CN104573279A - 基于深度剥离的核辐射屏蔽计算的网格快速生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于深度剥离的核辐射屏蔽计算网格快速生成方法，针对复杂几何体难以快速生成核辐射屏蔽计算网格的问题提出解决方法，该方法特征在于，采用深度剥离技术生成几何体的轮廓像素矩阵，并在图像空间中变换得到几何体轮廓网格，进而基于轮廓网格根据扫描线方法得到几何体内部网格，最终实现核辐射屏蔽计算网格的快速生成。

Description

基于深度剥离的核辐射屏蔽计算的网格快速生成方法
技术领域
本发明涉及核科学与技术领域中的核辐射屏蔽数值模拟计算方向，涉及计算机辅助设计(CAD)生成的几何模型到核辐射屏蔽计算网格的转换生成方法。
背景技术
中子物理学(又称中子学)是近代物理学的一个重要分支，它主要研究中子与各种物质间的相互作用。在核反应堆物理研究、工程设计、安全评估、燃料管理优化、环境监测与辐射屏蔽防护等各个领域，中子学分析都是其必不可少的重要分析方法。中子学分析主要包括中子输运、活化、燃耗、剂量分析等内容。其中，中子输运分析是重要基础和核心内容。
中子输运(Neutron Transport)是指中子在介质内运动的过程。中子输运理论是研究中子在介质内运动的过程和规律的基础理论。随着核能利用的蓬勃发展，它在核科学技术领域中已成为一个独立的基础理论科学，并在核反应堆物理、屏蔽和核技术的工程应用和军事技术等领域中获得广泛的应用。中子输运分析能够获得中子密度、中子通量密度、中子流密度等物理量结果。
研究中子输运问题的方法一般分为二类：一类称为确定论方法；另一类称为蒙特卡罗方法。在确定论方法中，根据问题的物理性质所建立起的数学模型可以用一个或一组确定的数学物理方程来表示，然后，对这些方程可以采用数学方法求出它的精确或近似的解。对于一般的实际问题，都采用数值方法来求解。
离散纵标法就是求解中子输运方程最常用的确定论方法之一。近年来，随着计算机技术的迅速发展以及研究工作的不断深入，离散纵标法已经成为研究中子输运问题的有效数值方法之一，特别是在屏蔽计算中获得了广泛的应用。
近年来，特别是近40年来，各国研究单位已先后发展了一系列辅助领域专家进行中子学分析工作的离散纵标法程序系统，在计算精度和速度上都达到了相当完善的程度，并发展成为国际通用程序，在工程上获得了广泛的应用。如美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)研发的DOORS系统(包含一维ANISN、二维DORT和三维TORT等独立输运程序系统)，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los AlamosNational Laboratory,LANL)研发的DANTSYS系统(包含一维ONEDANT、二维TWODANT、三维THREEDANT等独立输运程序系统)和PARTISN系统，日本大阪大学(Osaka University)研制的NSHEX系统，美国Transpire公司的旗舰产品Attila，美国HSW Technologies公司商业软件PENTRAN系统等。
上述软件系统中，除Attila、PENTRAN是由商业公司研发运作外，其余系统均为研究机构或大学研制。当前，广泛流行于各国研究机构与研究所的软件系统还主要是研究机构研制的系统，比如DOORS系统，PARTISN系统。这些系统研发历史悠久，且采用的算法经典、可靠，是其他系统有效性验证的参考对象。它们也是科研人员基于中子输运进行活化、剂量计算分析的重要基础工具。
然而，这些经典的离散纵标法中子输运分析系统，由于更多关注计算方法研究，在程序易用性等方面考虑不足，且开发起始年代较早，未能很好吸收后续计算机图形学、科学计算可视化等学科发展的成果，以至它们目前对大型复杂例题的计算建模和后处理的支持方面表现得较为不足，使得计算前后处理环节突出为输运分析工作的瓶颈。这使得在计算机计算能力显著提高的今天，不能很好地满足用户对计算例题复杂度、精度不断提高的需求，已严重限制了上述经典离散纵标法中子输运分析系统的扩展应用。
上述问题主要表现在于，对于当前常见的工程实际计算例题的规模、复杂度与精度要求，一方面，常规的手工文本方式描述已经变得不可实现，另一方面，基于日益复杂的计算几何产生的结果数据的空间分布日益复杂，常规的基于区域平均值、轴向分布的分析方式将会丢失大量数据细节，已不再满足要求。
随着计算机学科的不断发展，计算机辅助设计技术(Computer-Aided Design)、科学计算可视化技术日益得到国内外广大科研人员的深入研究，并已逐步发展成熟，成为计算机学科中的重要研究方向。CAD技术关注的是几何的表示、生成、操作与显示；而科学计算可视化技术则是为了帮助分析人员直观高效地分析日益庞大复杂的计算结果，并直观展现数据分布规律以及细节信息的一门技术。
因此，如何针对离散纵标法中子输运分析过程的具体需求，结合CAD、科学计算可视化等相关技术，发展易学易用、可视直观、自动化程度较高的高效可视化系统，简化前后处理流程，降低用户要求与工作量，整体改善分析环境、提升工作效率，就成为离散纵标法中子输运计算分析工具研究领域的重要课题。
辐射输运(或称粒子输运)是指辐射粒子(如中子、光子、电子、质子等)在介质内运动的过程。辐射输运理论是研究粒子在介质内运动的过程和规律的基础理论。辐射输运模拟计算能够获得粒子积分流量、通量密度、核热沉积等物理量结果。随着核能利用的蓬勃发展，它在核科学与技术领域中已成为一个独立的基础理论科学，并在核反应堆物理、辐射屏蔽与防护、以及核技术的工程应用等领域中获得广泛的应用。
辐射输运计算程序(如MCNP、TRIPOLI等)已广泛应用于反应堆物理、辐射屏蔽与防护、核探测、发射剂量学等领域。常规的手工文本建立蒙特卡罗计算模型的方法耗时耗力且易出错，而且难以实现对复杂系统几何的建模。
在核领域的中子学分析和计算中，采用离散纵标法的粒子输运计算程序得到了越来越广泛的应用。该方法主要优点是计算效率高，可以准确计算具有各向异性、中子注量率分布不均匀的反应堆，并可获得分布量的计算结果。
然而，复杂几何的数以百万的三维计算网格难以有效生成。发展的算法虽然实现了网格生成的自动化，却仍然存在耗时严重的问题。
针对复杂几何体难以快速生成离散纵标法粒子输运计算网格的问题，本方法采用深度剥离技术生成几何体的轮廓像素矩阵，并在图像空间中变换得到几何体轮廓网格，进而基于轮廓网格根据扫描线方法得到几何体内部网格，最终实现离散纵标法粒子输运计算网格的快速生成。
离散纵标法粒子输运计算网格快速生成方法与工具主要有欧洲核能机构核数据中心发展的BOT3P以及中科院FDS团队发展的SNAM。
BOT3P(BOlonga Transport analysis Pre-Post-Processors)是欧洲核能机构核数据中心针对DOORS、DANTSYS、PARTISN系统研发的计算前后处理辅助工具。其几何定义仍然需要用户以手动文本方式描述，其主要功能定位于简化网格划分工作，针对一份原始几何，可以方便地对其生成多种不同的网格划分。
中国科学院等离子体物理研究所胡海敏在充分调研和分析SN方法粒子输运计算程序自动建模方法的基础上，对建模过程中的模型文件格式识别、属性编辑、空腔处理及自动划分离散网格等关键技术问题进行了研究,并提出了合理可行的解决方法，发展了SNAM程序。
中国科学院等离子体物理研究所龙鹏程，提出了结合模型规则化与网格化过程的直接网格化建模思想，避免了规则化精度、网格化精度相互干扰的混乱局面。在建模加速算法方面，引入基于包围盒的分块策略和中子学合法几何识别机制，并结合轴向面自动切割、大包围盒体积非法实体自动分解等机制，发展了基于包围盒和辅助面切割的逐几何判断算法，将来自于工程结构设计的复杂CAD几何的建模时间从数十小时降低到一小时量级，解决了自动建模耗时严重的问题。
SNAM(SN Auto-Modeling System)是FDS团队针对离散纵标法粒子输运计算程序研发的具有自主知识产权的自动建模系统。它采用同MCAM类似的基于CAD技术的CAD几何到中子输运计算模型的自动转换建模思想，支持现有CAD几何的直接利用，将几何建模工作转移到功能强大、丰富、灵活的常规CAD环境中，从而改变传统建模方式，改善建模环境，为保证建模精度，提升建模效率提供保障。目前，SNAM设计思想的原理性验证工作已经完成。本论文的快速自动化可视建模工作就是在此基础上展开的，期望通过显著缩短建模时间来实现该思路的实用化。
仅SNAM实现了基于复杂几何体CAD模型自动生成计算网格，但网格生成耗时仍然较大。
深度剥离(Depth Peeling)是一种对深度值进行排序的技术。它的原理也比较直观,标准的深度检测使场景中Z值最小的点输出到屏幕上，也就是离我们最近的顶点。但还有离我们第二近的顶点，第三近的顶点存在。要想显示它们，可以用多遍渲染的方法。depthpeeling基于z-buffer的多层渲染，每一层渲染是基于上一层渲染的深度值基础上进行的。
深度剥离技术(Depth Peeling)的基本思想是对场景进行遍渲染，每遍渲染都比上一遍更深入场景一层，从而可以依次获取每个像素的最近、次近、第三近的、……、第N近的片段，最后使用混合技术合成所有片段获取像素的最后颜色，从而得到最终图像。深度剥离就是为了处理物体的透明渲染而发明的技术，该技术不需要三角面片排序就可以实现正确的透明渲染效果。该技术在Nvidia Geforce3上实现后，基于深度剥离技术的透明渲染已越来越受重视。
深度剥离通过多次绘制几何体以积累最终结果来进行工作。绘制的每次迭代剥离掉通过每个像素可见的单个面深度层。该核心算法相对于画家算法的优势在于：其无需对几何基元预先排序。
随着个人计算机系统的能力和复杂性的提高，越来越多地使用称为图形处理单元(GPU)的专用图形学绘制设备来执行图形学操作，诸如Z缓冲、深度剥离、光栅化等所需的那些图形学操作。GPU通常在经由标准总线(例如，AGP或者PCI Express)耦合至主板的可移动图形卡中使用。尽管GPU的能力有所不同，其通常可以用来执行诸如以下任务：二维(2D)图形数据的绘制、三维(3D)图形数据的绘制、图形用户界面(GUI)显示元素的加速绘制。GPU可以实现一个或多个应用程序接口(API)，该API允许程序员调用GPU的功能。
GPU可以包括用于将数字图像绘制到成像设备的各种内置及可配置结构。
现有技术具有网格生成效率低的问题。现有技术主要通过逐网格判断法来实现基于CAD几何模型的计算网格生成，单个网格的生成依赖点与CAD几何的相互关系判断，开销大；网格生成总体时间开销依赖网格数量，当网格数越多时，时间开销特别大。在核反应堆全空间屏蔽计算时，一般网格数需要细分到数百上千的网格，计算网格的生成需要数个小时的时间。
发明内容
本发明技术克服了现有技术时间开销大的不足，提出一种基于深度剥离的核辐射屏蔽计算网格快速生成系统与方法，该方法将三维网格生成问题降低维度为二维问题，将耗时的三维图形空间中的几何关系判断问题改为二维图像空间中的像素处理问题，具有网格生成速度快的优点，可显著降低网格生成时间开销。
本发明技术解决方案：一种基于深度剥离的核辐射屏蔽计算网格快速生成系统与方法，它包含如下实现步骤：
(1)读入计算机辅助结构设计软件生成的CAD(计算机辅助设计)几何模型，解析出模型中的各几何体，统计出几何体个数N，并针对第一个几何体Geo-i(i＝1)进行下一步操作；
(2)计算出几何体Geo-i的轴向包围盒Box-i；
(3)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向正方向往下生成几何体Geo-i的轮廓像素矩阵GeoFragPos-i；
(4)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向负方向往下生成几何体Geo-i的轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i；
(5)在图像空间中，根据用户输入的网格化划分Mesh3D，结合轮廓像素矩阵GeoFragPos-i确定几何体Geo-i轴向上方向的轮廓边界网格BoundaryMeshPos-i；结合轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i确定几何体Geo-i轴向下方向的轮廓边界网格BoundaryMeshNeg-i；
(6)基于轮廓边界网格BoundaryMeshPos-i与BoundaryMeshNeg-i，根据扫描线方法得到几何体内部网格，最终实现几何体Geo-i的离散纵标法粒子输运计算网格的生成；
(7)转到下一个几何体，即i值递增1；
(8)如i>N，则结束；否则，转到第(2)步。
本发明与现有技术相比的优点在于：现有技术具有网格生成效率低的问题。现有技术主要通过逐网格判断法来实现基于CAD几何模型的计算网格生成，单个网格的生成依赖点与CAD几何的相互关系判断，开销大；网格生成总体时间开销依赖网格数量，当网格数越多时，时间开销特别大。在核反应堆全空间屏蔽计算时，一般网格数需要细分到数百上千的网格，计算网格的生成需要数个小时的时间。而本发明的优点在于：
(1)本发明将耗时的三维图形空间中的几何关系判断问题改为二维图像空间中的像素处理问题，从而处理难度与时间代价显著下降。
(2)本发明采用图形计算处理器GPU提取三维几何模型的边界面，并转换为二维像素图像，充分利用了GPU硬件技术与高效处理性能，使得三维几何模型的边界面信息能够得以快速获得。
(3)本发明三维几何体内部空间对应的网格，无需直接判断，可通过几何体边界对应的网格扫描生成，避免了大量的耗时的几何体关系判断，较少了计算量，使得几何体内部空间与计算网格的对应关系能够快速生成。
总之，本发明最终实现核辐射屏蔽计算网格的快速生成。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明中的方法，实现过程如下：
(1)读入计算机辅助结构设计软件生成的CAD(计算机辅助设计)几何模型，解析出模型中的各几何体，统计出几何体个数N，并针对第一个几何体Geo-i(i＝1)进行下一步操作；
(2)计算出几何体Geo-i的轴向包围盒Box-i(xmin，xmax；ymin，ymax；zmin，zmax)；
(3)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向正方向往下生成几何体Geo-i的二维轮廓像素矩阵GeoFragPos-i(x，y)，矩阵记录的是几何体轮廓像素在三维世界坐标系中的Z轴向坐标值zPos3D；
(4)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向负方向往下生成几何体Geo-i的二维轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i(x，y)，矩阵记录的是几何体轮廓像素在三维世界坐标系中的Z轴向坐标值zNeg3D；
(5)在图像空间中，根据用户输入的网格化划分Mesh3D，结合轮廓像素矩阵GeoFragPos-i(x，y)的Z轴向坐标值zPos3D，确定几何体Geo-i轴向上方向的轮廓边界网格BoundaryMeshPos-i(x，y)的Z轴向网格索引值ZPos；结合轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i(x，y)的Z轴向坐标值zNeg3D，确定几何体Geo-i轴向下方向的轮廓边界网格BoundaryMeshNeg-i(x，y)的Z轴向网格索引值ZNeg；
(6)基于轮廓边界网格BoundaryMeshPos-i与BoundaryMeshNeg-i，根据扫描线方法得到几何体内部网格，最终实现几何体Geo-i的离散纵标法粒子输运计算网格的生成；
(a)对于几何体Geo-i轴向包围盒Box-i对应的计算网格标记三维矩阵MeshFlag-i(x,y,z)(x＝1，……，X；y＝1，……，Y，z＝1，……，Z)，初始化标记全部为0；
(b)赋值x＝1；
(c)赋值y＝1；
(d)查找BoundaryMeshPos-i(x，y)与BoundaryMeshNeg-i(x，y)网格标记的z值ZPos、ZNeg；如果ZPos<ZNeg，则转到下一步；否则，将MeshFlag-i(x，y，z)(z＝ZNeg，……，ZPos)的标记值修改为1；
(e)赋值y＝y+1；如果y>Y，则转到下一步；否则，转到(d)；
(f)赋值x＝x+1；如果x>X，则转到下一步；否则，转到(c)；
(g)网格标记集合MeshFlag-i(x，y，z)中标记为1的网格即为几何体Geo-i的计算网格。
(7)转到下一个几何体，即i值递增1；
(8)如i>N，结束；否则，转到第(2)步。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (2)

1.基于深度剥离的核辐射屏蔽计算的网格快速生成方法，特征在于实现步骤如下：
(1)读入计算机辅助结构设计软件生成的CAD几何模型，解析出几何模型中的各几何体，统计出几何体个数N，并针对第一个几何体Geo-i，i＝1进行下一步操作；
(2)计算出几何体Geo-i的轴向包围盒Box-i；
(3)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向正方向往下生成几何体Geo-i的轮廓像素矩阵GeoFragPos-i；
(4)采用深度剥离技术从轴向包围盒Box-i轴向负方向往下生成几何体Geo-i的轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i；
(5)在图像空间中，根据用户输入的网格化划分Mesh3D，结合轮廓像素矩阵GeoFragPos-i确定几何体Geo-i轴向上方向的边界网格BoundaryMeshPos-i；结合轮廓像素矩阵GeoFragNeg-i确定几何体Geo-i轴向下方向的边界网格BoundaryMeshNeg-i；
(6)基于轮廓边界网格BoundaryMeshPos-i与BoundaryMeshNeg-i，根据扫描线方法得到几何体内部网格，最终实现几何体Geo-i的离散纵标法粒子输运计算网格的生成；
(7)转到下一个几何体，即i值递增1；
(8)如i>N，则结束；否则，转到第(2)步。
2.根据权利要求1所述的基于深度剥离的核辐射屏蔽计算的网格快速生成方法，特征在于：所述方法适用于笛卡尔坐标系下的凸几何体。
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