太湖蓝藻爆发过程的研究与仿真

论文摘要

蓝藻是一种古老、原始的藻类植物,分布广泛,几乎遍布全世界。蓝藻爆发的一个视觉特征是整个水体中有大量藻类颗粒聚集,并在聚集过程中颗粒逐步增大。蓝藻爆发时,蓝藻释放出的毒素和异味直接破坏生态平衡,危害人类的生活与健康。因此,对蓝藻爆发进行研究具有十分重要的意义。随着科技的进步,集成电路、无线通信、嵌入式及微型传感器技术取得飞速发展,使得大量低成本、低功耗、多功能的微型传感器组成无线传感器网络成为可能。本文是苏州某管理部门开发的“虚拟太湖流域”项目中的一个子课题,基于无线传感网络和粒子系统理论,给出了一种太湖蓝藻爆发仿真的方法。基本思想是通过分析蓝藻爆发的过程,找出影响爆发的主导因子,并利用无线传感网络设计一套水体温度和透明度在线测量系统,此系统能够实时提供部分主导因子的数据,使用GPRS实现数据传输;通过分析粒子生长的客观规律和粒子在水中受力情况,建立控制蓝藻粒子生长运动的数学模型。由于蓝藻生长运动的复杂性,随意性,加之蓝藻微粒数量巨大,本文采用CPU和GPU相结合的方式对蓝藻粒子进行模拟,充分发挥GPU编程的高效性与并行处理能力。实践证明这是一种行之有效的方法。本文为实现逼真模拟而构建了其他场景,基于Catmull-Rom算法模拟了太湖湖底,用旋转的天空穹模拟蓝天,通过纹理坐标扰动方法实现湖面的折射,基于光的反射机制实现天空穹在湖面的倒影。通过湖底、湖面、天空场景的合成,实现了蓝藻粒子爆发的实时模拟,得到了较好的模拟效果,满足了实际课题的要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题目标及意义
• 1.3 初步认识蓝藻
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 主要工作
• 1.5 论文结构
• 第二章 相关理论基础
• 2.1 计算机图形学
• 2.2 虚拟现实技术
• 2.3 OpengGL 图形库
• 2.3.1 OpenGL 简介
• 2.3.2 OpenGL 体系结构
• 2.4 粒子系统
• 2.4.1 粒子系统基本思想
• 2.4.2 粒子系统研究现状
• 2.4.3 通用粒子系统绘制过程
• 2.5 显示列表
• 2.6 层次细节（LOD）
• 2.7 本章小结
• 第三章 实时数据采集与基于GPU 的粒子系统实现
• 3.1 水体温度、透明度在线测量系统
• 3.1.1 MCF52223 芯片
• 3.1.2 ADT7301 芯片
• 3.1.3 GTM900 模块
• 3.1.4 水体透明度测量传感器
• 3.2 GPU 流水线结构与Cg 语言
• 3.2.1 GPU 的图形流水线结构
• 3.2.2 Cg Shader 语言
• 3.2.3 基于GPU 的数据结构
• 3.3 基于GPU 的粒子系统实现
• 3.3.1 流程框架
• 3.3.2 粒子属性存储
• 3.3.3 粒子属性更新
• 3.3.4 粒子消亡
• 3.3.5 粒子实时绘制
• 3.4 本章小结
• 第四章 粒子系统的蓝藻模拟
• 4.1 粒子数学模型
• 4.1.1 正态分布
• 4.1.2 粒子总生物量模型
• 4.1.3 生长速度模型
• 4.1.4 运动模型
• 4.2 蓝藻粒子属性
• 4.2.1 粒子属性定义
• 4.2.2 粒子属性分析
• 4.2.3 粒子属性初始化
• 4.3 蓝藻粒子消亡
• 4.4 蓝藻粒子渲染
• 4.4.1 Alpha 混合处理算法
• 4.4.2 绘制过程
• 4.5 本章小结
• 第五章 场景构建与系统的实现
• 5.1 场景的构建
• 5.1.1 湖底模拟
• 5.1.2 半弧形天空顶
• 5.1.3 湖面模拟
• 5.1.4 Font 类
• 5.1.5 Camera 类
• 5.2 蓝藻模拟效果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表论文
• 致谢