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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. G4VSolid. G4VSolid. G4LogicalVolume. G4VPhysicalVolume. G4Material. G4Box. G4VisAttributes. G4PVPlacement.

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Presentation Transcript

  1. Geant4 Geometry高度(?)な構造記述の方法 浅井　慎　（SLAC）

  2. 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)

  3. G4VSolid G4VSolid G4LogicalVolume G4VPhysicalVolume G4Material G4Box G4VisAttributes G4PVPlacement G4VSensitiveDetector G4Tubs G4PVParameterised • G4VSolid • 形状(形・大きさ) • G4VSolid は abstract class • 継承する子供クラスを使う Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  4. 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)

  5. 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)

  6. 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)

  7. 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)

  8. 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 G4SubtractionSolid G4UnionSolid G4IntersectionSolid Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  9. G4VPhysicalVolume G4VSolid G4LogicalVolume G4VPhysicalVolume G4Material G4Box G4VisAttributes G4PVPlacement G4VSensitiveDetector G4Tubs G4PVParameterised • G4VPhysicalVolume • G4LogicalVolume と、場所・回転 • G4VPhysicalVolume は abstract class • 継承する子供クラスを使う Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  10. 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)

  11. G4PVParameterised • 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 G4PVParameterised(const G4String& pName, G4LogicalVolume* pLogical, G4LogicalVolume* pMotherLogical, const EAxis pAxis, const G4int nReplicas, G4VPVParameterisation *pParam); • 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)

  12. 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)

  13. 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)

  14. 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 • 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 G4PVReplica( const G4String& pName, G4LogicalVolume* pLogical, G4LogicalVolume* pMother, const EAxis pAxis, const G4int nReplicas, const G4double width, const G4double offset=0 ); Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  15. G4PVReplica – pAxis, width, offset • pAxisが直交座標系の場合 • kXAxis, kYAxis, kZAxis • ｎ番目の子供は指定した座標軸の • -width*(nReplicas-1)*0.5+n*width • 　を中心とする • Offsetは指定しない • pAxisが半径方向の場合 • kRho • ｎ番目の子供はwidth*n+offsetから • width*(n+1)+offsetの範囲を占める • pAxisがphi方向の場合 • kPhi • ｎ番目の子供はwidth*n+offsetから • width*(n+1)+offsetの範囲を占める G4PVReplica( const G4String& pName, G4LogicalVolume* pLogical, G4LogicalVolume* pMother, const EAxis pAxis, const G4int nReplicas, const G4double width, const G4double offset=0 ); width offset width offset Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  16. 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)

  17. G4AssemblyVolume • 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 class G4AssemblyVolume { public: G4AssemblyVolume(); void AddPlacedVolume ( G4LogicalVolume* pPlacedVolume, G4Transform3D& transformation); void MakeImprint ( G4LogicalVolume* pMotherLV, G4Transform3D& transformation); }; Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

  18. 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)

  19. 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)

  20. 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)

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