水稻群体生长实时绘制与快速碰撞检测技术研究

摘要

虚拟作物生长可视化仿真是农业科学与计算机科学的结合，由于虚拟作物仿真能够有效的缩短作物的生育周期，因此在农业科研和农业教学方面有极大的促进作用，而现实世界中作物以群体规模进行种植管理，因此实现大规模虚拟作物的可视化仿真具有重要的现实意义。虚拟作物生长可视化仿真经过多年的发展已取得很多研究成果，但是仍然存在以下两个问题:1）已有研究大多数以作物器官或个体为对象，当以作物群体为研究对象时，由于植株数目较多，且作物生长时的每个状态形态皆不同，因此需要耗费的计算机资源增加，导致绘制效率低，不能满足要求;2）在对虚拟作物器官进行碰撞检测的研究中，已有研究多集中于静态作物的碰撞检测，当作物群体规模增加且需要对动态生长过程进行碰撞检测时，检测效率较低，不满足要求。因此解决上述问题能够有效的促进虚拟作物仿真的发展，进而促进虚拟农业的发展，针对以上问题，本文主要贡献包括: (1)针对作物仿真效率低的问题，设计了一种多种实时绘制技术相融合的绘制方法 在大规模水稻群体的生长可视化仿真时，由于模型结构复杂导致仿真耗时较多，为了实现大规模水稻群体生长过程的实时绘制，本文结合水稻的形态结构模型提出了一种基于多种实时绘制技术相融合的绘制方法，该方法融合了模型简化技术、视域裁剪技术、显示列表技术、细节层次技术等多种优化绘制技术，主要思路如下:改进了水稻叶片绘制时的数据获取方式，减少了叶片数据的计算耗时;在此基础上应用模型简化技术对水稻叶片和稻穗进行简化，形成不同分辨率层次的水稻个体模型，将其绘制过程封装成多级显示列表;在绘制时，应用视域裁剪技术确定要绘制的植株，并根据细节层次技术调用相应分辨率层次水稻模型的显示列表进行绘制。以籼稻YD6号和粳稻WXJ14号两个水稻品种的全生育期仿真模拟耗时为数据进行实验，实验结果表明:1）不使用实时绘制相关技术对绘制过程进行加速时，系统只能模拟50株左右水稻的生长过程，在改进叶片数据获取方式的基础上应用显示列表技术和模型简化技术可以在3分钟内模拟1000株水稻的整个生育期的形态变化，但是当群体规模继续增加时，仍然不能满足需求;2）应用多种实时绘制技术相融合的绘制方法进行水稻群体生长过程的可视化模拟，可在10分钟内完成14000株水稻整个生育期的可视化模拟，大幅度提升模拟的效率，满足绘制的要求。 (2)设计了水稻群体叶片间快速碰撞检测方法 水稻群体之间进行叶片间的碰撞检测是为了及时检测到叶片的穿透现象，通过一定的响应策略进行响应，从而避免该现象，增加虚拟水稻仿真的真实感。但是在水稻群体中进行碰撞检测时由于叶片数目较多，导致检测效率较低，为了解决水稻群体动态生长模拟过程中叶片间碰撞检测效率较低的技术问题，本文根据水稻叶片类抛物线的形态结构特性以及CPGPU硬件加速特性，提出了水稻叶片混合层次包围盒树(Mixed Level Tree,MLT)快速构造方法以及群体叶片CPGPU快速碰撞检测方法。根据水稻叶片的形态特点，提出了新的OBB包围盒方向轴的计算方式来代替传统的使用协方差矩阵和均值的计算方式，降低了OBB包围盒构建的复杂度;利用单株叶片之间、群体叶片之间碰撞检测计算关系的依赖性，设计了CPGPU加速方案，提升了水稻群体叶片间碰撞检测的效率;对籼稻YD6号水稻分蘖期大规模群体叶片进行碰撞检测实验，实验结果表明:1）本文提出水稻群体叶片间快速碰撞检测方法相较于传统的AABB、OBB方法耗时减少50％以上，有效的提升了叶片之间的碰撞检测速度;2）当水稻群体规模较大时，利用CPGPU并行加速相较于在CPU上的运行时间节省了98％，大幅度提升碰撞检测效率。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2基于形态结构模型的作物生长可视化仿真研究进展

1．2．1作物生长可视化模型研究进展

1．2．2作物生长可视化实时绘制技术研究进展

1．2．3作物生长可视化碰撞检测技术研究进展

1．3存在的问题

1．4研究内容和技术路线

1．4．1本文的研究内容

1．4．2研究思路与技术路线

1．5本研究的特色与创新

1．6论文的组织结构

第二章实时绘制与碰撞检测相关技术原理

2．1实时绘制相关技术

2．1．1可见性裁减技术

2．1．2细节层次技术

2．2碰撞检测技术

2．2．1碰撞问题的描述

2．2．2碰撞问题求解

2．3 CUDA并行程序设计

2．4本章小结

第三章基于形态结构模型的水稻群体生长实时绘制

3．1引言

3．2水稻单株生长绘制

3．2．1水稻生长形态结构模型

3．2．2单株水稻生长过程可视化

3．3基于MTI的水稻群体实时绘制方法

3．3．1水稻群体特性对绘制技术的要求

3．3．2MTI绘制方法流程

3．3．3水稻植株LOD模型库构建

3．3．4视域裁剪技术

3．3．5细节层次技术

3．4实验结果及分析

3．4．1实验环境及评价指标

3．4．2细节层次技术中小穗数的确定

3．4．3水稻群体实时绘制的效果分析

3．4．4采用MTI绘制技术的效率分析

3．5本章小结

第四章水稻群体叶片间快速碰撞检测方法

4．1引言

4．2水稻群体叶片间碰撞检测算法

4．2．1水稻群体叶片的MLT构建

4．2．2水稻群体叶片间碰撞检测

4．3．1水稻群体叶片碰撞检测算法的计算特性分析

4．3．2水稻群体叶片碰撞检测算法耗时分析

4．3．3基于CUDA的水稻群体叶片碰撞检测算法实现

4．4．1实验环境及设计

4．4．2单叶片对碰撞检测算法效率比较

4．4．3不同算法在水稻群体叶片碰撞检测时的效率比较

4．4．4基于CPGPU的碰撞检测算法效率分析

4．5本章小结

第五章总结与展望

5．1工作总结

5．2工作展望

参考文献

附录

致谢