一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，包括以下步骤：建立划分方案，将几何模型不断划分成子模型；以及使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体，其特点是采用分治策略将几何模型不断划分成子模型，子模型间没有共有的几何体，在几何处理时首先检测几何模型的轴向包围盒，从而快速排除不需要检测的几何体，提高几何处理的速度；划分子模型时不保存子模型的轴向包围盒，而是保存划分方向、划分位置和子模型在划分方向上的特征长度，在几何处理时根据这些数据重新计算轴向包围盒，从而减少占用的存储空间。

A fast geometric processing method for Monte Carlo particle transport based on feature length

The invention discloses a feature length based on Monte Carlo particle transport fast geometric processing method, which comprises the following steps: establishing the geometric model of time division scheme, divided into sub model; and using the established classification scheme found to meet the testing requirements of geometry, which is characterized by the geometric model of continuous division strategy is divided into sub model no, the common geometry model, first detect the geometric model of the axial bounding box in geometry processing, so as to quickly eliminate geometry without detection, improve the geometric processing speed; axial preserved sub model sub model of the bounding box, but the preservation characteristics of direction, position and length of the divided sub model in the direction of the division, in geometry processing according to these data to calculate the axial bounding box, so as to reduce the occupied storage space.

【技术实现步骤摘要】
一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法
本专利技术涉及核科学中蒙特卡罗粒子输运数值模拟
，尤其涉及一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法。
技术介绍
蒙特卡罗粒子输运是一种基于统计学理论的随机模拟方法。该方法从粒子输运的物理模型出发，直接模拟粒子在求解域中的运动过程，通过对大量粒子运动过程的统计平均，计算宏观物理量。该方法具有模拟准确、几何适应性好的优点，广泛应用于核物理和医学物理等领域。蒙特卡罗粒子输运的模拟过程可抽象为粒子按照一定的物理规律在一些几何体中随机运动，这些几何体具有不同的形状，由不同的材料构成。模拟过程中需要频繁进行各种耗时的几何处理，例如：(1)查找粒子所在的几何体，即将粒子视为空间中的一个点，找到包含该点的几何体，需要对几何体进行粒子的包含检测；(2)查找粒子运动时首次遇到的几何体边界，并计算粒子到该边界的距离。即将粒子的运动视为空间中的一条射线，找到射线首次相交的几何体边界并计算射线到交点的距离，需要对几何体进行射线的相交检测。针对单个几何体的各种几何处理在计算机图形学中有成熟算法，如果几何体的外形复杂，还可使用几何体的轴向包围盒进行加速，即使用包含几何体的长方体快速排除不满足条件的几何体。例如，由于轴向包围盒占据的空间包含了几何体占据的空间，如果粒子不在轴向包围盒中，则也不会在几何体中；同理，如果射线不与轴向包围盒相交，则也不会与几何体相交。轴向包围盒的生成和检测在计算机图形学中同样有成熟的算法。蒙特卡罗粒子输运的几何模型中包含多个几何体，传统的几何处理方法直接遍历模型中的所有N个几何体，时间复杂度为O(N)，耗时较多。一类几何处理的加速方法是三维空间划分，即使用平面将几何模型所在三维空间不断划分成为子空间，这类方法包括k维树、八叉数、空间网格等。当划分平面穿过几何体时，几何体同时属于划分后的每个子空间，每个子空间都需要复制一份该几何体或它的索引。该类方法的缺点是如果几何体数目会较多并且排列的非常紧密，每次划分时划分平面都会穿过大量的几何体，导致需要复制大量的几何体，即使是只复制其索引号，也会占用较多的存储空间。并且虽然该类方法的时间复杂度为O(LogN)，但由于大量的复制操作，使得实际的复杂度为O(LogAN)，其中A为每个几何体的平均复制次数，增加了几何处理的时间。另一类几何处理的加速方法是层次包围盒，即将几何模型不断划分成子模型，并保存每个子模型的轴向包围盒。该方法中几何体只属于唯一的子模型，不存在两个模型同时拥有一个几何体的情况。但该方法需要保存大量轴向包围盒，而保存一个轴向包围盒需要保存6个浮点数参数，占用的存储空间较多。目前，大规模的精细数值模拟已成为核能系统模拟的趋势，几何模型中会包含百万个甚至千万个几何体，上述方法无论从几何处理效率和存储空间占用的角度考虑都存在缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，既能进行快速的几何处理又无需直接保存轴向包围盒数据，减少存储空间；每次划分都将几何体划分到一个子模型中，不存在两个模型同时拥有一个几何体的情况，避免了几何体的复制。为此，本专利技术提供了一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，包括以下步骤：建立划分方案，将几何模型不断划分成子模型；使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体，其特征在于，所述建立划分方案包括：(1)初始化几何模型，包括以下子步骤：(11)计算几何模型中每个几何体的轴向包围盒、特征点、特征长度；其中，几何体的特征点为轴向包围盒的中心点，三个坐标轴方向上的特征长度分别为轴向包围盒在这三个方向上的长度；(12)计算并保存几何模型的轴向包围盒和三个坐标轴方向上的特征长度；其中，几何模型的轴向包围盒包含模型中所有几何体的轴向包围盒，三个坐标轴方向上的特征长度分别为几何模型中几何体在该方向特征长度的最大值，(2)将几何模型划分为子模型，包括以下子步骤：(21)选择几何模型的划分方向，并将几何模型中的几何体按特征点在划分方向上的位置进行排序；(22)选择中间两个几何体的特征点连线的中点作为划分位置，将前一半几何体划分为左子模型，其它几何体划分为右子模型；计算每个子模型的轴向包围盒和在划分方向上的特征长度；(23)保存本次划分的划分方向、划分位置以及每个子模型在划分方向上的特征长度，以及(3)针对划分出的每个子模型，递归地重复上述将几何模型划分为子模型的过程，直到划分出的几何模型包含的几何体数目小于预设值为止。进一步地，使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体包括：(41)使用所述几何模型的轴向包围盒判断几何模型是否满足检测要求，如果满足检测要求，则继续检测几何模型的每个子模型，否则结束模型的检测；其中，子模型的轴向包围盒使用模型的轴向包围盒、划分方向、划分位置和子模型在划分方向上的特征长度进行计算；(42)针对继续检测的每个几何模型，递归地重复所述步骤(41)，直到模型不满足检测要求或模型没有子模型为止；以及(43)对满足检测要求且没有子模型的每个几何模型，依次检测模型中的每个几何体，从而快速找到满足检测要求的几何体。进一步地，选择几何模型的划分方向包括：计算几何模型的轴向包围盒在三个坐标轴方向的长度，选择长度最大的坐标轴方向作为划分方向。进一步地，在模型包含的几何体数目小于2时模型划分结束。本专利技术的有益效果是：(1)采用分治策略，建立划分方案，通过检测模型的轴向包围盒快速排除不需要检测的几何体，使几何处理的时间复杂度从O(N)降为O(LogN)，处理速度快；(2)每次划分只需保存划分方向(1个字节)、划分位置(1个浮点数)以及两个子模型在划分方向上的特征长度(1个/模型×2＝2个浮点数)，无需使用6个/模型×2＝12个浮点数保存两个子模型的轴向包围盒，大幅减少了占用的存储空间；(3)每次划分都将几何体划分到其中一个子模型中，不存在两个模型共有一个几何体的情况，避免了几何体的复制。另外，选择长度最大的坐标轴方向作为划分方向，其效果如下：计算简单，容易实施；几何体在长度最大的方向上分布的最稀疏，在该方向上进行划分可以减少两个子模型轴向包围盒的重叠，提高几何处理的效率。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术中构建几何模型划分方案的流程图；图2为本专利技术中进行几何处理的流程图；图3为本专利技术中几何体的轴向包围盒示意图；图4为本专利技术中基于特征长度重建轴向包围盒的原理图；图5为本专利技术中实施例1的几何体；图6为本专利技术中实施例1构建出的几何模型划分方案示意图；以及图7为本专利技术中实施例2的几何体。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术的基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，原理是首先采用分治策略将几何模型不断划分成子模型，从而建立划分方案，然后每次几何处理时都根据模型的轴向包围盒检测结果快速排本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，其特征在于，包括以下步骤：建立划分方案，将几何模型不断划分成子模型；使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体，其特征在于，所述建立划分方案包括：(1)初始化几何模型，包括以下子步骤：(11)计算几何模型中每个几何体的轴向包围盒、特征点、特征长度；其中，几何体的特征点为轴向包围盒的中心点，三个坐标轴方向上的特征长度分别为轴向包围盒在这三个方向上的长度；(12)计算并保存几何模型的轴向包围盒和三个坐标轴方向上的特征长度；其中，几何模型的轴向包围盒包含模型中所有几何体的轴向包围盒，三个坐标轴方向上的特征长度分别为几何模型中几何体在该方向特征长度的最大值，(2)将几何模型划分为子模型，包括以下子步骤：(21)选择几何模型的划分方向，并将几何模型中的几何体按特征点在划分方向上的位置进行排序；(22)选择中间两个几何体的特征点连线的中点作为划分位置，将前一半几何体划分为左子模型，其它几何体划分为右子模型；计算每个子模型的轴向包围盒和在划分方向上的特征长度；(23)保存本次划分的划分方向、划分位置以及每个子模型在划分方向上的特征长度，以及(3)针对划分出的每个子模型，递归地重复上述将几何模型划分为子模型的过程，直到划分出的几何模型包含的几何体数目小于预设值为止。...

【技术特征摘要】
1.一种基于特征长度的蒙特卡罗粒子输运快速几何处理方法，其特征在于，包括以下步骤：建立划分方案，将几何模型不断划分成子模型；使用建立的划分方案找到满足检测要求的几何体，其特征在于，所述建立划分方案包括：(1)初始化几何模型，包括以下子步骤：(11)计算几何模型中每个几何体的轴向包围盒、特征点、特征长度；其中，几何体的特征点为轴向包围盒的中心点，三个坐标轴方向上的特征长度分别为轴向包围盒在这三个方向上的长度；(12)计算并保存几何模型的轴向包围盒和三个坐标轴方向上的特征长度；其中，几何模型的轴向包围盒包含模型中所有几何体的轴向包围盒，三个坐标轴方向上的特征长度分别为几何模型中几何体在该方向特征长度的最大值，(2)将几何模型划分为子模型，包括以下子步骤：(21)选择几何模型的划分方向，并将几何模型中的几何体按特征点在划分方向上的位置进行排序；(22)选择中间两个几何体的特征点连线的中点作为划分位置，将前一半几何体划分为左子模型，其它几何体划分为右子模型；计算每个子模型的轴向包围盒和在划分方向上的特征长度；(23)保存本次划分的划分方向、划分位置以及每个子模型在划分方向上的特征长度，以及(3)针对划分出的每个子模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，郝丽娟，俞盛朋，何鹏，孙光耀，吴斌，胡丽琴，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34