Transcript Geant4 Geometry 高度(?)な構造記述の方法

Geant4 Geometry
高度(?)な構造記述の方法
浅井
慎
（SLAC）
内容
Solid
BREP solid
Boolean solid
Physical volume
Parameterized volume
Replica
Assembly
Voxelisation
CAD interface
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
2
G4VSolid
G4VSolid
形状(形・大きさ)
G4VSolid は abstract class
継承する子供クラスを使う
G4VSolid
G4Box
G4Tubs
G4LogicalVolume
G4Material
G4VisAttributes
G4VSensitiveDetector
G4VPhysicalVolume
G4PVPlacement
G4PVParameterised
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
3
G4VSolid
Geant4が提供するSolid
CSG (Constructed Solid Geometry) solids
• G4Box, G4Tubs, G4Cons, G4Trd, …
Specific solids (CSG like)
• G4Polycone, G4Polyhedra, G4Hype, …
• 使い方はCSG、中の実装はBREP
BREP (Boundary REPresented) solids
• G4BREPSolidPolycone, G4BSplineSurface, …
• Any order surface
Boolean solids
• G4UnionSolid, G4SubtractionSolid, …
STEP interface
• BREP solid models を CAD file から読み込む
• STEP compliant solid modeler
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
4
G4Polycone
G4Polycone( const G4String& name,
G4double phiStart,
G4double phiTotal,
G4int numZPlanes,
const G4double zPlane[],
const G4double rInner[],
const G4double rOuter[] );
name
Solidの名前
phiStart, phiTotal
始めの角度とカバーする角度
numZPlanes
Z軸方向の面の数
図の例の場合は４
zPlane
Z軸上の面の位置
中心がZ=0
rInner, rOuter
内径と外径
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
5
G4Polyhedra
G4Polyhedra( const G4String& name,
G4double phiStart,
G4double phiTotal,
G4int numSide,
G4int numZPlanes,
const G4double zPlane[],
const G4double rInner[],
const G4double rOuter[] );
name
Solidの名前
phiStart, phiTotal
始めの角度とカバーする角度
numSide
側面の数
numZPlanes
Z軸方向の面の数
図の例の場合は４
zPlane
Z軸上の面の位置
中心がZ=0
rInner, rOuter
内径と外径
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
6
BREP solid
BREP = Boundary REPresented Solid
Solidを構成する全ての面を与える
例えば立方体の場合は６つの平面
BREPを構成する面
平面、２次曲面、高次の曲面
Splines, B-Splines,
• NURBS (Non-Uniform B-Splines)
幾つかの簡単なBREPタイプは提供されている
box, cons, tubs, sphere, torus, polycone, polyhedra
CAD fileで用いられるsolidは全てBREP
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
7
Boolean solid
２個のsolidのboolean operationで新しい形を作る
G4UnionSolid, G4IntersectionSolid, G4SubtractionSolid
１個目のsolidに対する２個目のsolidの相対位置を与える
Boolean operationの結果もsolidなので、繰り返してoperationできる
Tracking時には、boolean solidの全ての構成要素のprimitive solidに対
して境界面までの距離の計算やtrackの位置がsolidに含まれるかの判定
が行なわれるので、あまり多くのprimitive solidを組み合わせると遅く
なる
G4UnionSolid
G4IntersectionSolid
G4SubtractionSolid
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
8
G4VPhysicalVolume
G4VPhysicalVolume
G4LogicalVolume と、場所・回転
G4VPhysicalVolume は abstract class
継承する子供クラスを使う
G4VSolid
G4Box
G4Tubs
G4LogicalVolume
G4Material
G4VisAttributes
G4VSensitiveDetector
G4VPhysicalVolume
G4PVPlacement
G4PVParameterised
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
9
G4VPhysicalVolume
G4PVPlacement
1 Placement = One Volume
Logical volumeを１個置く
G4PVParameterized
1 Parameterized = Many Volumes
１つのphysical volumeが複数個のvolumeを表す
CopyNoに応じて形状・大きさ・位置・回転角・材質・色・
sensitivity等を変えられる
全てが同じ形状・大きさでない限りparameterised volumeは子供
volumeを持ってはならない
G4PVReplica
1 Replica = Many Volumes
１つのphysical volumeが複数個のvolumeを表す
同じ形状・大きさのvolumeが親volume内に隙間なくならぶ
• 例外：tube,cone等のR方向
メモリの節約
親volumeはplacement volumeとrepeated volumeのどちらか一方のみを
持つ
Repeated volumeはCSG solidのみ
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
10
G4PVParameterised
G4PVParameterised(const G4String& pName,
G4LogicalVolume* pLogical,
G4LogicalVolume* pMotherLogical,
const EAxis pAxis,
const G4int nReplicas,
G4VPVParameterisation *pParam);
pName
Physical volume名
pLogical
子供のlogical volume
形状・材質等のデフォルトと
して使われる
pMotherLogical
親のlogical volume
親のphysical volumeを取る別
のコンストラクタもある
pAxis
子供が最も多く並ぶ方向の軸
を指定
kXAxis,kYAxis,kZAxis
nReplicas
子供の個数
子供のCopyNoは０～n-1
このCopyNoでパラメタライ
ズ
pParam
G4VPVParameterisation
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
11
G4VPVParameterisation
class G4VPVParameterisation
{
public:
virtual void ComputeTransformation
(const G4int,
G4VPhysicalVolume *) const = 0;
virtual G4VSolid* ComputeSolid
(const G4int, G4VPhysicalVolume *);
virtual G4Material* ComputeMaterial
(const G4int, G4VPhysicalVolume *);
virtual void ComputeDimensions
(G4Box &, const G4int,
const G4VPhysicalVolume *) const {}
virtual void ComputeDimensions
(G4Tubs &, const G4int,
const G4VPhysicalVolume *) const {}
ComputeTransformation
CopyNoに応じてphysical volumeに位置
やrotation matrixをセットする
physVol->SetTranslation
(G4ThreeVector(x,y,z));
physVol->SetRotation(pRotM);
• Material, sensitivity, 色等のlogical
volume のattributeを変更できる
physVol->GetLogicalVolume()->Set…()
ComputeSolid
CopyNoに応じてsolidを返す
ComputeMaterial
CopyNoに応じてmaterialを返す
ComputeDimensions
形状をparameteriseせずに大きさだけを
parameteriseする場合に用いる
対応する形状のオブジェクトが渡される
ので、CopyNoに応じて直接サイズをセッ
トする
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
12
G4VPVParameterisationの注意事項
Rotation matrix, solid等のポインタを渡す場合には、オブジェクトはコ
ピーされない。これらのポインタは関数を抜けた後Navigatorに適宜使
われるので、local scopeのオブジェクトのポインタを渡したり、渡した
後オブジェクトを消したりしてはならない。
このクラスの関数は各ステップ毎に呼ばれるので、関数中でsin, cos等
の重い計算やファイルアクセスをすると、performanceが極端に悪くな
る。
これらのトラブルを避けるために、重い計算やファイルアクセス、オブ
ジェクトの生成等はコンストラクタで行なうべき。
コンパイル時にComputeDimensions関数に関してbase class virtual関数
を隠すといったwarning messageが出る場合があるが、無視してよい。
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
13
G4PVReplica
1次元に隙間なく並んだ子供を１個のG4PVReplicaで与える
勝手に親volumeをスライスしてくれる訳ではないので、事前に子供の
solidとlogical volumeを作っておく
勝手にparameterise関数を用意してくれると理解すればよい
G4PVReplica(
const G4String& pName,
G4LogicalVolume* pLogical,
G4LogicalVolume* pMother,
const EAxis pAxis,
const G4int nReplicas,
const G4double width,
const G4double offset=0 );
pName
Physical volume名
pLogical
子供のlogical volume
pMotherLogical
親のlogical volume
親のphysical volumeを取る別のコンスト
ラクタもある
nReplicas
子供の個数
子供のCopyNoは０～n-1
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
14
G4PVReplica – pAxis, width, offset
pAxisが直交座標系の場合
kXAxis, kYAxis, kZAxis
const G4String& pName,
ｎ番目の子供は指定した座標軸の
G4LogicalVolume* pLogical,
-width*(nReplicas-1)*0.5+n*width
G4LogicalVolume* pMother,
を中心とする
const EAxis pAxis,
Offsetは指定しない
const G4int nReplicas,
pAxisが半径方向の場合
const G4double width,
kRho
const G4double offset=0 );
ｎ番目の子供はwidth*n+offsetから
width
width*(n+1)+offsetの範囲を占める
•
pAxisがphi方向の場合
•
kPhi
offset
•
ｎ番目の子供はwidth*n+offsetから
width
width*(n+1)+offsetの範囲を占める
G4PVReplica(
offset
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
15
G4AssemblyVolume
入り組んだgeometryの場合に、
いくつかのvolumeをグループに
して、まとめて置いていく
G4AssemblyVolumeを親に対して配置する
G4AssemblyVolume自体はphysical volumeではない
グループ単位でlogical volumeを用意してもそのlogical volumeが重なっ
てしまう場合に用いると便利
実際には個々のvolumeのplacementとして実現されるので、メモリ上か
らはメリットは無い
大規模はgeometryの場合にはparameterised volumeを使うべき
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
16
G4AssemblyVolume
class G4AssemblyVolume
{
public:
G4AssemblyVolume();
void AddPlacedVolume
( G4LogicalVolume* pPlacedVolume,
G4Transform3D& transformation);
void MakeImprint
( G4LogicalVolume* pMotherLV,
G4Transform3D& transformation);
};
G4AssemblyVolume
コンストラクタ
AddPlacedVolume
G4AssemblyVolumeを親volume
に見立てて、それに対して要素
のlogical volumeを置く
MakeImprint
G4AssemblyVolumeを子供の
logical volumeに見立てて、それ
を実際の親に配置
物体を回す(G4Transform3D)の代わ
りにtransform G4ThreeVectorと
rotation matrixを渡して軸を回して
定義する関数もある
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
17
Voxelisation
Run開始時にnavigationを最適化するために“smart voxel”を作る
これにより、trackingはユーザーのジオメトリの定義の仕方に依らず
に最適化される
• Binary search
• とりあえず１つの軸方向にvoxelを作る
• 隣り合ったvoxelが同じvolumeしか持たない場合にはmergeされ
る
• 必要に応じて２つめ、３つめの軸に対してvoxeliseする
個々のlogical volumeについてvoxelisationを行なう
• Voxelisationに要する時間はユーザーのジオメトリの定義の仕方
に依存する
• できるだけ階層化された定義をする方が速い
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
18
CAD interface
CAD file (STEP AP203 compliant)はsolidの形状と位置を定義している
材質やsensitivityの情報は持っていないので、DetectorConstruction
で補う必要がある
個々のsolidが１個づつ位置を持っている
全てplacement volumeになる
できるだけdetector component毎にCAD fileを用意して、別々の親
volumeに入れる
G4PlacedSolid
１個のSTEP solidに対応するGeant4 solidと位置
G4Assembly
G4PlacedSolidを作る
G4AssemblyCreator
STEP fileを読んでG4AssemblyがG4PlacedSolidを作るための情報を
用意する
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
19
CAD interface
G4AssemblyCreator MyAC("tracker.stp");
MyAC.ReadStepFile();
STEPentity* ent=0;
MyAC.CreateG4Geometry(*ent);
void *pl = MyAC.GetCreatedObject();
G4Assembly* assembly = new G4Assembly();
assembly->SetPlacedVector(*(G4PlacedVector*)pl);
G4int solids = assembly->GetNumberOfSolids();
for(G4int c=0; c<solids; c++)
{
G4PlacedSolid* ps = assembly->GetPlacedSolid(c);
G4LogicalVolume* lv =
new G4LogicalVolume(ps->GetSolid(), Lead, "STEPlog");
G4RotationMatrix* hr = ps->GetRotation();
G4ThreeVector* tr = ps->GetTranslation();
G4VPhysicalVolume* pv =
new G4PVPlacement(hr, *tr, ps->GetSolid()->GetName(),
lv, experimentalHall_phys, false, c);
}
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)
20