一种基于中子输运特征线理论的数据可视化方法

摘要

本发明属于核反应堆物理仿真和数据可视化领域，具体涉及一种基于中子输运特征线理论的数据可视化方法。本发明包括：采用构建实体几何的方法建立计算区域的几何模型，由带权的曲线经过初等布尔运算得到几何实体，给每个封闭的几何实体指定材料编号等。本发明能够充分有效利用特征线追踪过程产生的致密的特征线片段信息，将这些特征线片段赋以对应的色彩RGB值，然后基于这些特征线填充即可实现数据的可视化。

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆物理仿真和数据可视化领域，具体涉及一种基于中子输运特征线理论的数据可视化方法。

背景技术

求解玻尔兹曼中子输运方程是核反应堆堆芯物理计算必不可少的内容，而1972年Askew提出的特征线形式的输运方程具有形式简单、几何适应性强的优势，因而近几年特征线方法在中子输运程序中获得了大量的应用。

该方法需要对所计算的区域进行精细的网格剖分，通常情况下剖分出的网格形状都是不规则的，并且可能是由多种形式的曲线所构成，如直线、圆弧、椭圆弧等。用户在进行耗时的输运计算前通常需要判断几何前处理情况(如材料布置、平源网格划分、特征线追踪等)是否符合预期要求，据此决定是否继续运行输运计算模块，而这些不规则的网格对几何前处理结果的可视化和计算结果的可视化均提出挑战。

传统的像素可视化技术在对数据的可视化方面有各自的优势，但是主要是针对规则的封闭区域进行像素填充，对于反应堆中子输运计算而言，数量庞大的不规则网格会使得传统的可视化方法难以处理。因此迫切需要寻找一种能够快速准确地显示中子输运计算程序中大规模海量数据的新型可视化方案，给用户提供与数据之间互动能力的一种可视化工具，帮助用户检查输入数据的正确性及展示计算结果的分布趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充分利用了几何前处理过程产生的特征线信息，采用扫描线填充的像素可视化方法，为用户提供一种与数据交互的工具的基于中子输运特征线理论的数据可视化方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)采用构建实体几何的方法建立计算区域的几何模型，由带权的曲线经过初等布尔运算得到几何实体，给每个封闭的几何实体指定材料编号，一共有N个平源网格，各个平源网格相邻的最大网格数量为n，根据用户输入的方位角个数和相邻特征线间隔计算需要的特征线总条数L和每条特征线的起始点，并初始化特征线，由起点出发跟踪特征线在计算区域内被平源网格切割情况，产生特征线在平源网格内的信息，包括平源区域编号、材料编号、特征线片段起始点坐标；

(2)预设一组用RGB分量数组表示的基本颜色，数组值采用16进制表示：[0X0000900X000FFF 0X0090FF 0X0FFFEE 0X90FF70 0XFFEE00 0XFF7000 0XEE0000 0X7F0000]；

(3)利用步骤(1)中任意一个方位角上的特征线信息，将特征线片段经历的材料编号映射到用R、G、B表示的颜色像素值，得到材料编号对应的RGB值；

(4)将所有特征线片段赋以所经历材料编号对应的RGB值，采用基于扫描线填充的像素可视化技术，绘制计算区域内的材料布置图，并据此检查几何模型中填充材料是否正确；

(5)以特征线片段经历的平源区编号为种子，利用随机数生成函数生成0-n以内的随机数，以生成的随机数对步骤二中的RGB分量数组作插值计算获得平源区编号对应的RGB值；

(6)将所有特征线片段赋以所经历平源网格编号对应的RGB值，采用基于扫描线填充的像素可视化技术，绘制计算区域内的平源网格划分可视化图像，并据此判断平源网格生成正确与否；

(7)若步骤(4)中的材料布置和步骤六中的网格划分均满足要求，则进入中子输运计算模块；否则，退出程序，重新编辑输入卡中的材料布置和平源网格划分规则，执行步骤(1)至(6)；

(8)基于特征线理论的输运计算完成后，获得每个平源网格上各群中子通量密度和裂变反应率，将每个能群的中子通量密度和裂变反应率均映射到用R、G、B表示的颜色像素值，得到不同中子通量密度和裂变反应率对应的RGB值；

(9)将每条特征线片段分别赋以所经历的平源网格内的中子通量密度和裂变反应率对应的RGB值，采用基于扫描线填充的像素可视化技术，获得计算区域内每个能群的中子通量密度分布和裂变功率变化趋势的图像。

一种基于中子输运特征线理论的数据可视化方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：进行平源网格划分和空间角度离散，进而产生特征线信息是应用特征线方法的预备工作，这一阶段的网格划分和角度离散的精细程度会直接影响到最终结果的精度。为了充分利用特征线方法的几何适应性，采用构建实体几何的方法(CSG)建立计算区域的几何模型，对带权重的曲线进行初等布尔运算后可以获得任意形状的几何实体，这些几何实体构成了封闭的材料区域。为了获得更高的计算精度，可以将这些几何实体作进一步的精细网格划分，形成更小的平源网格，这里不妨假设一共有N个平源网格，与网格相邻的的最大网格数量为n。然后根据用户输入的方位角个数和相邻特征线间隔计算需要的特征线总条数L和每条特征线的起始点，并初始化特征线，由起点出发跟踪特征线在计算区域内被平源网格切割情况，产生特征线在平源网格内的信息(特征线片段起始点startPt/endPt、网格编号i、材料编号mat)；

步骤二：选择可视化效果显著的颜色模型，本发明采用用户最为熟悉也是使用最多的RGB(Red、Green、Blue)颜色模型，红蓝绿三原色叠加可以产生RGB颜色域中各种各样的复合色，每个RGB分量具有0-255范围内的强度值。

为了规范数据结果可视化的颜色范围，本发明选取的基本颜色有以下9种：{0X000090，0X000FFF，0X0090FF，0X0FFFEE，0X90FF70，0XFFEE00，0XFF7000，0XEE0000，0X7F0000}，将它们的RGB分量分别命名为BaseR_i，BaseG_i，BaseB_i，其中i＝0,1,...,8；

步骤三：读取某个方位角上的特征线信息，取出这些特征线片段经历过的材料区域的编号，得到编号的最大值Max和最小值Min。定义数组TIC_i，i＝0,1,...,8，

数组TIC将材料编号划分为8个区间，所有特征线片段经历过的材料编号都能确定其所在的唯一区间，为方便理解不妨假设材料编号mat_i位于第I个区间[TIC_I，TIC_I+1]内，也即是TIC_I≤mat_i≤TIC_I+1，从而可以得到该材料编号的色标插值系数：

coef_i＝(TIC_I+1-mat_i)/(TIC_I+1-TIC_I)(2)

根据色标插值系数可以得到该材料编号mat_i对应的RGB色彩模型的各个分量强度(插值后取整数)：

R_i＝[(1-coef_i)BaseR_I+1+coef_iBaseR_I]

G_i＝[(1-coef_i)BaseG_I+1+coef_iBaseG_I]

B_i＝[(1-coef_i)BaseB_I+1+coef_iBaseB_I]

步骤四：由R_i、G_i、B_i可以得到相应的RGB值，按照步骤三中的方法将所有特征线片段均赋以所经过的材料区域编号对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术得到整个计算区域的材料布置图像。

判断图像中的材料布置是否符合要求，若符合则进入下一步，否则终止程序运行，修改输入卡参数，重复步骤一至四。

步骤五：以特征线片段经历的平源区编号为种子，利用随机数生成函数生成0-n以内的随机数，采用与步骤三同样的颜色映射方法求得每个随机数对应的RGB值，亦即是平源区编号对应的RGB值。

步骤六：为每条特征线片段赋以步骤五求得的平源区编号对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术得到整个计算区域的平源网格划分图像。判断图像中平源网格划分是否符合预期，若符合则进入下一步输运计算；否则，终止程序运行，修改输入卡参数，重复步骤一至六。

步骤七：输运计算模块执行完毕后，保存每个平源网格上各群中子通量密度和裂变反应率，对每个能群均采用与步骤三同样的颜色映射方法求得每个中子通量密度对应的RGB值。

由于存在大量非裂变材料，而非裂变材料中的裂变率必为0，因此在裂变材料和非裂变材料交界面上裂变反应率是不连续的。为了区分裂变材料和非裂变材料的裂变反应率，将非裂变材料上的“裂变率”对应的RGB值置为0X000090。遍历所有裂变材料平源网格的裂变反应率，得到最大值Max和最小值Min，定义数组TIC_i，i＝0,1,...,8，

对每个裂变材料平源网格采用与步骤三相同的色标插值方法得到裂变反应率对应的RGB值。

步骤八：为每条特征线片段分别赋以步骤七求得的所经历平源网格中子通量密度和裂变反应率对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术生成整个计算区域内各能群中子通量密度分布图像和裂变反应率分布图像。

本发明有益效果在于：

1.能够充分有效利用特征线追踪过程产生的致密的特征线片段信息，将这些特征线片段赋以对应的色彩RGB值，然后基于这些特征线填充即可实现数据的可视化；

2.采用特征线片段填充封闭区域的方法不受网格形状的限制，与其他常规数据处理软件相比能大大扩充数据可视化对象的范围；

3.在耗时的输运计算之前，为用户提供数据可视化工具，用户可以据此发现输入卡中的隐藏错误，并且能够帮助用户优化平源网格划分；

4.输运计算完成后，为用户提供各群中子通量密度和裂变反应率的分布云图，该图既可以用作输运计算后处理结果，也可以为用户判断输运计算是否正确提供帮助。

附图说明

图1为程序计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：

本发明提出了一种基于中子输运特征线理论的结果数据可视化方法，通过将特征线片段填充到相应的像素点上实现结果数据的可视化。本发明具体实施方式包括：建立计算区域几何模型并划分平源区，然后进行特征线追踪，根据得到的特征线片段信息，采用基于扫描线填充的像素可视化技术实现可视化，如附图1所示。下面结合流程图详细说明具体实施方式。该实施方法主要包含以下几个关键内容：

步骤一：进行平源网格划分和空间角度离散，进而产生特征线信息是应用特征线方法的预备工作，这一阶段的网格划分和角度离散的精细程度会直接影响到最终结果的精度。为了充分利用特征线方法的几何适应性，采用构建实体几何的方法(CSG)建立计算区域的几何模型，对带权重的曲线进行初等布尔运算后可以获得任意形状的几何实体，这些几何实体构成了封闭的材料区域。为了获得更高的计算精度，可以将这些几何实体作进一步的精细网格划分，形成更小的平源网格，这里不妨假设一共有N个平源网格，与网格相邻的的最大网格数量为n。然后根据用户输入的方位角个数和相邻特征线间隔计算需要的特征线总条数L和每条特征线的起始点，并初始化特征线，由起点出发跟踪特征线在计算区域内被平源网格切割情况，产生特征线在平源网格内的信息(特征线片段起始点startPt/endPt、网格编号i、材料编号mat)；

步骤二：选择可视化效果显著的颜色模型，本发明采用用户最为熟悉也是使用最多的RGB(Red、Green、Blue)颜色模型，红蓝绿三原色叠加可以产生RGB颜色域中各种各样的复合色，每个RGB分量具有0-255范围内的强度值。

为了规范数据结果可视化的颜色范围，本发明选取的基本颜色有以下9种：{0X000090，0X000FFF，0X0090FF，0X0FFFEE，0X90FF70，0XFFEE00，0XFF7000，0XEE0000，0X7F0000}，将它们的RGB分量分别命名为BaseR_i，BaseG_i，BaseB_i，其中i＝0,1,...,8，

BaseR＝[0X00 0X00 0X00 0X0F 0X90 0XFF 0XFF 0XEE 0X7F]

BaseG＝[0X00 0X0F 0X90 0XFF 0XFF 0XEE 0X70 0X00 0X00]

BaseB＝[0X90 0XFF 0XFF 0XEE 0X70 0X00 0X00 0X00 0X00]

步骤三：读取某个方位角上的特征线信息，取出这些特征线片段经历过的材料区域的编号，得到编号的最大值Max和最小值Min。定义数组TIC_i，i＝0,1,...,8，

数组TIC将材料编号划分为8个区间，所有特征线片段经历过的材料编号都能确定其所在的唯一区间，为方便理解不妨假设材料编号mat_i位于第I个区间[TIC_I，TIC_I+1]内，也即是TIC_I≤mat_i≤TIC_I+1，从而可以得到该材料编号的色标插值系数：

coef_i＝(TIC_I+1-mat_i)/(TIC_I+1-TIC_I)(2)

根据色标插值系数可以得到该材料编号mat_i对应的RGB色彩模型的各个分量强度(插值后取整数)：

R_i＝[(1-coef_i)BaseR_I+1+coef_iBaseR_I]

G_i＝[(1-coef_i)BaseG_I+1+coef_iBaseG_I]

B_i＝[(1-coef_i)BaseB_I+1+coef_iBaseB_I]

步骤四：由R_i、G_i、B_i可以得到相应的RGB值，按照步骤三中的方法将所有特征线片段均赋以所经过的材料区域编号对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术得到整个计算区域的材料布置图像。

判断图像中的材料布置是否符合要求，若符合则进入下一步，否则终止程序运行，修改输入卡参数，重复步骤一至四。

步骤五：以特征线片段经历的平源区编号为种子，利用随机数生成函数生成0-n以内的随机数，采用与步骤三同样的颜色映射方法求得每个随机数对应的RGB值，亦即是平源区编号对应的RGB值。

步骤六：为每条特征线片段赋以步骤五求得的平源区编号对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术得到整个计算区域的平源网格划分图像。判断图像中平源网格划分是否符合预期，若符合则进入下一步输运计算；否则，终止程序运行，修改输入卡参数，重复步骤一至六。

步骤七：输运计算模块执行完毕后，保存每个平源网格上各群中子通量密度和裂变反应率，对每个能群均采用与步骤三同样的颜色映射方法求得每个中子通量密度对应的RGB值。

由于存在大量非裂变材料，而非裂变材料中的裂变率必为0，因此在裂变材料和非裂变材料交界面上裂变反应率是不连续的。为了区分裂变材料和非裂变材料的裂变反应率，将非裂变材料上的“裂变率”对应的RGB值置为0X000090。遍历所有裂变材料平源网格的裂变反应率，得到最大值Max和最小值Min，定义数组TIC_i，i＝0,1,...,8，

对每个裂变材料平源网格采用与步骤三相同的色标插值方法得到裂变反应率对应的RGB值。

步骤八：为每条特征线片段分别赋以步骤七求得的所经历平源网格中子通量密度和裂变反应率对应的RGB值，采用扫描线填充的像素可视化技术生成整个计算区域内各能群中子通量密度分布图像和裂变反应率分布图像。