CN114140602A - 一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法及可视化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核电厂可视化技术领域,公开了一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法,包括步骤S0:搭建三维核电厂的几何模型;步骤S1:获取三维核辐射剂量数据并进行预处理得到体数据;步骤S2:利用CUDA的光线投射方法对三维核辐射计量场进行绘制,通过将不同大小的剂量值映射成不同的颜色,以获取三维核辐射计量场的渲染结果;步骤S3:将渲染结果与核电厂的几何模型进行融合。本文借助基于光线投射的体绘制算法来进行三维核辐射剂量的可视化呈现。

Description

一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法及可视化系统
技术领域
本发明涉及核电厂可视化技术领域,具体涉及一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法及可视化系统。
背景技术
世界经济高速发展的同时,环境污染问题和能源消耗问题也日益严重,核电凭借其极强的供电稳定性,成为了基荷电源最好的选择,核能作为一种清洁并且经济的能源得到了许多人的关注。核能的高速发展以及核技术的进步也带了相应的问题,越来越多的人们关注核安全问题与核辐射的保护。而计算机强大的计算能力和仿真能力可以模拟许多危险并且富有挑战的作业,科学可视化技术的发展为这个任务提供了一个有效的解决方案。
科学可视化技术把核辐射剂量显示在电脑屏幕前,并清晰地展现核辐射剂量的分布情况。人们可以根据核辐射剂量的分布来设计核设施的退役方案、设计工作人员的维护路线以及对工作人员进行培训。另一方面,由于真实核辐射环境的危险性,借助虚拟现实技术使工作人员在虚拟的环境中进行沉浸式作业练习和培训,可以为员工在真实的环境中工作提供实用的建议和安全保障。
对于核辐射剂量场的可视化,现有的研究工作无法对较大规模的体数据进行实时地渲染,并且对核电站的辐射可视化粒度过于单一,对于核辐射泄漏这一危险并且重要的场景也无法动态地模拟。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法及可视化系统,本文借助基于光线投射的体绘制算法来进行三维核辐射剂量的可视化呈现。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法,包括
步骤S0:搭建三维核电厂的几何模型;
步骤S1:获取三维核辐射剂量数据并进行预处理得到体数据;
步骤S2:利用CUDA的光线投射方法对三维核辐射计量场进行绘制,通过将不同大小的剂量值映射成不同的颜色,以获取三维核辐射计量场的渲染结果;
步骤S3:将渲染结果与核电厂的几何模型进行融合。
在本发明中,进一步的,所述步骤S2包括
步骤S20:读入体数据,获取CUDA中的线程编号;
步骤S21:判断视点发出的光线与体数据是否交叉,对不交叉的光线进行滤除,对于交叉的光线执行步骤S22;
步骤S22:重建相应的体数据,获取图像渲染结果。
在本发明中,进一步的,所述步骤S20包括
步骤S20-1:设置颜色以及不透明度的传递函数;
步骤S20-2:读入所述获取的体数据,将体数据和相应的传递函数之间进行映射,映射方案为颜色随着辐射剂量率的增加按照不同等级进行过度;
步骤S20-3:根据三维纹理的尺寸来设置线程块的大小。
在本发明中,进一步的,所述步骤S22包括
步骤S22-1:筛选光线上的体数据并进行采样获取每个采样点的体素;
步骤S22-2:根据传递函数进行赋值和累积;
步骤S22-3:从前往后累加的方法进行采样点颜色的融合,合成屏幕上每个像素点的值,并且将该值写入到帧缓存来显示最终的渲染结果图像。
在本发明中,进一步的,所述步骤S1包括:
步骤S10:获取三维核辐射剂量数据。
步骤S11:对三维核辐射剂量数据预处理,包括数据的清洗、转换以及存储,得到一个三维数组形式来存储的体数据。
在本发明中,进一步的,所述步骤S10包括对核电厂进行采样,得到均匀网格的结构化的采样数据,当采样数据量大于实际可视化所需的数据时,剔除多余的数据点完成三维核辐射场的重构,当采样数据点少于实际可视化所需的点时,通过插值对数据场进行重构。
在本发明中,进一步的,所述通过插值对数据场进行重构的方法如下:设需要可视化的点为s,获得空间内距离s最近的八个体素,使其构成最小立方体单元,s点的辐射剂量率通过其周围的八个体素插值得到。
在本发明中,进一步的,所述步骤S21中判断视点发出的光线与体数据是否交叉采用光线与包围盒求交法。
在本发明中,进一步的,所述步骤S22-3中从前往后累加的方法进行采样点颜色的融合,合成屏幕上每个像素点的值,方法如下:
sum=sum+(col.w*den)*(col-sum)
其中,sum是采样点融合的颜色,col是传递函数纹理表中的颜色,w是不透明度的分量,den是该点不透明度值。
一种三维核辐射剂量场可视化系统,采用所述一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法进行构建,所述系统包括
全局视图模块,所述全局视图模块用于显示整体厂房以及设备的剂量分布;
局部视图模块,所述局部视图模块用于从各个不同的角度去查看具体房间设备的剂量分布状况;
辐射泄漏动态视图模块,所述辐射泄漏动态视图模块用于支持发生事故工况时对应的核辐射泄漏情况进行展示。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本文提出了基于CUDA加速的光线投射体绘制方法来对三维的核辐射剂量场进行可视分析,首先获取三维核辐射剂量数据并对数据进行预处理,包括了数据的清洗、转换以及存储过程,得到三维核辐射剂量数据。然后通过改进的基于光线投射的体绘制算法对辐射剂量的大小进行映射和呈现,得到三维核辐射剂量体数据的渲染结果。最后将该体数据渲染结果和三维的几何模型进行融合得到最终的呈现结果,如此构建的可视化系统能够直观地去查看核辐射剂量的分布情况,解决了传统直接体绘制绘制算法渲染速度较慢,对于大规模体数据效率低、可视化粒度单一的问题,实现了基于CUDA加速的光线投射直接体绘制算法,从而做到对多个核电站厂房的辐射剂量进行实时性的交互显示。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法的整体流程图;
图2是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中获取渲染结果的流程示意图;
图3是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中获取体数据的流程示意图;
图4是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中步骤S22的流程示意图;
图5是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中原始核辐射剂量数据列表;
图6是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中实施例体绘制过程中传递函数的示意图;
图7是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中核电厂房中R346 房间的渲染结果示意图;
图8是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中R346房间的剂量分布情况示意图;
图9是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中在核泄漏情况写的R346房间的剂量分布情况示意图;
图10是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中在核泄漏情况下四个房间的核辐射剂量趋势图;
图11是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中光线与包围盒求交法的流程图。
图12是本发明的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法中在核泄漏情况下四个房间的核辐射剂量趋势图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,当组件被称为“固定于”另一个组件,它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件,它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本方案充分发挥计算机硬件与软件上的优势,通过三维数据场可视化技术和虚拟现实技术,来从不同的维度对核辐射剂量场进行分析和研究,在对不可感知的核辐射剂量场进行可视化呈现的同时,虚拟现实技术的引用也为核安全和培训等问题提供了有效的解决方案。针对三维核辐射剂量场的可视化问题,本文基于光线投射的体绘制算法从不同的粒度来对核电站的不同厂房的核辐射剂量进行呈现。
本方案从虚拟现实的场景搭建和渲染出发,通过准确地模拟核辐射剂量场的内部构造,让用户有充分的真实感,为在真实现场中实际操作提供参考和借鉴。请参见图1,本发明一较佳实施方式提供一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法,包括
步骤S0:搭建三维核电厂的几何模型;
步骤S1:获取三维核辐射剂量数据并进行预处理得到体数据;
步骤S2:利用CUDA的光线投射方法对三维核辐射计量场进行绘制,通过将不同大小的剂量值映射成不同的颜色,以获取三维核辐射计量场的渲染结果;
步骤S3:将渲染结果与核电厂的几何模型进行融合。
具体的,核辐射剂量场虚拟仿真的首要步骤是场景的搭建。三维核电厂几何场景在CAD、3DMAX等软件中搭建处理,转换格式之后导入Unity3D中进行后续操作。其次是获取三维核辐射剂量值对数据进行预处理,得到三维核辐射剂量数据的体数据。然后通过改进的基于光线投射的体绘制算法对辐射剂量的大小进行映射和呈现,得到三维核辐射剂量体数据的渲染结果。最后将该体数据渲染结果和三维的几何模型进行融合得到最终的呈现结果,如此构建的可视化系统能够直观地去查看核辐射剂量的分布情况,解决了传统直接体绘制绘制算法渲染速度较慢,对于大规模体数据效率低、可视化粒度单一的问题,实现了基于CUDA(Compute Unified Device Architecture,统一设备架构)加速的光线投射直接体绘制算法,从而实现对多个核电站厂房的辐射剂量进行实时性的交互显示。
在本发明中,进一步的,请参见图3,所述步骤S1包括:
步骤S10:获取三维核辐射剂量数据。
步骤S11:对三维核辐射剂量数据预处理,包括数据的清洗、转换以及存储,得到一个三维数组形式来存储的体数据。
其中,如图5所示,在核电厂的实际情况中,核辐射剂量的分布都是连续的,为了使场景中的辐射剂量场均匀显示,需要对核电厂这组数据进行采样,得到均匀网格的结构化的采样数据,当采样数据量大于实际可视化所需的数据时,剔除多余的数据点完成三维核辐射场的重构,当采样数据点少于实际可视化所需的点时,通过插值对数据场进行重构。
具体的,通过插值对数据场进行重构的方法如下:设需要可视化的点为s,获得空间内距离s最近的八个体素,在方案的实施例中,最近的八个体素为八个顶点,使其构成最小立方体单元,s点的辐射剂量率也就是三维核辐射剂量数据通过其周围的八个体素插值得到。本方案通过采用线性插值作为插值函数,保证场景渲染的速度与精度。
然而,三维核辐射剂量数据中存在许多冗余的信息,需要对数据进行清洗,例如,本申请中数据的维度、数据的坐标中心以及数据的间隔,可直接在原始数据中提取出来。与此同时,由于本方案需要的是剂量值的数据,因此把数据文件中的关于剂量值的部分提取出来,并且把辐射剂量的浮点数值转成二进制来进行保存。
例如,以典型的房间R346举例,离线计算得到的剂量场数据的规模为两百万个网格点,在X方向100个网格点,Y方向上有200个网格点,Z方向上有 100个网格点。除去采样点之外的其他位置处的剂量值都是通过双线性插值的方法计算得到,在每个网格点上的剂量值数据的精度至少都精确到了小数点后1 位,有的甚至高达5位,并且在XYZ方向上的网格间隔分别是2.31,2.8和 2.32。该房间的核辐射剂量场的中心位于(219,-1259,398)处,这些都是以世界坐标为基础的三维数组。
在本发明中,进一步的,在体数据准备完成后需要对体数据进行显示,也就是本方案最重要的可视化的映射过程,也就是获取渲染结果。考虑到核辐射剂量率是三维的标量数据,且本方案关注的是数据的内部细节,而不是表面细节,因此可以利用体绘制技术来直观地呈现核辐射剂量的分布情况。
传统的基于CPU的光线投射体绘制算法,对于小规模体数据能做到实时地绘制,但当数据规模较大的时候,其绘制的速率较慢。当对体数据进行旋转或者放缩放操作的时候,需要对绘制的结果重新计算,因此如果绘制速度慢,将导致系统的交互效果不佳。具体的,请参见图2,本文采用基于CUDA的光线投射算法来对三维核辐射剂量场进行绘制,步骤S2包括
步骤S20:读入体数据,获取CUDA中的线程编号;
步骤S21:判断视点发出的光线与体数据是否交叉,对不交叉的光线进行滤除,对于交叉的光线执行步骤S22;
步骤S22:重建相应的体数据,获取图像渲染结果。
其中,步骤S20包括
步骤S20-1:设置颜色以及不透明度的传递函数;
步骤S20-2:读入所述获取的体数据,将体数据和相应的传递函数之间进行映射,映射方案为颜色随着辐射剂量率的增加按照不同等级进行过度;
步骤S20-3:根据三维纹理的尺寸来设置线程块的大小。
具体的,本方案的第一步是体数据的读入,并且需要把体数据和相应的传递函数映射到GPU的纹理缓冲中。然后再根据三维纹理的尺寸来设置线程块的大小。通过将不同大小的剂量值映射成不同的颜色来从视觉上直观地感受核辐射剂量的分布。通过不透明值的设置,将核辐射场的数据设置为半透明的状态,主要是为了增强人体在辐射场中移动时真实地感受,同时也有利于观察核辐射场内部剂量的分布状态。
例如,如图6所示,分析的是房间R346中的冷凝管周围的核辐射剂量体数据的分布情况,随着剂量值的大小从0到1的变化,不透明度的值呈现出线性递增的趋势。颜色映射方案是颜色随着剂量率的增加,从绿色线性过度到黄色,最后变成红色。该房间和设备的体数据最终渲染结果,如图8所示,最外层为红色,中间过度的部分为黄色,最里边为绿色。
其中,所述步骤S21中判断视点发出的光线与体数据是否交叉采用光线与包围盒求交法,如图11所示,假设光线起点为o,方向为d,射程方程为pos=o+td,将体数据看做包围盒,求光线与体数据的交点也就是说求光线与包围盒的交点,具体的,先计算光线与包围盒六个面的所有交点,探后计算出相交点的排序,找出每个坐标轴上的最大和最小的相交点,对于最小值的相交点,求出该点xyz 坐标的最大值max,对于最大的相交点,求出该点xyz坐标的最小值min,max 和min即光线与体数据的交点,该方法可快速有效的判断一条射线与包围盒是否相交。
在本发明中,进一步的,之后就是遍历光线上的体数据进行重建,具体的请参见图4,步骤S22包括
步骤S22-1:筛选光线上的体数据并进行采样获取每个采样点的体素;
步骤S22-2:根据传递函数进行赋值和累积;
步骤S22-3:从前往后累加的方法进行采样点颜色的融合,合成屏幕上每个像素点的值,并且将该值写入到帧缓存来显示最终的渲染结果图像。
具体的,首先通过计算采样点的体素计算颜色值,通过采样点位置找到3D 纹理确定其颜色,沿着光线从前往后进行颜色累加融合,具体的融合公式如下:
sum=sum+(col.w*den)*(col-sum)
其中,sum是采样点融合的颜色,col是传递函数纹理表中的颜色,w是不透明度的分量,den是该点不透明度值。
具体的,本方案的原理:第一步是体数据的读入,并且需要把体数据和相应的传递函数映射到GPU的纹理缓冲中,获取CUDA中的线程编号,然后再根据三维纹理的尺寸来设置线程块的大小。第二步就是检查视点发出的光线与体数据是否交叉,对于不交叉的光线,直接滤除以减少计算量。而对于交叉的光线,需要对相应的体数据进行三维重建。之后就是遍历光线上的体数据,然后进行采样,根据传递函数进行赋值和累积。最后通过从前往后累加的方法进行采样点颜色的混合,得到最终屏幕。本方案具有如下优点:第一是基于射线的扫描,第二绘制质量较高,通过设置合适的传递函数能够清晰地显示体数据的内部细节;第三点比较重要的是该算法能够方便的在GPU上实现,能够对规模较大的数据实现实时地绘制。
需要说明的是,在实验中将本方案应用到核电站的四个厂房同时进行绘制,总的体数据网格数高达百万级。实验的结果表明,当使用本方案进行体数据的渲染的时候,能够对数据进行实时地呈现和交互,并且交互的过程非常流畅。
如图12所示,一种三维核辐射剂量场可视化系统,采用所述一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法进行构建,系统包括
全局视图模块,全局视图模块用于显示整体厂房以及设备的剂量分布;
局部视图模块,局部视图模块用于从各个不同的角度去查看具体房间设备的剂量分布状况;
辐射泄漏动态视图模块,辐射泄漏动态视图模块用于支持发生事故工况时对应的核辐射泄漏情况进行展示。
全局视图模块主要是以厂房主视图为视角,从整体上来概览各个厂房以及设备中的剂量分布差异,以及对核电厂的运作情况进行一个初步的判断。通过冷暖色的映射方式来传达剂量率的大小信息,从红色到绿色依次表示的是辐射剂量率的递减。例如,本实验应用了四个房间,分别为房间NA315、房间 NA217、房间NA215、房间R346,每个房间里面存放不同的设备,通过查看整体厂房的视图,比较不同厂房之间剂量的分布差异,从而判断哪个房间的剂量率偏高,进而反馈给上游的维修工人。
局部视图模块,查看某个特定的厂房以及相应的设备周围剂量的分布情况。如图8、9所示,显示的是房间R346中的冷凝管周围的剂量分布情况,图9是正常状态下的剂量分布,图9是发生核泄漏状态下的剂量分布,其中红色代表的是剂量值高的区域(内),绿色代表的是低辐射区域(外),从红色到绿色的渐变过程表示的是剂量值从大到小渐变的过程,很明显可以看出图10的颜色更加深,说明在核泄漏状态下设备周围的剂量明显增加。此外,该模块具有旋转、缩放功能,相比于主视图,该模块能够提供更加细致的剂量分配情况。
辐射泄漏动态视图模块,该模块支持用户选取不同的时间点对应的核辐射泄漏情况进行展示,通过用户自定义关键的时间点,系统自动呈现出核辐射泄漏的动态演变过程。如图10所示,四个不同的设备选择发生核辐射泄漏后三个时间步的平均,剂量值进行分析。可以看到随着时间的推移,每个房间的剂量值呈线性增加趋势。其中,NA217房间的增长率最快,房间的剂量密度也最大,说明设备的故障更加严重。此外,可以发现R346房间中剂量值的增加速度最慢,这意味着其中的设备具有较高的耐用性。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明,但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围,凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更,均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法,其特征在于,包括
步骤S0:搭建三维核电厂的几何模型;
步骤S1:获取三维核辐射剂量数据并进行预处理得到体数据;
步骤S2:利用CUDA的光线投射方法对三维核辐射计量场进行绘制,通过将不同大小的剂量值映射成不同的颜色,以获取三维核辐射计量场的渲染结果;
步骤S3:将渲染结果与核电厂的几何模型进行融合。
2.根据权利要求1所述的一种核辐射剂量场数据的混合绘制方法,其特征在于,所述步骤S2包括
步骤S20:读入体数据,获取CUDA中的线程编号;
步骤S21:判断视点发出的光线与体数据是否交叉,对不交叉的光线进行滤除,对于交叉的光线执行步骤S22;
步骤S22:重建相应的体数据,获取图像渲染结果。
3.根据权利要求2所述的一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法,其特征在于,所述步骤S20包括
步骤S20-1:设置颜色以及不透明度的传递函数;
步骤S20-2:读入所述获取的体数据,将体数据和相应的传递函数之间进行映射,映射方案为颜色随着辐射剂量率的增加按照不同等级进行过度;
步骤S20-3:根据三维纹理的尺寸来设置线程块的大小。
4.根据权利要求2所述的一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法,其特征在于,所述步骤S22包括
步骤S22-1:筛选光线上的体数据并进行采样获取每个采样点的体素;
步骤S22-2:根据传递函数进行赋值和累积;
步骤S22-3:从前往后累加的方法进行采样点颜色的融合,合成屏幕上每个像素点的值,并且将该值写入到帧缓存来显示最终的渲染结果图像。
5.根据权利要求4所述的一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法,其特征在于,所述步骤S1包括:
步骤S10:获取三维核辐射剂量数据。
步骤S11:对三维核辐射剂量数据预处理,包括数据的清洗、转换以及存储,得到一个三维数组形式来存储的体数据。
6.根据权利要求4所述的一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法,其特征在于,所述步骤S10包括对核电厂进行采样,得到均匀网格的结构化的采样数据,当采样数据量大于实际可视化所需的数据时,剔除多余的数据点完成三维核辐射场的重构,当采样数据点少于实际可视化所需的点时,通过插值对数据场进行重构。
7.根据权利要求6所述的一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法,其特征在于,所述通过插值对数据场进行重构的方法如下:设需要可视化的点为s,获得空间内距离s最近的八个体素,使其构成最小立方体单元,s点的辐射剂量率通过其周围的八个体素插值得到。
8.根据权利要求2所述的一种三维核辐射剂量场的可视化系统,其特征在于,所述步骤S21中判断视点发出的光线与体数据是否交叉采用光线与包围盒求交法。
9.根据权利要求4所述的一种三维核辐射剂量场的可视化系统,其特征在于,所述步骤S22-3中从前往后累加的方法进行采样点颜色的融合,合成屏幕上每个像素点的值,方法如下:
sum=sum+(col.w*den)*(col-sum)
其中,sum是采样点融合的颜色,col是传递函数纹理表中的颜色,w是不透明度的分量,den是该点不透明度值。
10.一种三维核辐射剂量场可视化系统,其特征在于,采用权利要求1-7任一项所述一种三维核辐射剂量场的数据混合绘制方法进行构建,所述系统包括
全局视图模块,所述全局视图模块用于显示整体厂房以及设备的剂量分布;
局部视图模块,所述局部视图模块用于从各个不同的角度去查看具体房间设备的剂量分布状况;
辐射泄漏动态视图模块,所述辐射泄漏动态视图模块用于支持发生事故工况时对应的核辐射泄漏情况进行展示。
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