一种计算植物冠层光分布的并行仿真系统

谢文昊

摘 要： 光照对植物冠层生长、繁殖的影响是巨大的，但在仿真植物冠层光照分布的过程中由于需要处理的数据量很大，如果利用单处理器计算机计算，会导致计算耗时过长，甚至无法得到高精度的仿真结果。为了提高计算速度，将用于计算植物冠层光分布的深度缓存排序算法进行并行化处理，移植到大型多处理器计算机上进行计算，并通过在普通计算机上开发客户端对仿真计算进行控制。设计实现一套基于客户机?服务器模式的仿真系统。应用该系统对不同生长时期的水稻进行光照仿真，得到了效果图。从而得出结论该系统在分析植物生长趋势模拟全天冠层光照变化方面有着很大的应用前景。

关键词： 植物冠层； 光照分布； 并行仿真； 客户机?服务器模式； MPI并行模式； 深度缓存排序算法

中图分类号： TN212?34； TP181 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）06?0150?04

Abstract： Illumination has a great influence on the growth and propagation of plant canopy. As a large amount of data needs to be processed during the simulation process of plant canopy illumination distribution， the time consumption of calculation can be very long， and the high?precision simulation results cannot even be obtained if the single processor computer is used for calculation. To improve the calculation speed， the parallel processing is performed for the Z?buffer sorting algorithm which is used for calculation of plant canopy illumination distribution and then transplanted to the large multiprocessor computer for calculation. The simulation calculation is controlled by developing the client on the ordinary computer. A simulation system based on client?server mode was designed and implemented. The system was applied to illumination simulation for paddies in different grown periods and the effect diagram was obtained. It can be concluded that the system has a great application prospect in plant growth tendency analysis and full?day canopy illumination variation simulation.

Keywords： plant canopy； illumination distribution； parallel simulation； client?server mode； MPI parallel mode； Z?buffer sorting algorithm

0 引 言

植物生长过程离不开光照的影响，因此计算光照在植物冠层内的分布情况就很有必要[1]。随着计算机图形学的发展和应用，目前常用的模拟方法有：辐射度方法[2]、光线跟踪方法、深度缓存排序算法等[3]。其中深度缓存排序算法主要是先分别计算植物冠层在各方向光线直射下由于相互遮挡而产生的叶片对光辐射的截获情况再进行多方向叠加从而得到仿真结果。该方法虽然忽略了光的反射透射作用，但对于主要表现为光线直射部分的光合有效辐射分布的模拟有着很高的精度，因此被广泛使用。……