高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪加速模拟及应用研究 ——以半球成像方法及森林冠层PAR三维空间分布为例

论文摘要

光线跟踪是一种以物理光学原理为基础模拟现实世界中光线传播的计算机图形学基础算法,其不仅广泛用于游戏、电影动画等领域,还可广泛应用于农业、林业及生态等领域,但高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪模拟存在场景复杂度高、面片数巨大、模拟效率低等局限性和不足。因此,本文针对高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪模拟性能不高的现状,基于数据结构、并行技术开展了高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪加速模拟研究,具体研究内容如下：(1)基于高精细单树几何模型及虚拟森林环境构建原理建立具有不同林分密度、树木分布模式、场景大小及树木种类等特征的典型高逼真度虚拟森林环境库。(2)在分析总结光线跟踪算法及半球成像模拟方法基础上,以光线跟踪计算时间作为比较分析因子,对比分析了四种数据结构分割平面搜索方法(空间中分法、对象中分法、启发式排序法和启发式BIN分区法)的光线跟踪模拟性能,研究结果表明启发式排序法较其它三种方法性能最佳；此外,以场景节点遍历数、单树几何模型节点遍历数、单树几何模型遍历数、面片遍历数、平均计算时间作为比较分析因子,开展了传统方法、Kdtree、BVH、Octree不同组合的十种单树几何模型及虚拟森林场景数据结构组合方案的光线跟踪性能对比分析,研究发现两级Kdtree数据结构方案较其它9种数据结构方案性能更为优越。(3)采用光线跟踪算法及龟形算法开展了虚拟森林环境冠层PAR三维空间分布模拟研究,研究表明太阳直射PAR三维空间分布模拟精度受太阳直射光线投放密度及冠层基本组分三维空间分布影响,而冠层天空散射PAR三维空间分布模拟精度与上半球天穹划分精度关联紧密。(4)在GPU端基于CUDA技术开展了高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪并行加速模拟研究,有关半球成像方法及冠层PAR三维空间分布的加速模拟研究表明,基于CUDA的光线跟踪模拟性能较CPU端得到较大幅度地提升。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 虚拟森林环境
• 1.2.2 光线跟踪及加速模拟方法
• 1.2.3 光线跟踪模拟应用—以半球成像方法及冠层PAR三维空间分布为例
• 1.3 研究目标与内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 技术路线
• 1.5 论文章节安排
• 第二章 理论基础
• 2.1 高逼真度虚拟森林环境构建原理
• 2.1.1 单树几何模型建模原理
• 2.1.2 高逼真度虚拟森林场景构建原理
• 2.2 虚拟森林环境下半球成像方法模拟原理
• 2.3 虚拟森林环境下冠层PAR三维空间分布模拟方法
• 2.3.1 数学模型法
• 2.3.2 深度排序算法
• 2.3.3 辐射度算法
• 2.3.4 光线跟踪算法
• 2.3.5 龟形算法
• 2.4 高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪加速方法
• 2.4.1 数据结构
• 2.4.2 硬件加速方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于数据结构方法的高逼真度虚拟森林环境下半球成像方法加速模拟
• 3.1 大范围、高逼真度虚拟森林环境库构建
• 3.2 数据结构构建方法
• 3.2.1 Kdtree
• 3.2.2 BVH
• 3.2.3 Octree
• 3.3 数据结构遍历方法
• 3.3.1 光线与三角面片求交计算
• 3.3.2 光线与轴对齐包围盒求交计算
• 3.3.3 数据结构内部节点遍历方法
• 3.3.4 单树几何模型及虚拟森林场景两级数据结构遍历流程
• 3.4 模拟实现
• 3.4.1 数据结构构建
• 3.4.2 光线集合创建
• 3.4.3 半球成像方法模拟
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 分割平面搜索方法
• 3.5.2 数据结构
• 3.6 本章小结
• 第四章 高逼真度虚拟森林环境下冠层PAR三维空间分布模拟
• 4.1 高逼真度虚拟森林环境库构建
• 4.2 关键算法及技术
• 4.2.1 冠层太阳直射PAR三维空间分布模拟
• 4.2.2 冠层天空散射PAR三维空间分布模拟
• 4.3 模拟实现
• 4.3.1 冠层太阳直射PAR
• 4.3.2 冠层天空散射PAR
• 4.4 分析与讨论
• 4.4.1 冠层太阳直射PAR三维空间分布模拟
• 4.4.2 冠层天空散射PAR三维空间分布模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于CUDA方法的高逼真度虚拟森林环境下光线跟踪加速模拟及应用
• 5.1 高逼真度虚拟森林环境库构建
• 5.2 关键算法及技术
• 5.2.1 Kdtree线索化算法
• 5.2.2 数据类型重定义
• 5.2.3 数据转换及传输
• 5.2.4 线索化光线跟踪算法
• 5.3 模拟实现
• 5.3.1 半球成像方法并行模拟
• 5.3.2 森林冠层PAR三维空间分布并行模拟
• 5.4 分析及讨论
• 5.4.1 半球成像方法
• 5.4.2 森林冠层PAR三维空间分布
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历