试析基于多线程并行机制的虚拟植物研究

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1、西南大学硕士学位论文基于多线程并行机制的虚拟植物研究姓名：吴薇申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：杨国才;左源瑞20060501摘要虚拟现实(vR)技术是20世纪90年代新兴的技术，简单的说，它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟植物(VirtualPlant)就是应用虚拟现实技术，以植物个体或群体的形态结构为研究对象，以可视化的方式在计算机上再现植物在三维空间的生长过程。随着信息技术、计算机图形学、计算机仿真学的迅速发展，虚拟植物的研究已成为计算机领域的热点之一。虚拟植物生长主要有两个研究方向：一是单纯的植物外观形态的模拟，注重视觉效果的真实感；二是对真实植物生长过程

2、的模拟，注重符合植物学理论的真实反映。目前，在这两方面的研究都取得了一定的成果。但是植物的生长过程是植物的生理生态、其形态结构发育与环境三方交互作用的结果，所以如何将植物的生理生态模型和形态发生模型有机的结合起来，从而更加真实有效的再现植物的生长过程，已成为虚拟植物研究的重要方向之一。另一方面，随着虚拟植物研究的不断深入，将不断引入更多的植物机理模型和形态模型使植物的生长可视化系统更加完善，这就必将加重计算机处理的负担。而且为了更加有效的反映植物在自然环境中的生长情况，对植物群落的生长模拟必不可少，这也必将使数据量和计算量剧增，即使是单株植物的生长可视化．如果将形态发生与生态生理两种模型结合

3、考虑，也将导致模拟的数据量和计算量成倍增长，这些都将使得运用传统的顺序算法进行虚拟植物的模拟变得非常吃力。针对上述提出的植物生长模拟过程中的问题，本文对植物生育期特性、植物可视化模拟系统和并行算法进行了深入的分析和探究，主要取得成果如下：1．植物生长模拟系统的研究植物的生长模拟模型包括生理生态模型和形态发生模型。在植物的生理生态模型中，生育期模型是研究其他模型的一个基础和前提。本文在总结大豆、玉米、水稻等作物的生育期模型的基础上，提出了建立作物生育期模型的一般构建方法。然后对小麦的生理学特性进行了分析，从而确定了小麦出苗后的生育阶段的划分，并根据各个生育阶段的主要环境影响因素对生育阶段模型进

4、行了探讨。在形态发生模型方面，本文采用赵星等人提出的双尺度自动机模型。根据小麦的外观形态特性，将形态分为三个微状态：短节间单元、长节间单元以及麦穗生长单元，通过这些微状态的循环次数的控制以及和宏状态的结合，从而构造出小麦的外在形态。要真实的再现植物的生长过程，就必须将外在形态模型与机理模型相结合。本文对植物的生长模拟系统进行了总体设计，再根据对植物的形态发生模型和生育期模型的研究，通过株高的生长，叶片数目的变化以及叶形态的变化有机的将这两种模型结合在了一起。最后小麦的可视化输出说明本部分研究达到了预期的效果。2．基于多线程的植物模拟系统研究西南大学硕士学位论文摘要随着虚拟植物研究的不断深入，

5、传统的顺序算法对于植物生长的模拟变得非常困难，因此提出一种忠实于植物学原理的植物生长并行算法显得非常必要。然而，对于大多数普通用户来讲，既不容易接触到超级计算机，也不容易搭建一个并行集群计算系统。多线程并行机制的出现，为普通用户研究和应用并行算法提供了一个可行的平台。因为大多数的32位操作系统都支持多线程。本文在对多线程的原理和核心思想深入分析的基础上，首先探讨了传统的单线程处理方式下的植物生长模拟系统的体系结构，发现此方式在多个模块都发生了延时，影响了整个系统的运行效率，在此基础上提出了多线程工作方式的体系结构．并对该结构进行了详细的阐述和分析。本文构建的植物生长可视化平台，在引入多线程并

6、行机制以后，植物的不同枝点都是以不同的方向同时生长的，这也才更符合客观的植物生长特性和规律a虚拟植物是植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学、仿真学等诸多学科交叉融合的研究领域，涉及面广而复杂，内容交织．所以要真正构建植物生长的通用模拟系统，并考虑植物生长的方方面面的影响因素存在较大的难度。本文仅仅只是对虚拟植物研究中存在的问题作了一个极小范围内的尝试和探索，对于虚拟植物生长过程中的其他方面的问题．如枝条之闻的碰撞检测、植物肉光性生长的模拟、树叶颜色随季节的交化，±壤、水分以及施肥量等环境模型的建立，植物根系、果实、花朵、群落乃至自然场景的绘制等等方面都还需要我们广大的研究工作者做进一步的

7、探索和努力。关键词：虚拟植物生长可视化并行算法多线程IIABSTRACTVirtualmalityisatechnologywhichisnewlyimergingin1990’S，generallyspeaking，itisacomputersystemwhichcreatesandexperiencesthevirtualworld．Virtualplantsjustreappearancetheproc