\ Green=\frac{T_m-a}{T_m-T_1}\\ Blue=\frac{T_m-a}{T_m-T_1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中a为每个网格对应的物理值，RGB中每个颜色通道的取值范围从0至1；

长方体表面的透明度Opacity设置表达式为：

$Opacity=\left\{\begin{array}{c}0,b\≤j\\ 1,b>j\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中b为每个网格对应的计算误差，j为用户指定的计算需要进行可视化增强的误差值，其取值范围从0至1；透明度的取值范围从0至1，其中透明度为0代表不透明，透明度为1代表全透明。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法,具有丰富性、可见性、关联性、直观性，有效提升了中子学分析的效率。

(2)本发明通过对关心区域的最大或最小值所在网格(权利要求2)进行不同其他网格的表现形式，实现对关心区域中最大或者最小物理值所在网格位置的快速定位(权利要求2)，进一步提高了中子学分析效率。

(3)本发明从中子学分析的物理值特征出发，通过剔除和抑制不重要区域

或者计算误差值大的数据场内容(权利要求3)，着重展示计算误差小所在网格区域，使用可视化绘制等方法增强三维辐射场数据中计算误差这一重要特征(权利要求3)，进一步提高分析效率。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

1)建立蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征

蒙特卡洛粒子输运模拟将计算的几何空间划分为n个网格，蒙特卡洛粒子输运模拟结果中每个网格对应一个物理值和一个计算误差值；根据网格的物理值特征设置网格可视化属性表T_m，其中T_m中的值从小到大排序，m表示n个网格中不同物理值的个数；根据网格的计算误差值特征设置网格可视化标记映射表E_k，其中E_k中的值从小到大排序，k表示n个网格中不同计算误差的个数；在对n个三维网格进行可视化时，根据每个网格中的物理值在可视化属性表T_m中查找对应的可视化属性值进行可视化增强，或者根据每个网格中的计算误差值在可视化标记映射表E_k中查找对应的可视化标记映射值进行可视化增强。

2)可视化属性表Tm中的每个属性值可视化增强

对T_m中的每个属性值T_x，若x＝1，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的小球，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为蓝色、透明度设置为0(其中透明度为1为全透明，透明度为0为不透明)；若x＝m，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的圆锥体并将该长方体表面的RGB颜色设置为红色、透明度设置为0；若x≠1且x≠m，则在该属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为灰色、透明度设置为0.5。

3)可视化标记映射表E_k中的每个标记值可视化增强

将蒙特卡洛粒子输运中的每一个网格根据网格边界绘制成一个长方体，其中长方体表面的RGB颜色设置表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}red=\frac{a-T_1}{T_m-T_1}\\ Green=\frac{T_m-a}{T_m-T_1}\\ Blue=\frac{T_m-a}{T_m-T_1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中a为每个网格对应的物理值，RGB中每个颜色通道的取值范围从0至1；

长方体表面的透明度Opacity设置表达式为：

$Opacity=\left\{\begin{array}{c}0,b\≤j\\ 0,b>j\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中b为每个网格对应的计算误差，j为用户指定的计算需要进行可视化增强的误差值，其取值范围从0至1；透明度的取值范围从0至1，其中透明度为0代表不透明，透明度为1代表全透明。

Claims (2)

1.一种基于蒙特卡洛粒子输运模拟物理值特征的可视化增强方法，其特征在于：蒙特卡洛粒子输运模拟将计算的几何空间划分为n个网格，蒙特卡洛粒子输运模拟结果中每个网格对应一个物理值和一个计算误差值；根据网格的物理值特征设置网格可视化属性表，其中可视化属性表的可视化属性值T₁至T_m从小到大排序，m表示n个网格中不同物理值的个数；根据网格的计算误差值特征设置网格可视化标记映射表E_k，其中可视化标记映射表E_k的可视化标记映射值从小到大排序，k表示n个网格中不同计算误差值的个数；在对n个网格进行可视化时，根据每个网格中的物理值在可视化属性表中查找对应的可视化属性值进行可视化增强，或者根据每个网格中的计算误差值在可视化标记映射表E_k中查找对应的可视化标记映射值进行可视化增强。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可视化属性表中的每个可视化属性值进行可视化增强实现过程包括：

对每个可视化属性值T_x，若T_x＝T₁，则在该可视化属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的小球，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为蓝色、透明度设置为0，其中透明度为1为全透明，透明度为0为不透明；若T_x＝T_m，则在该可视化属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体并绘制一个充满该长方体的圆锥体并将该长方体表面的RGB颜色设置为红色、透明度设置为0；若T_x≠T₁且T_x≠T_m，则在该可视化属性值对应的所有网格中的每一个网格根据网格的三维边界绘制一个长方体，同时将绘制的长方体表面RGB颜色设置为灰色、透明度设置为0.5。