核輻射安全仿真實時交互渲染方法

程 翔，石志勇，何 桃，龍鵬程，張 澍，江 平，葛 鵬

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009；2.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥230031；3. 火箭軍裝備研究院，北京100094)

核輻射安全仿真實時交互渲染方法

程 翔1,2，石志勇3，何 桃2，龍鵬程2，張 澍2，江 平1，葛 鵬2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009；2.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，中國科學(xué)院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥230031；3. 火箭軍裝備研究院，北京100094)

因核輻射安全仿真場景具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多角度交互式漫游等特點，導(dǎo)致仿真過程中難以實現(xiàn)實時交互渲染。本文提出了一種針對核輻射安全仿真實時交互渲染方法，通過仿真場景數(shù)據(jù)自動分割、仿真場景面片級視錐體裁剪、基于圖像空間的跟蹤地圖等技術(shù)，從多個方面研究提高實時交互渲染效率的途徑。以國際熱核聚變實驗堆ITER極向場線圈PF4維修過程仿真為例對本文方法進行了測試，測試結(jié)果表明該方法能有效提高復(fù)雜場景渲染效率，滿足實時交互渲染。

虛擬現(xiàn)實；輻射劑量仿真；實時交互渲染；八叉樹

當(dāng)前，隨著核能的迅猛發(fā)展，核輻射環(huán)境下核設(shè)施維修、退役等作業(yè)實踐也越來越頻繁。基于安全性、經(jīng)濟性、合理性的考慮，作業(yè)實踐方案的預(yù)先模擬仿真，能有效提高作業(yè)的效率以及降低工作人員的輻射照射劑量。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1]構(gòu)建的核輻射安全仿真，因具備多感知性、交互性、沉浸感和自主性等特點，被廣泛應(yīng)用于核輻射環(huán)境下涉核作業(yè)方案的制訂與優(yōu)化、人員操作培訓(xùn)等環(huán)節(jié)。核輻射安全仿真場景具有如下特點：首先，場景中幾何模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且要實時可視化輻射場數(shù)據(jù)，導(dǎo)致場景需要實時渲染的數(shù)據(jù)規(guī)模巨大；其次，在人員交互漫游過程中，存在第三視角的跟蹤和仿真場景全局的位置跟蹤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)渲染。上述特點會導(dǎo)致在復(fù)雜核輻射安全仿真場景中，存在渲染幀數(shù)過低而無法實現(xiàn)實時交互等問題。研究如何提高核輻射仿真場景的實時交互渲染效率，已成為各類核輻射安全仿真系統(tǒng)的重要研究問題。比利時SCK·CEN發(fā)展的三維ALARA計劃工具軟件VISIPLAN[2]，法國CEA發(fā)展的針對核設(shè)施退役輻射評估的ALARA研究軟件工具NARVEOS，韓國KAERJ研發(fā)的退役數(shù)字模擬器系統(tǒng)DMU[3](Digital Mock-up)等，都在核輻射安全仿真的實時交互渲染上做了大量工作，但是多數(shù)僅支持簡單的仿真場景，如通過基本幾何體組成的模型、靜態(tài)輻射場、質(zhì)點人體模型等。

通過深入調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文提出了一種針對復(fù)雜核輻射安全仿真場景的實時交互渲染方法，該方法首先通過對仿真場景數(shù)據(jù)進行八叉樹分割預(yù)處理，大大提高場景管理的效率；其次通過面片級的視椎體裁剪技術(shù)，減少了仿真過程中場景的渲染量；最后采用基于圖像空間的跟蹤地圖方法，避免了多角度人員漫游位置跟蹤帶來的重復(fù)渲染。以國際熱核聚變實驗堆ITER[4]極向場線圈PF4維修過程劑量仿真評估為例對本文提出方法進行了測試與驗證，測試結(jié)果表明該方法能有效提高復(fù)雜核輻射安全仿真場景渲染效率，滿足實時交互的要求。

1 開發(fā)平臺

本文工作基于核與輻射安全仿真系統(tǒng)SuperMC/VisualDose[5-16]開展。SuperMC/VisualDose是FDS團隊[17]基于“數(shù)字反應(yīng)堆”和“輻射虛擬人”兩類技術(shù)，自主研發(fā)的大型通用核與輻射安全仿真系統(tǒng)，能為核設(shè)施建造、運行、維修、退役等過程，提供設(shè)計優(yōu)化、操作培訓(xùn)、應(yīng)急評估、科普教育等集成仿真解決方案，提升反應(yīng)堆的安全性能。

SuperMC/VisualDose采用OGRE作為圖形圖像渲染引擎，VTK作為可視化算法支撐庫，QT作為圖形界面開發(fā)包，在Visual Studio系統(tǒng)上進行開發(fā)。

2 基于八叉樹的仿真場景空間劃分

圖1 八叉樹結(jié)構(gòu)圖

本文選用八叉樹的數(shù)據(jù)表示方法對仿真場景進行空間劃分。八叉樹結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。通過OGRE的頂點緩存獲取每個mesh的所有頂點的空間位置、法線信息以及拓撲關(guān)系，將獲取的頂點信息重組成三角面片，添加到三角面片列表。遍歷三角面片列表，按照三角面片的位置放入對應(yīng)八叉樹節(jié)點中(只有葉節(jié)點中保存三角面片的信息)。基于分割后的模型數(shù)據(jù)做可見性判斷，可以有效地提升效率。

對于三角面片與八叉樹節(jié)點的位置關(guān)系，分為如下三種情況處理：

(1) 三個頂點都在八叉樹節(jié)點中。如果該節(jié)點是葉節(jié)點，則將三角面片加入到該節(jié)點中,如果不是，則比較該三角面片與其子節(jié)點的關(guān)系。

(2) 三個頂點都不在八叉樹節(jié)點中。比較該三角面片與其下一個兄弟節(jié)點的關(guān)系。

(3) 一個或者兩個頂點在八叉樹節(jié)點中。對三角面片與八叉樹節(jié)點求交，對被分割后的三角面片重新三角化，判斷新的三角形與八叉樹節(jié)點的位置關(guān)系。

當(dāng)所有的三角面片都放入葉節(jié)點時，需要對每個葉節(jié)點中的三角面片數(shù)據(jù)建立合適的可渲染對象,本文繼承OGRE中的simplerenderable類作為可渲染對象。仿真場景數(shù)據(jù)分割流程圖，如圖2所示。

圖2 仿真場景空間劃分流程圖

3 實時交互渲染方法

3.1 基于視錐體裁剪技術(shù)的交互漫游

針對核輻射安全仿真場景的特點，本文選擇的剔除方法是基于八叉樹的面片級視錐體裁剪技術(shù)，針對場景模型的多邊形面片進行裁剪。通過使用八叉樹節(jié)點的包圍盒與視錐體做可見性判斷，包圍盒只要跟視椎體有交集都視為在視椎體內(nèi)，具體步驟如下：

1) 八叉樹節(jié)點不在視錐體內(nèi)

如果此節(jié)點為葉節(jié)點，則將該節(jié)點綁定的實體設(shè)為不可見。如果此節(jié)點不是葉節(jié)點，則獲取該節(jié)點下的所有葉節(jié)點，然后將節(jié)點下的所有葉節(jié)點設(shè)為不可見。

2) 八叉樹節(jié)點在視錐體內(nèi)

如果此節(jié)點為葉節(jié)點，則將此節(jié)點綁定的實體設(shè)為可見。如果此節(jié)點不是葉節(jié)點，則先判斷該節(jié)點是否完全包含于視錐體，是的話，找到其所有的葉節(jié)點，并將所有的葉節(jié)點設(shè)為可見，否則遍歷其子節(jié)點的可見性。

3.2 基于圖像空間的跟蹤地圖

在漫游仿真過程中，為了預(yù)知行走路徑上輻射劑量的分布，避開輻射劑量過大的區(qū)域，需要有疊加輻射場的跟蹤地圖。

本文利用VTK可視化工具包完成跟蹤地圖的數(shù)據(jù)獲取，再在OGRE中實現(xiàn)疊加輻射場的跟蹤地圖的繪制。首先需要對模型進行切割，VTK中通過VTKPlane的SetOrigin和SetNormal函數(shù)確定切割平面，其中前者確定切割面的切入點，后者確定切割面的法線方向。使用設(shè)定好的平面作為VTKCutter的切割參數(shù)，對模型進行切割。然后從VTKPolyData中提取切割后輪廓數(shù)據(jù)的頂點位置和頂點的空間拓撲關(guān)系，在OGRE中實現(xiàn)輪廓的重建。為了給切割的輪廓面附上輻射場的紋理值，需要在切面的位置上畫一個平面，再將平面附上輻射場的紋理，達到輻射場分布和場景分布的疊加可視效果。在人員進行漫游的過程中，通過實時更新漫游人員在場景圖中的標(biāo)識位置來實現(xiàn)仿真場景全局的位置跟蹤。

4 測試與結(jié)果分析

為了驗證本文方法的有效性和正確性，以國際熱核聚變實驗堆ITER極向場線圈PF4雙絞線連接接頭斷開檢修[18]過程中人員維修劑量仿真評估為例對本文方法進行了測試。

根據(jù)ITER設(shè)計需求，假設(shè)ITER根據(jù)SA2方案運行，停堆冷卻7天后，需要2位工作人員從低溫室頂蓋進入低溫室檢修PF4線圈雙絞線接頭。場景模型采用ITER大廳和托卡馬克模型，整個場景包含約420萬個三角面片，如圖3所示為基于3DMAX創(chuàng)建的仿真場景模型。輻射劑量場分布采用ITER國際組織提供的停堆光子通量場結(jié)果數(shù)據(jù)[19]。

圖3 ITER大廳和托卡馬克模型

在裝配有Intel Core i5-2400 3.10GHz的CPU、4GB內(nèi)存、NVIDIA GeForce GT420顯卡、Windows 7 64位操作系統(tǒng)的PC機上，對本文方法進行了測試。本文方法實現(xiàn)了面片級別的視椎體裁剪技術(shù)，圖4顯示的是漫游人員在場景原點沿著水平方向的視椎體裁剪示意圖，原模型在經(jīng)過視椎體裁剪后，需要顯示的三角面片僅有72萬，降低為原始的17%。

圖4 基于八叉樹的視椎體剔除方法在 托卡馬克模型中的應(yīng)用效果 (a) 當(dāng)前視角;(b) 裁剪后模型

圖5是漫游人員執(zhí)行PF4維修的仿真過程，主視圖是仿真人員的第三視角位置跟蹤，右側(cè)分別為工人累計劑量曲線圖和器官當(dāng)量劑量圖，左下角為基于圖像空間的跟蹤地圖。圖中紅、黃、綠、藍區(qū)域的輻射強度依次降低，仿真場景任意平面的漫游位置實時跟蹤圖中白色的線框為場景分布的輪廓線，黑色矩形標(biāo)記的是漫游人員的位置。

圖5 ITER PF4維修仿真情景

在PF4線圈的檢修任務(wù)仿真過程中，采用面片級的視椎體裁剪技術(shù)后，仿真畫面刷新幀速率得到明顯提高。但是并不是八叉樹分割的級數(shù)越多幀率越高，如表1所示，第0級為沒有經(jīng)過八叉樹分割的渲染幀率，幀速率小于24FPS，無法實現(xiàn)實時交互渲染。對該模型進行多級分割實驗，模型在前三級的分割后通過視椎體裁剪幀率得到有效提升，到了第3級已經(jīng)很好的達到了實時交互渲染的效果。但是當(dāng)經(jīng)過5級分割后，由于需要搜索可見節(jié)點開銷的增大和模型三角面片數(shù)的增加，幀率出現(xiàn)了很大的反差。

表1 模型多級分割時的交互漫游幀速率Table 1 Interactive roaming frame rate for model multilevel segmentation

5 結(jié)束語

本文發(fā)展了一種結(jié)合基于八叉樹的仿真場景空間劃分、基于視錐體裁剪技術(shù)的交互漫游與基于圖像空間的跟蹤地圖等技術(shù)的核輻射安全仿真實時交互渲染方法。國際熱核聚變實驗堆ITER極向場線圈PF4維修過程仿真的測試?yán)}表明，該方法能有效提高復(fù)雜場景渲染效率，滿足實時交互渲染。

此外，基于八叉樹的視椎體裁剪技術(shù)更適用于面片密度均勻的場景，對于不均勻場景的實時交互渲染需要進一步研究。

致謝：本工作得到中科院核能安全技術(shù)研究所. FDS團隊其他員的大力幫助和支持，在此深表感謝！

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Real-time Interactive Rendering for NuclearRadiation Safety Simulation

CHENG Xiang1,2，SHI Zhi-yong3，HE Tao2，LONG Peng-cheng2，ZHANG Shu2，JIANG Ping1，GE Peng2

(1. School of Mathematics，Hefei University of Technology (HFUT)，Hefei，Anhui，230009，China;2.Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety，Institute of Nuclear Energy Safety Technology，Chinese Academy of Sciences，Hefei，Anhui，230031，China;3. Equipment Academy of the Rocket Force, Beijing， 100094)

Because of nuclear radiation safety simulation scene is featured with complex geometric structure and multi-angle personnel roaming location tracking，etc. it leads to low rendering frames and unable to realize real-time interaction during virtual roaming. This paper presents a real-time interactive rendering method for complicated scene. This method can improve rendering efficiency mainly from three processes: automatic segmentation of simulation scene data，view frustum culling，roaming location real-time tracking based on plane map. It has been applied in the maintenance simulation of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) PF4 repair. The test result shown that the method can effectively improve real-time interactive rendering efficiency.

Virtual reality；Radiation dose simulation；Real-time interactive rendering；Octree

2016-07-29

本論文工作得到國家自然科學(xué)基金(91026004，11305205)，中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(095CF2R211、KJCX2-YW-N35)等項目資助。

程 翔(1989—)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事數(shù)字仿真與可視化研究工作

葛 鵬：peng.ge@fds.org.cn

TP391.9

A

0258-0918(2016)05-0651-05