核辐射安全仿真实时交互渲染方法

程 翔，石志勇，何 桃，龙鹏程，张 澍，江 平，葛 鹏

(1.合肥工业大学，安徽合肥230009；2.中国科学院核能安全技术研究所，中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥230031；3. 火箭军装备研究院，北京100094)

核辐射安全仿真实时交互渲染方法

程 翔1,2，石志勇3，何 桃2，龙鹏程2，张 澍2，江 平1，葛 鹏2

(1.合肥工业大学，安徽合肥230009；2.中国科学院核能安全技术研究所，中国科学院中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥230031；3. 火箭军装备研究院，北京100094)

因核辐射安全仿真场景具有结构复杂和多角度交互式漫游等特点，导致仿真过程中难以实现实时交互渲染。本文提出了一种针对核辐射安全仿真实时交互渲染方法，通过仿真场景数据自动分割、仿真场景面片级视锥体裁剪、基于图像空间的跟踪地图等技术，从多个方面研究提高实时交互渲染效率的途径。以国际热核聚变实验堆ITER极向场线圈PF4维修过程仿真为例对本文方法进行了测试，测试结果表明该方法能有效提高复杂场景渲染效率，满足实时交互渲染。

虚拟现实；辐射剂量仿真；实时交互渲染；八叉树

当前，随着核能的迅猛发展，核辐射环境下核设施维修、退役等作业实践也越来越频繁。基于安全性、经济性、合理性的考虑，作业实践方案的预先模拟仿真，能有效提高作业的效率以及降低工作人员的辐射照射剂量。

基于虚拟现实技术[1]构建的核辐射安全仿真，因具备多感知性、交互性、沉浸感和自主性等特点，被广泛应用于核辐射环境下涉核作业方案的制订与优化、人员操作培训等环节。核辐射安全仿真场景具有如下特点：首先，场景中几何模型结构复杂，且要实时可视化辐射场数据，导致场景需要实时渲染的数据规模巨大；其次，在人员交互漫游过程中，存在第三视角的跟踪和仿真场景全局的位置跟踪，导致数据重复渲染。上述特点会导致在复杂核辐射安全仿真场景中，存在渲染帧数过低而无法实现实时交互等问题。研究如何提高核辐射仿真场景的实时交互渲染效率，已成为各类核辐射安全仿真系统的重要研究问题。比利时SCK·CEN发展的三维ALARA计划工具软件VISIPLAN[2]，法国CEA发展的针对核设施退役辐射评估的ALARA研究软件工具NARVEOS，韩国KAERJ研发的退役数字模拟器系统DMU[3](Digital Mock-up)等，都在核辐射安全仿真的实时交互渲染上做了大量工作，但是多数仅支持简单的仿真场景，如通过基本几何体组成的模型、静态辐射场、质点人体模型等。

通过深入调研国内外研究现状，本文提出了一种针对复杂核辐射安全仿真场景的实时交互渲染方法，该方法首先通过对仿真场景数据进行八叉树分割预处理，大大提高场景管理的效率；其次通过面片级的视椎体裁剪技术，减少了仿真过程中场景的渲染量；最后采用基于图像空间的跟踪地图方法，避免了多角度人员漫游位置跟踪带来的重复渲染。以国际热核聚变实验堆ITER[4]极向场线圈PF4维修过程剂量仿真评估为例对本文提出方法进行了测试与验证，测试结果表明该方法能有效提高复杂核辐射安全仿真场景渲染效率，满足实时交互的要求。

1 开发平台

本文工作基于核与辐射安全仿真系统SuperMC/VisualDose[5-16]开展。SuperMC/VisualDose是FDS团队[17]基于“数字反应堆”和“辐射虚拟人”两类技术，自主研发的大型通用核与辐射安全仿真系统，能为核设施建造、运行、维修、退役等过程，提供设计优化、操作培训、应急评估、科普教育等集成仿真解决方案，提升反应堆的安全性能。

SuperMC/VisualDose采用OGRE作为图形图像渲染引擎，VTK作为可视化算法支撑库，QT作为图形界面开发包，在Visual Studio系统上进行开发。

2 基于八叉树的仿真场景空间划分

图1 八叉树结构图

本文选用八叉树的数据表示方法对仿真场景进行空间划分。八叉树结构图，如图1所示。通过OGRE的顶点缓存获取每个mesh的所有顶点的空间位置、法线信息以及拓扑关系，将获取的顶点信息重组成三角面片，添加到三角面片列表。遍历三角面片列表，按照三角面片的位置放入对应八叉树节点中(只有叶节点中保存三角面片的信息)。基于分割后的模型数据做可见性判断，可以有效地提升效率。

对于三角面片与八叉树节点的位置关系，分为如下三种情况处理：

(1) 三个顶点都在八叉树节点中。如果该节点是叶节点，则将三角面片加入到该节点中,如果不是，则比较该三角面片与其子节点的关系。

(2) 三个顶点都不在八叉树节点中。比较该三角面片与其下一个兄弟节点的关系。

(3) 一个或者两个顶点在八叉树节点中。对三角面片与八叉树节点求交，对被分割后的三角面片重新三角化，判断新的三角形与八叉树节点的位置关系。

当所有的三角面片都放入叶节点时，需要对每个叶节点中的三角面片数据建立合适的可渲染对象,本文继承OGRE中的simplerenderable类作为可渲染对象。仿真场景数据分割流程图，如图2所示。

图2 仿真场景空间划分流程图

3 实时交互渲染方法

3.1 基于视锥体裁剪技术的交互漫游

针对核辐射安全仿真场景的特点，本文选择的剔除方法是基于八叉树的面片级视锥体裁剪技术，针对场景模型的多边形面片进行裁剪。通过使用八叉树节点的包围盒与视锥体做可见性判断，包围盒只要跟视椎体有交集都视为在视椎体内，具体步骤如下：

1) 八叉树节点不在视锥体内

如果此节点为叶节点，则将该节点绑定的实体设为不可见。如果此节点不是叶节点，则获取该节点下的所有叶节点，然后将节点下的所有叶节点设为不可见。

2) 八叉树节点在视锥体内

如果此节点为叶节点，则将此节点绑定的实体设为可见。如果此节点不是叶节点，则先判断该节点是否完全包含于视锥体，是的话，找到其所有的叶节点，并将所有的叶节点设为可见，否则遍历其子节点的可见性。

3.2 基于图像空间的跟踪地图

在漫游仿真过程中，为了预知行走路径上辐射剂量的分布，避开辐射剂量过大的区域，需要有叠加辐射场的跟踪地图。

本文利用VTK可视化工具包完成跟踪地图的数据获取，再在OGRE中实现叠加辐射场的跟踪地图的绘制。首先需要对模型进行切割，VTK中通过VTKPlane的SetOrigin和SetNormal函数确定切割平面，其中前者确定切割面的切入点，后者确定切割面的法线方向。使用设定好的平面作为VTKCutter的切割参数，对模型进行切割。然后从VTKPolyData中提取切割后轮廓数据的顶点位置和顶点的空间拓扑关系，在OGRE中实现轮廓的重建。为了给切割的轮廓面附上辐射场的纹理值，需要在切面的位置上画一个平面，再将平面附上辐射场的纹理，达到辐射场分布和场景分布的叠加可视效果。在人员进行漫游的过程中，通过实时更新漫游人员在场景图中的标识位置来实现仿真场景全局的位置跟踪。

4 测试与结果分析

为了验证本文方法的有效性和正确性，以国际热核聚变实验堆ITER极向场线圈PF4双绞线连接接头断开检修[18]过程中人员维修剂量仿真评估为例对本文方法进行了测试。

根据ITER设计需求，假设ITER根据SA2方案运行，停堆冷却7天后，需要2位工作人员从低温室顶盖进入低温室检修PF4线圈双绞线接头。场景模型采用ITER大厅和托卡马克模型，整个场景包含约420万个三角面片，如图3所示为基于3DMAX创建的仿真场景模型。辐射剂量场分布采用ITER国际组织提供的停堆光子通量场结果数据[19]。

图3 ITER大厅和托卡马克模型

在装配有Intel Core i5-2400 3.10GHz的CPU、4GB内存、NVIDIA GeForce GT420显卡、Windows 7 64位操作系统的PC机上，对本文方法进行了测试。本文方法实现了面片级别的视椎体裁剪技术，图4显示的是漫游人员在场景原点沿着水平方向的视椎体裁剪示意图，原模型在经过视椎体裁剪后，需要显示的三角面片仅有72万，降低为原始的17%。

图4 基于八叉树的视椎体剔除方法在 托卡马克模型中的应用效果 (a) 当前视角;(b) 裁剪后模型

图5是漫游人员执行PF4维修的仿真过程，主视图是仿真人员的第三视角位置跟踪，右侧分别为工人累计剂量曲线图和器官当量剂量图，左下角为基于图像空间的跟踪地图。图中红、黄、绿、蓝区域的辐射强度依次降低，仿真场景任意平面的漫游位置实时跟踪图中白色的线框为场景分布的轮廓线，黑色矩形标记的是漫游人员的位置。

图5 ITER PF4维修仿真情景

在PF4线圈的检修任务仿真过程中，采用面片级的视椎体裁剪技术后，仿真画面刷新帧速率得到明显提高。但是并不是八叉树分割的级数越多帧率越高，如表1所示，第0级为没有经过八叉树分割的渲染帧率，帧速率小于24FPS，无法实现实时交互渲染。对该模型进行多级分割实验，模型在前三级的分割后通过视椎体裁剪帧率得到有效提升，到了第3级已经很好的达到了实时交互渲染的效果。但是当经过5级分割后，由于需要搜索可见节点开销的增大和模型三角面片数的增加，帧率出现了很大的反差。

表1 模型多级分割时的交互漫游帧速率Table 1 Interactive roaming frame rate for model multilevel segmentation

5 结束语

本文发展了一种结合基于八叉树的仿真场景空间划分、基于视锥体裁剪技术的交互漫游与基于图像空间的跟踪地图等技术的核辐射安全仿真实时交互渲染方法。国际热核聚变实验堆ITER极向场线圈PF4维修过程仿真的测试例题表明，该方法能有效提高复杂场景渲染效率，满足实时交互渲染。

此外，基于八叉树的视椎体裁剪技术更适用于面片密度均匀的场景，对于不均匀场景的实时交互渲染需要进一步研究。

致谢：本工作得到中科院核能安全技术研究所. FDS团队其他员的大力帮助和支持，在此深表感谢！

[1] Lawrenee J，Roseblum. Research issues in scientific visualization [J]. IEEE Computer Graphics and Applications. 1998，14(2)：61-85.

[2] Vermeersch，F. ALARA pre-job studies using the VISIPLAN 3D ALARA planning tool [J]. Radiation Protection Dosimetry，2005，115(1-4)：294-297.

[3] Sung-Kyun Kim，Hee-Sung. Development of a digital mock-up system for selecting a decommissioning scenario [J]. Annals of Nuclear Energy，2006,7：1227-1235.

[4] http://www.iter.org.

[5] 罗月童，龙鹏程，薛晔，等. 面向中子学分析的集成可视化系统SVIP的发展研究 [J]. 核科学与工程，2007，27(4)：374-378.

[6] Pengcheng L，Qin Z，Tao H，et al. Development of a Geometry-Coupled Visual Analysis System for MCNP [J]. Progress in Nuclear Science and Technology，2011，2：280-283.

[7] 龙鹏程，罗月童，邹俊，等. 基于可编程图形处理器的可视化技术在中子学分析中的应用研究 [J]. 核电子学与探测技术，2010，30(8)：1042-1045.

[8] Li Y，Lu L，A. Ding，et al. Benchmarking of MCAM4.0 with the ITER 3D Model[J]. Fusion Engineering and Design，2007，82：2861-2866.

[9] Yican W，Xie ZS，Fischer U. A discrete ordinates nodal method for one-dimensional neutron transport calculation in curvilinear geometries. NUCLEAR SCIENCE AND ENGINEERING，1999，133 (3)：350-357.

[10] S Zheng，M Chen，J Li，et al. Neutronics Analysis for the Test Blanket Modules Proposed for EAST and ITER，Nuclear Fusion，2007，47：1053-1056.

[11] Yican W. Progress in Fusion-driven Hybrid System Studies in China. Fusion Engineering and Design，2002，63-64：73-80.

[12] Yican W，X.X Zhu，S.L Zheng，et al. Neutronics Analysis of Dual-cooled Waste Transmutation Blanket for the FDS. Fusion Engineering and Design，2002，63-64：133-138.

[13] Yican W，the FDS Team. Design Analysis of the China Dual-functional Lithium Lead (DFLL) Test Blanket Module in ITER. Fusion Engineering and Design，2007，82：1893-1903.

[14] Yican W and the FDS Team. Conceptual Design and Testing Strategy of a Dual Functional Lithium-Lead Test Blanket Module in ITER and EAST. Nuclear Fusion，2007，47(11)：1533-1539.

[15] Yican W. CAD-based interface programs for fusion neutron transport simulation[J]. Fusion Engineering and Design，2009，84(7-11)：1987-1992.

[16] Wu Y.，et al. CAD-Based Monte Carlo Program for Integrated Simulation of Nuclear System SuperMC[J]. Annals of Nuclear Energy，2015，82:162-168.

[17] http://www.fds.org.cn.

[18] M.J. Loughlin and N.P. Taylor. ITER IDM Document，ITER_D_3ZR2NC[R]. 2011.

[19] Youssef，M. Z，and R. E. Feder. Global dose rate assessment in ITER diagnostics ports based on the 3-D FEM ATTILA code [J]. Fusion Engineering and Design，87(7-8)(2012)：1101-1110.

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

本论文工作得到国家自然科学基金(91026004，11305205)，中国科学院知识创新工程重要方向项目(095CF2R211、KJCX2-YW-N35)等项目资助。

程 翔(1989—)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事数字仿真与可视化研究工作

葛 鹏：peng.ge@fds.org.cn

TP391.9

A

0258-0918(2016)05-0651-05