支持多级联动的虚拟森林场景数据组织与调度优化方法

论文摘要

近年来,迅速发展的虚拟现实和仿真技术为森林生态系统的深层次研究注入了新的活力。人们利用虚拟仿真技术动态模拟森林的生长、更新和死亡等过程。由于植物本身生理结构和生长过程非常复杂,因此整个森林场景数据非常庞大,导致在森林场景生长模型计算以及场景绘制过程中无法一次性将数据调度到内存中,需要进行频繁内外存数据调度,整个仿真过程非常耗时。同时,针对目前森林生态的研究依然着重于植物个体模型以及群落生长模型等单一时空粒度上的生长过程,因此当用户需要进行不同粒度之间的转化时,需要重新进行植物生长量的计算。因此,如何对内存中场景数据进行组织并采用合理的内外存调度策略,并根据森林中个体、种群、群落等不同结构层次上的植物生长过程存在的差异性及关联性,在计算机系统中建立与不同粒度森林场景相对应的场景数据存储结构、不同粒度森林场景数据之间的关联,以及如何在不同粒度场景之间进行转换时实现场景数据调度的研究是很有意义的。本文从支持森林场景多级联动的角度出发,对森林场景层次之间的关联与映射以及粒度之间信息转换时的数据调度进行了研究。研究内容主要包括以下几个方面：(1)本文对不同粒度场景之间相互转换进行了研究,分析了从大粒度场景到小粒度场景转换(粗粒度到细粒度、粗粒度到中粒度、中粒度到细粒度)和从小粒度场景到大粒度场景转换(细粒度到粗粒度、细粒度到中粒度、中粒度到粗粒度)时对场景数据的要求,并针对不同粒度场景转换的要求在外存中建立支持多粒度联动的外存数据存储结构。(2)分析了不同粒度场景植物生长模型的求解过程以及生长结果可视化的过程,对场景数据在内存中的存储结构进行设计,使用改进的内存池存储结构对内存中的场景数据进行组织,以减少森林场景模型计算过程的时间。(3)在大规模森林场景生长模型计算以及生长结果可视化时,本文采用了基于四叉树的内外存数据调度方法,以减少场景植物生长模型求解过程中数据内外存调度所消耗的时间。同时使用多线程技术对模型求解结果进行可视化,以保证场景可视化的流畅。(4)采用上述的内存数据组织方法以及内外存数据调度方法,设计实现了大规模森林场景仿真系统。通过与其它方法的时间对比,验证本文方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 论文研究目标与内容
• 1.3 技术路线和方法
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 国内外的研究现状
• 2.1 植物群落建模中多粒度研究
• 2.1.1 不同粒度场景仿真研究
• 2.1.2 不同粒度转化研究
• 2.2 数据调度算法的研究
• 2.2.1 数据预取技术
• 2.2.2 基于场景相关性的数据调度
• 2.2.3 基于数据精简的数据调度
• 2.3 本章小结
• 第三章 森林场景仿真系统架构
• 3.1 系统结构介绍
• 3.1.1 用户交互层
• 3.1.2 系统核心层
• 3.1.3 数据处理层
• 3.1.4 外存数据层
• 3.2 系统流程介绍
• 3.2.1 粗粒度全林分场景
• 3.2.2 中粒度林分场景
• 3.2.3 细粒度单木场景
• 3.2.4 不同粒度之间的转换
• 3.3 本章小结
• 第四章 支持多级联动的森林场景数据组织
• 4.1 场景数据的分割
• 4.2 场景信息数据与树木信息数据的外部存储
• 4.2.1 树木信息数据
• 4.2.2 场景信息数据
• 4.2.3 粒度转换信息数据
• 4.2.4 外存数据关联
• 4.3 场景数据的内存存储
• 4.3.1 场景信息数据在内存中的存储
• 4.3.2 树木信息数据在内存中的存储
• 4.4 本章小结
• 第五章 生长仿真计算的数据调度优化方法
• 5.1 场景生长模型求解数据调度
• 5.2 大规模场景的漫游
• 5.2.1 基于视点的调度算法
• 5.2.2 场景数据的并行调度
• 5.3 不同粒度转换时的调度
• 5.4 本章小结
• 第六章 原型系统实现
• 6.1 开发环境和工具
• 6.1.1 开发环境
• 6.1.2 开发工具
• 6.2 结果比较
• 6.3 系统实现
• 6.3.1 系统主界面
• 6.3.2 粗粒度场景仿真
• 6.3.3 中粒度场景仿真
• 6.3.4 细粒度场景仿真
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果