CN115935673A - 一种基于射线追踪的fdtd网格剖分方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法及系统。该方法包括：通过建模软件获取目标模型；根据目标模型，建立层次包围盒结构，次包围盒结构用于储存三角面元信息；设置剖分尺寸和网格射线平面；获取网格射线平面的起点；判断层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；若是，则确定层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；若否，则返回“获取网格射线平面的起点”；判断是否遍历所有射线；若是，从起点开始，按剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；若否，则返回“获取网格射线平面的起点。本发明能够提高网格生成率。

Description

一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法及系统
技术领域
本发明涉及FDTD网格剖分领域，特别是涉及一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法及系统。
背景技术
FDTD算法使用Yee网格进行数值计算，然而在实际工程应用中，普遍使用CAD软件进行建模，并且模型参数会依据仿真结果以及实验结果进行修正，因此高效的Yee网格剖分算法显得尤为重要。主流Yee网格剖分算法采用射线追踪法，其网格剖分时间随着输入单元数和输出网格数线性增加，对于复杂模型的网格剖分时显得尤为吃力，因此亟需改进Yee网格生成算法。随着计算机硬件的发展，计算能力逐年增强，需要使用并行FDTD算法发挥计算机的全部计算能力，因此高效并行FDTD算法的研究迫在眉睫。
目前FDTD网格生成技术主要是利用CAD内核的表面网格或者体网格进行计算。体网格需要利用体积算法实现Yee网格生成，但是计算体积需要大量运算且需要对所有网格循环，网格生成效率低下。对于大型工程模型，网格数量巨大，每个射线都需要与每个网格求交点，不利于网格生成效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法及系统，能够提高网格生成率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法包括：
通过建模软件获取目标模型；
根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息；
设置剖分尺寸和网格射线平面；
获取所述网格射线平面的起点；
判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；
若是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
若否，则返回“获取所述网格射线平面的起点”；
判断是否遍历所有射线；
若是，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
若否，则返回“获取所述网格射线平面的起点”。
可选地，所述根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，具体包括：
获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
可选地，所述确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点，具体包括：
利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
可选地，所述判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点，具体包括：
判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
若所述第一判断结果为否或第二判断结果为否或第三判断结果为否，返回“获取所述网格射线平面的起点”。
一种基于射线追踪的FDTD网格剖分系统包括：
目标模型获取模块，用于通过建模软件获取目标模型；
层次包围盒结构确定模块，用于根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息；
设置模块，用于设置剖分尺寸和网格射线平面；
射线起点获取模块，用于获取所述网格射线平面的起点；
第一判断模块，用于判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；
入射点出射点确定模块，用于当所述层次包围盒结构与射线存在相交的包围盒节点时，确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
第二判断模块，用于判断是否遍历所有射线；
剖分模块，用于当遍历所有射线时，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
返回模块，用于当所述层次包围盒结构与射线不存在相交的包围盒节点时或者，没有遍历所有射线时，重新获取所述网格射线平面的起点。
可选地，所述层次包围盒结构确定模块，具体包括：
坐标值获取单元，用于获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
包围盒生成单元，用于根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
层次包围盒结构建立单元，用于根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
可选地，所述入射点出射点确定模块，具体包括：
入射点出射点确定单元，用于利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
可选地，所述第一判断模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
第二判断单元，用于当所述第一判断结果为是时，判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
第三判断单元，用于当所述第二判断结果为是时，判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为是，则进入入射点出射点确定模块；
返回单元，用于当所述第一判断结果为否获所述第二判断结果为否或所述第三判断结果为否时，重新获取所述网格射线平面的起点。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出了基于射线追踪理论的常规FDTD网格剖分方法、引入层次包围盒数据结构快速确定三角面元，实现了任意几何形状的Yee网格生成。结合网格剖分特点构建高级数据结构层次包围盒结构，可避免射线与不必要的网格求交点，从而提高网格生成效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为射线与三角面元求交点的特殊事例示意图；
图2基于射线追踪的FDTD网格剖分方法流程图；
图3基于射线追踪的FDTD网格剖分系统结构图。
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。
本发明的目的是提供一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法及系统，能够提高网格生成率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
射线追踪法的核心思想是对每一个三角面元循环求得交点，正常情况下会出现两个交点，分别是入射点和出射点，入射点是材料映射起始点，出射点是材料映射结束点。这些射线是由Yee网格中的网格线构成，从FDTD计算区域外某一点为原点沿着x,y,z方向射向无穷远处。通过相交检测法加速射线与三角面元判断是否交叉，求解射线与三角面元交点的方程，判断是否存在交点，得到射线起点到交点的距离。
图1为射线与三角面元求交点的特殊事例示意图，在射线与三角面元求交点的过程中会出现特例情况，通过分析各个交点状况进行处理。(a)射线与两个共边的三角形有交点，那么对于这两个三角形面元来说交于射向有交点，因此共会产生两个交点。(b)射线与所有三角面元的公共顶点都有交点，若是N个三角形那么将会出现N个交点。对于这些额外的交点需要剔除，这里使用偶数对方法来剔除额外点。偶数对的方法是入射交点和出射交点总是成对出现，这样在出现上面两种特殊情况时只取其中一个即可。(c)对于A面的三角面元来说eps等于零。依据射线追踪算法A面的三角面元与射线是没有交点的，然而事实上A面的三角面元与射线是有交点的。虽然在A面的交点会被射线追踪算法遗漏，但是依然可以得到B面的三角面元与射线的交点，因此整体上射线追踪算法依然有效。
基于上述内容，本发明提供一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法，图2基于射线追踪的FDTD网格剖分方法流程图，如图2所示，该方法包括：
步骤101：通过建模软件获取目标模型。
为了保证计算效率和精度，模型数据量大小保持在200M以内。目标模型类型限定为军事目标，例如飞机，舰船等。
步骤102：根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息。该步骤102具体包括：
获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
在射线追踪算法中需要对每一个三角面元循环与射线计算交点，在处理复杂模型或者大型工程问题时，三角面元的数量会非常庞大，因此Yee网格生成的时间随三角面元的数量线性增大。事实上每个三角面元不是必须与射线计算交点，当一个射线穿过物体时，大部分的三角面元是没有交点的，只需特别关注这几个有交点的三角面元即可，那么如何快速确定这几个三角面元就成为了优化算法的关键。每一个三角面元都有一个自己的包围盒，利用这些包围盒之间的关系建立一个二叉树数据结构，这个数据结构叫做层次包围盒。
层次包围盒从拥有一个根包围盒，它覆盖了剩余的所有包围盒的范围，并且其下面的叶子也拥有一个包围盒，叶子的包围盒是根包围盒其中的一个子域包围盒。依据此种思路结合分割算法，可以将每一个三角面元编入层次包围盒中。分割算法不在本发明的研究范围，这里直接使用表面积启发算法用于分割。表面积启发算法的优点在于能够形成一个平衡且经过优化的层次包围盒，这对于减少网格生成时间是非常有利的。
步骤103：设置剖分尺寸和网格射线平面。
网格射线平面就是在设置剖分尺寸也就是立方体网格大小后模型在X.Y或Z方向映射下来的面。这个面垂直于某一坐标轴并且由设置的尺寸的正方形组成。
步骤104：获取所述网格射线平面的起点。
起点是划分网格后某一方向投影的网格中心点。因为都是正方体的网格，设置好网格大小后，例如xy平面上网格投影下来为一个个由正方形组成的目标模型的俯视图，那么z方向的射线就是由每个正方形中心点为起点射出的，x，y方向的射线起点也是同理。
步骤105：判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点。
获取射线起点后通过射线与包围盒的相交关系来判断此子节点是否包含了目标模型，即如果存在交点，则是包含目标模型，如果没有交点，则证明没有包含目标模型，则在后续的计算过程中就可以减少计算量达到优化的目的。
步骤105，具体包括：
判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点，即步骤106。
通过步骤105可知，该步骤首先判断射线与根节点的包围盒检测是否有交点，如果有交点，那么继续与其叶子的包围盒检测是否有交点，如果其中一个叶子与射线没有交点，那么这个叶子的孩子以及后代将被跳过检测，一直循环下去直到某个叶子孩子为止。最终这个没有孩子的叶子所属的三角面元将于射线计算交点。有算法可以看出，可以跳过大量的不必要射线求交点运算，从而很大程度上降低网格生成时间。
步骤106：若是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点，具体包括：
利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
若否，则返回步骤104；
步骤107：判断是否遍历所有射线；
步骤108：若是，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
由于三维图形的复杂性，在计算交点和材料映射时需要考虑多重因素。首先三维图形经三角面元离散之后，形成了闭合曲面，因此若射向穿过物体，必定有两个交点，一个是入射点一个是出射点。在入射点与出射点之间的所有所有网格，都属于同一种材料。但是当射线相交于三角面元的公共边或者公有顶点时，会出现多个大于两个交点的情况，这是需要利用偶数对方法来剔除对应的点。
此算法是将目标模型剖分为由一个个小立方体网格组成的模型，每一个坐标值都是小立方体的中心坐标点。为了保证准确度减少误差，材料映射是根据x、y和z三个方向来判断的，材料映射是剖分的最后一步。
中心坐标点是立方体网格的中心，入射点和出射点是射线穿过模型与网格相交时的交点，当射线与网格相交时，必然出现入射点和出射点两点(特殊情况已说明)，二者关系就是先有中心点坐标值完成网格剖分，再通过入射点和出射点的两两对应关系完成对材料信息的定义。中心坐标点和材料映射没有关系，坐标点只是用来网格剖分的，材料映射是剖分后定义材料的。
若否，则返回步骤104。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明提出了基于射线追踪理论的常规FDTD网格剖分方法、引入层次包围盒数据结构快速确定三角面元，实现了任意几何形状的Yee网格生成。
2.基于射线追踪算法的FDTD网格生成技术具有速度快，精度高等特点，但是对于大型工程模型，网格数量巨大，每个射线都需要与每个网格求交点，不利于网格生成效率。结合网格剖分特点构建高级数据结构，可避免射线与不必要的网格求交点，从而提高网格生成效率。
图3基于射线追踪的FDTD网格剖分系统结构图。如图3所示，本发明还提供一种基于射线追踪的FDTD网格剖分系统，该系统包括：
目标模型获取模块201，用于通过建模软件获取目标模型；
层次包围盒结构确定模块202，用于根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息；
设置模块203，用于设置剖分尺寸和网格射线平面；
射线起点获取模块204，用于获取所述网格射线平面的起点；
第一判断模块205，用于判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；
入射点出射点确定模块206，用于当所述层次包围盒结构与射线存在相交的包围盒节点时，确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
第二判断模块207，用于判断是否遍历所有射线；
剖分模块208，用于当遍历所有射线时，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
返回模块209，用于当所述层次包围盒结构与射线不存在相交的包围盒节点时或者，没有遍历所有射线时，重新获取所述网格射线平面的起点。
所述层次包围盒结构确定模块202，具体包括：
坐标值获取单元，用于获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
包围盒生成单元，用于根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
层次包围盒结构建立单元，用于根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
所述入射点出射点确定模块206，具体包括：
入射点出射点确定单元，用于利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
所述第一判断模块205，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
第二判断单元，用于当所述第一判断结果为是时，判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
第三判断单元，用于当所述第二判断结果为是时，判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；
返回单元，用于当所述第一判断结果为否获所述第二判断结果为否或所述第三判断结果为否时，重新获取所述网格射线平面的起点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于射线追踪的FDTD网格剖分方法，其特征在于，包括：
通过建模软件获取目标模型；
根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息；
设置剖分尺寸和网格射线平面；
获取所述网格射线平面的起点；
判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；
若是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
若否，则返回“获取所述网格射线平面的起点”；
判断是否遍历所有射线；
若是，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
若否，则返回“获取所述网格射线平面的起点”。
2.根据权利要求1所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分方法，其特征在于，所述根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，具体包括：
获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
3.根据权利要求1所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分方法，其特征在于，所述确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点，具体包括：
利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
4.根据权利要求1所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分方法，其特征在于，所述判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点，具体包括：
判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
若所述第一判断结果为否或第二判断结果为否或第三判断结果为否，返回“获取所述网格射线平面的起点”。
5.一种基于射线追踪的FDTD网格剖分系统，其特征在于，包括：
目标模型获取模块，用于通过建模软件获取目标模型；
层次包围盒结构确定模块，用于根据所述目标模型，建立层次包围盒结构，所述次包围盒结构用于储存三角面元信息；
设置模块，用于设置剖分尺寸和网格射线平面；
射线起点获取模块，用于获取所述网格射线平面的起点；
第一判断模块，用于判断所述层次包围盒结构与射线是否存在相交的包围盒节点；
入射点出射点确定模块，用于当所述层次包围盒结构与射线存在相交的包围盒节点时，确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点；
第二判断模块，用于判断是否遍历所有射线；
剖分模块，用于当遍历所有射线时，从所述起点开始，按所述剖分尺寸进行网格离散，得到Yee元胞网格中心点坐标值，将成对的入射点和出射点之间填充材料信息完成材料映射；
返回模块，用于当所述层次包围盒结构与射线不存在相交的包围盒节点时或者，没有遍历所有射线时，重新获取所述网格射线平面的起点。
6.根据权利要求5所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分系统，其特征在于，所述层次包围盒结构确定模块，具体包括：
坐标值获取单元，用于获取所述目标模型尺寸的最大坐标值和最小坐标值；
包围盒生成单元，用于根据所述最大坐标值和所述最小坐标值，生成多个包围盒；
层次包围盒结构建立单元，用于根据各所述包围盒之间的关系，建立层次包围盒结构。
7.根据权利要求5所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分系统，其特征在于，所述入射点出射点确定模块，具体包括：
入射点出射点确定单元，用于利用偶数对方法确定所述层次包围盒结构与射线交点的入射点和出射点。
8.根据权利要求5所述的基于射线追踪的FDTD网格剖分系统，其特征在于，所述第一判断模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断所述射线是否与根节点的包围盒存在交点，得到第一判断结果；
第二判断单元，用于当所述第一判断结果为是时，判断所述射线是否与根节点下边的叶子的包围盒存在交点，得到第二判断结果；
第三判断单元，用于当所述第二判断结果为是时，判断所述射线是否与叶子的孩子以及后代的包围盒存在交点，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为是，则进入入射点出射点确定模块；
返回单元，用于当所述第一判断结果为否获所述第二判断结果为否或所述第三判断结果为否时，重新获取所述网格射线平面的起点。
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