球面空间网格的分布式并行技术研究与实现

论文摘要

近年来,随着分布式云计算、虚拟现实、计算机图形学、移动可视化的发展,利用航空和遥感实时获取地形高程数据,利用分布式并行计算实时生成高细节层次球面空间网格数据，在各种固定和移动终端浏览和查询整个球面空间网格的地理服务信息也变得越来越普遍。但是整个球面空间的地形和影像数据都是海量的,并且这些球面网格的剖分处理是极其复杂和耗时的过程,很难在普通的单机或者工作站上串行处理,而采用分布式并行计算来处理球面网格是一个很好的解决办法,特别是基于分布式云计算,将会是球面网格实时剖分处理的一个研究热点。本文在充分理解球面空间网格剖分的基础之上,研究并实现了球面网格的分布式并行处理方法和技术实现原理。本文所做的主要研究工作有以下三部分：首先研究球面网格基础引擎的设计方法和实现技术。具体做法是以地球经纬度四等分把球面初始剖分为四个最大的菱形地块Land,每个Land根据分辨率又等分成NxN个不同分辨率细节层次的网格瓦片Patches。每个Patch由两个等腰直角三角形组成,称之为二元三角树,作为绘制每一帧时剖分的基础。接下来介绍了球面空间网格的数学基础和地形高程数据的来源、生成和读取方法。球面网格的数据结构和数据组织,以及球面网格的剖分流程。重点介绍球面网格的动态生成和视域裁剪。第二部分介绍了并行计算的基本概念和原理,利用并行库进行球面空间网格并行剖分的实现方法,其中重点介绍了OpenMP和MPI的基本特征和进行并行程序开发的模式。进行分布式网络通信和数据封包和解包的过程。运用模块化和面向对象的方法,总体串行、核心计算部分并行的设计模式,把球面网格并行处理过程分成五个模块分别封装协调处理来完成的,最后介绍了整个过程的流执行程和代码实现,同时通过实验验证了这个理论可行性。最后介绍了分布式并行处理的原理和技术方法,重点介绍了Winsock的网络数据通讯程序的设计方法。Windows服务的设计方法以及Windows服务用于注册和启动参与并行的分布式剖分的服务节点。最后具体介绍了球面网格分布式并行剖分的技术架构和处理流程,并给出了具体的实验过程。相比OpenMP和MPI并行库,基于Winsock的分布式并行球面网格更加灵活和直观地展示球面网格的并行剖分过程,实验验证了球面网格的分布式并行的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状分析
• 1.2.1 平面数据模型的分析研究
• 1.2.2 球面空间数据模型分析研究
• 1.2.3 并行处理技术分析研究
• 1.3 本文的研究目标和方法
• 1.4 本文的研究内容及章节安排
• 第2章 球面空间网格基础引擎的实现方法和技术研究
• 2.1 球面空间网格的数学基础
• 2.1.1 地图投影的基础理论
• 2.1.2 球面空间网格的地图投影
• 2.2 球面空间网格的数字高程模型[22,23]
• 2.2.1 球面空间网格的地形高程数据
• 2.2.2 球面空间网格的数据结构
• 2.3 球面空间网格的剖分流程分析研究
• 2.3.1 球面网格的地形起伏抽象描述
• 2.3.2 球面网格的分割与合并
• 2.4 球面空间网格引擎的视域裁剪
• 2.4.1 球面空间网格的包围盒计算
• 2.4.2 球面空间网格的视域裁剪实现方法
• 2.5 球面空间网格引擎的数据动态生成和调度
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于并行库的球面空间网格并行剖分研究
• 3.1 并行计算技术概述
• 3.1.1 并行计算机
• 3.1.2 并行计算机体系结构
• 3.2 OpenMP并行程序设计
• 3.3 基于OpenMP的球面空间网格并行处理
• 3.3.1 球面网格并行处理流程
• 3.3.2 实验结果和分析
• 3.4 MPI并行程序设计
• 3.5 基于MPI的球面空间网格并行处理[31,32]
• 3.5.1 球面网格的并行处理模块
• 3.5.2 球面网格的并行处理流程
• 3.5.3 实验结果和分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于WinSock的球面网格分布式并行剖分研究
• 4.1 分布式系统概述
• 4.1.1 分布式体系结构
• 4.1.2 分布式对象技术
• 4.1.3 分布式并行技术
• 4.2 WinSock网络数据通讯程序设计方法
• 4.2.1 服务器端Socket操作
• 4.2.2 客户端Socket的操作
• 4.2.3 MFC对Winsock的支持
• 4.3 并行节点监控服务的设计方法
• 4.4 球面网格的分布式并行剖分流程
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果