（计算机应用技术专业论文）基于样图的纹理合成技术研究(1).pdf

摘要 基于样图的纹理合成技术( t e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e s ，t s f s ) 是近年来 发展起来的一项新的纹理生成技术，它既克服了传统纹理映射技术可能带来的纹 理接缝和纹理扭曲的缺陷，也避免了过程纹理合成( p r o c e d u r a lt e x t u r es y n t h e s i s ， p t s ) 参数选择的繁琐过程，因而成为计算机图形学、计算机视觉领域的研究热 点之一。 本文首先介绍基于样图的纹理合成技术的国内外研究现状，对t s f s 的基本 模型、原理和经典算法进行了详细地介绍和讨论。在此基础上，本文对t s f s 技 术中若干关键问题展开了深入的研究，主要研究内容如下： 1 对基于样图的纹理合成技术的研究历史进行较全面的回顾，对其中的经 典算法进行了分类，并总结它们的优缺点。 2 利用纹理图像及其子图像的直方图的相似性，提出一种w e i & l e v o y 算法 中l 邻域最佳尺寸的自动选取算法，避免因为l 邻域尺寸选取不当而引起的合 成时间的增加和合成质量的降低。 3 提出一种基于灰度辅助纹理和自组织特征映射的纹理合成算法：( 1 ) 使 用纹理图像的灰度图像作为辅助纹理加速纹理合成过程；( 2 ) 提出一种改进的 s o m 神经网络的向量构造、学习、和测试方法，对纹理邻域集合进行分类，并 使用分类结果进行纹理合成。 4 对二维实时纹理合成算法展开了深入地研究，主要内容包括：( 1 ) 介绍 基于最大梯度和灰度相关匹配的i m a g eq u i l t i n g 加速算法，基本达到实时性要求； ( 2 ) 提出一种新的纹理贴块s t i l e s 生成算法，并使用s t i l e s 实时合成高质 量的纹理。此外，还提出- - 4 十基于s t i l e s 的应用“纹理句子”的实时生成， 达到了很好的效果。 5 研究三角网格曲囱的快速纹理合成。首先由输入样本纹理使用随机顺序 纹理合成算法，成一个新的用于曲面纹理合成的样本纹理，然后提出一种基于 “纹理延伸”和梯形模板匹配的快速曲面纹理合成算法，实验表明该算法合成质 量良好，提高了基j 三角块拼接的曲面纹理合成算法的合成速度。 6 研究基于纹理合成技术的地壳运动中的皱褶现象仿真。首先讨论方向可 控纹理合成算法理论及其应用，然后提出一种地壳运动中的皱褶现象仿真算法并 给出仿真结果。 关键词：计算机图形学：纹理合成；邻域；网格曲面 a b s t r a c t t e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e ( t s f s ) i so n eo ft h en e wt e c h n i q u e sf o rt e x t u r e g e n e r a t i o ni nr e c e n ty e a r s t s f sc a ne l i m i n a t es o m ed e f e c t so ft e x t u r em a p p i n g t e c h n i q u e ，s u c ha st e x t u r es e a m sa n dt e x t u r ed i s t o r t i o n s ，m o r e o v e r , i tc a na v o i dt h e b o r i n gp r o c e s s e so fp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fp r o c e d u r a lt e x t u r es y n t h e s i s ( p t s ) t s f sh a sq u i c k l yb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t si n c o m p u t e rg r a p h i c sa n d c o m p u t e rv i s i o nr e c e n t l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so nt h es t u d yo nt s f st e c h n i q u e i nt h ef i r s tp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n ，w er e v i e wt h er e s e a r c hr e s u l t so f t s f sa n di n t r o d u c ei t sb a s i cm o d e l ， p r i n c i p l ea n dt y p i c a la l g o r i t h m s t h em a i np a r to f t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e r n ss o m ek e y p r o b l e m so i lt s f s ，i n c l u d i n g ： 1 _ w er e v i e wt h er e s e a r c hh i s t o r yo ft s f sa n dc l a s s i f yt h e t y p i c a lt s f s a l g o r i t h m si n t od i f f e r e n tc a t e g o r i e sa n dc o n c l u d et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 2 b a s e do nt h eh i s t o g r a ms i m i l a r i t yb e t w e e nt e x t u r ei m a g ea n di t ss u b - i m a g e s ， w ep r e s e n tan e wm e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a ls i z eo fln e i g h b o r h o o di n w e i & l e v o yt e x t u r es y n t h e s i sa l g o r i t h m 3 w ep r o v i d ean e wt e x t u r ea l g o r i t h mb a s e do ng r a yi m a g eo fi n p u tt e x t u r ea n d s e l f - o r g a n i z e df e a t u r em a p s ( s o m ) f i r s t l y , w eu s et h eg r a yi m a g eo fi n p u tt e x t u r ea s a na i d i n gg u i d a n c et oa c c e l e r a t et h ep r o c e s so ft e x t u r es y n t h e s i s t h e n ，an e wm e t h o d f o rc o n s t r u c t i n g ，t r a i n i n ga n dt e s t i n gs o mv e c t o r sw a sp r o p o s e d ，w h i c hi su s e dt o c l a s s i f yt h ev e c t o r sc o n s t r u c t i n gf r o mln e i g h b o r h o o do fo u t p u tp i x e l s w eu s et h e c l a s s i f i e dr e s u l t st os p e e du pt h eo u t p u tt e x t u r eg e n e r a t i o n 4 r e a l l i m et e x t u r es y n t h e s i si sw e l lr e s e a r c h e di nc h a p t e r4 ：( 1 ) w ep r e s e n ta n e wm e t h o do fi m a g em o s a i cb a s e do nm a x i m u ma n di n t e n s i t yc o r r e l a t i o n ，a n dw e u s et h i si m p r o v e di m a g em o s a i cm e t h o dt oa c c e l e r a t ei m a g eq u i l t i n ga l g o r i t h m ( 2 ) a n e wt e x t u r et i l e s s t i l e sg e n e r a t i n gm e t h o di s p r o p o s e d ，w h i c hc a nb et i l e di n t o a r b i t r a r y s i z eo fo u t p u ti nr e a l - t i m e w ca l s o p r e s e n t an o v e la p p l i c a t i o no f s t i l e s “s e n t e n c et i l i n g 5 an e wt e c h n i q u eo ft e x t u r es y n t h e s i so na r b i t r a r ys u r f a c e si sp r o p o s e d w e f i r s t l yg e n e r a t ean e wt i l l a b l et e x t u r ef r o mi n p u tu s i n gw e i sr a n d o mo r d e rt e x t u r e s y n t h e s i sa l g o r i t h m ，w h i c hw i l lb eu s e da ss a m p l ef o rc o n s e q u e n tt e x t u r es y n t h e s i so n s u r f a c e s ，t h e n ，w es y n t h e s i s “t e x t u r ee x t e n s i o n m e t h o da n dt e m p l a t em a t c h i n g m e t h o dt oc a l c u l m i n gt e x t u r ec o o r d i n a t e sf o re a c ht r i a n g l ea c c o r d i n gt h en u m b e ro fi t s s y n t h e s i z e dn e i g h b o r o u rt e x t u r es y n t h e s i sm e t h o do na r b i t r a r ys u r f a c e sc a np r o d u c e b e t t e rr e s u l t si nl i t t l et i m et h a np r e v i o u sm e t h o d s 6 i nt h es i x t h c h a p t e r , w ep r o v i d e an o v e la p p l i c a t i o n g e o l o g i c a lf o l d s s i m u l a t i o nu s i n go r i e n t a t i o n c o m r o l l e dt e x t u r e ss y n t h e s i sa l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a to u rs i m u l a t i o na l g o r i t h mi sa u t o m a t i c ，f e a s i b l ea n de a s yt ob e e x t e n d e dt oa n yo t h e r s h a p e df o l d s k e yw o r d s ：c o m p u t e r g r a p h i c s ；t e x t u r es y n t h e s i s ；n e i g h b o r h o o d ；s u r f a c e s 图表i 高啦 表格清单 表1 1 二维纹理合成典型算法比较9 表1 2 三维曲面纹理合成典型算法比较9 表l - 3 视频纹理合成典型算法比较9 表2 1 图2 7 中纹理的最佳l 邻域尺寸2 3 表3 1 使用灰度辅助纹理合成与基本w e i & l e v o y 算法的合成时间对比3 2 表3 2 本文算法与t s v q 算法时间对比4 2 表4 1 两步图像拼接算法描述符号定义5 3 表4 2 两步拼接算法与传统灰度相关拼接算法的拼接时问比较5 6 表5 1 本章算法与文献 t s z l b 2 0 0 4 】 w c s 2 0 0 5 算法时间对比9 0 表6 ，1 a s h 2 0 0 1 纹理合成算法伪码9 5 插图清单 图1 1 普通图像与纹理的区别1 图i 2 纹理的分类一2 图1 3 基于样图纹理合成示意图一3 图2 1 像素g 的不同阶数的邻域结构1 3 图2 2 邻域及其基团示意图一 图2 3w e i & l e v o y 算法巾l 邻域的构造 1 6 图2 4 w e i & l e v o y 单分辨率算法 网2 5w e i & l e v o y 卯法中l 邻域尺寸对合成时问和合成质量的影响17 图2 6 纹理图像的比例直方图 图2 7 纹理图像及其子图像比例直方图的丰 i 似性1 9 图2 8 纹理及其子图像比例亩力图的相似度曲线2 0 图2 9 最佳l 邻域尺寸选取结果2 2 图2 1 0 使用最佳l 邻域尺寸的台成结果2 3 图3 1t s v q 中树形码书生成示意图2 8 图3 2 将像素p 的邻域n ( p ) 看作一个多维向量2 9 图3 3t s v q 算法中不同大小码书合成结果3 0 图3 4 使用灰度纹理辅助合成彩色纹理3 1 图3 5 使用灰度辅助纹理合成与基本w e i & l e v o y 算法的合成结果比较3 2 图3 6s o m 网络模型及其获胜神经元的邻域一3 4 图3 7 聚类算法的输入向量构造3 7 图3 , 8 通过边缘化纹理图像确定权值向量w - 3 8 图3 , 9 本章算法纹理合成结果4 l 图3 1 0 不同码字个数时的纹理合成结果4 2 图4 1h m g eq u i l t i n g 算法中的纹理块拼接4 6 图4 2 l a g eq u i l t i n g 算法合成结果 图4 3 l l x g s 2 0 0 1 边界区域匹配规则4 8 图4 4 图像拼接示意图5 0 图4 5 文献 f s l 2 0 0 3 的局限性5 l 图4 6 模板最大梯度值位置5 5 图4 7 全景图拼接实例5 6 图48 纹理合成结果图 图4 9 f c s h 2 0 0 3 中w a n g t i l e s 算法示意图 图4 ，1 0 文献【c s h d 2 0 0 3 l 中的w a n g t i l e s 纹理块及其拼接结粜 鼹 田 卯 圈表清单 v l l 图4l l 文献【c s h d 2 0 0 3 l 合成结果的“菱形纹珲接缝” 6 0 图41 2 基js t i l e s 的实时纹理合成算法示意图6 1 罔41 3 纹理金字塔的掏造6 2 图4 1 4 输出纹理金字塔的每一层合成方法6 3 图4 1 5 随机纹理合成的输出纹理可以无缝自拼接6 4 图4 1 6s - t i l e s 生成算法示意图6 5 图4 1 7s t i l e s 在拼接边界的连续性6 6 图4 1 8s n l e s 拼接策略6 8 图4 1 9 本章实时纹理合成算法的合成结果6 9 图4 2 0 基于w a n gt 丑e s 、州k 和s - t i l e s 的纹理合成结果对比。7 0 图4 2 l 由“纹理字母8 拼接而成的“纹理句子”7 1 图4 2 2 “纹理字母”制作示意图。7 1 图4 2 3 每个“纹理字母”的制作需要1 6 个w a n g t i l e s 7 2 图5 1 文献 t s z l b 2 0 0 4 】中纹理合成算法示意图7 6 图5 2 本章纹理合成算法流程图7 7 图5 3 边折叠算法示意图。7 9 图5 4q e m 算法模型简化结果_ 8 1 图5 5 三角网格转化为无向图一一8 1 图5 6b u n n y 的切向矢量场插值结果8 2 图5 7 使用随机顺序合成算法得到可无缝自拼接纹理一8 3 图5 8 纹理延伸中的几何变换8 4 图5 9 约束度大于1 的三角形合成示意图8 6 图5i o 纹理三角片过渡区融合示意图8 7 图5 | 1 纹理边界融台示意图8 8 罔5 1 2 奉章算法合成结粜 v i i i台肥工业人学博l 学位论文 罔5 1 3 本章算法与删( t s z l b 2 0 0 4 】【w c s 2 0 0 5 1 算法的合成时间比9 l 图6 1 【a s h 2 0 0 1 l 纹理合成算法示意图 图6 2 【a s h 2 0 0 1 】用户控制纹理合成算法示意图9 6 图6 3 【a s h 2 0 0 1 】用户控制纹理合成算法合成结果一9 7 图6 4 方向可控纹理合成结果 图6 5 方向可控纹理合成算法示意图 图6 6 褶皱现象动态仿真算法示意图9 9 图6 7 典型褶皱层面曲线示意图1 0 1 图6 8 连续变化的方向场序列1 0 1 图6 9 某时刻t 的褶皱仿真一1 0 2 图6 1 0 褶皱视频仿真中的6 帧一1 0 3 图6 1 1 三维褶皱视频仿真效果图一1 0 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 金魍王堡盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一签名噶崎 签字日期：胁口月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解台a b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月b 王些盘 茎一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 擀繇萄崎 签字日期：乒e 年彩月衫日 学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址 仓记越欠秀 胁知落i 惮哟硬 一名；谚 签字日期彩妊年月节 电话：弼， 邮编：多一 厂 秒 p 咛夕 一 蛐 致谢 值此论文完成之际，洋1 自我的导师张佑生教授表示衷心的感谢! 张老师将我引 入科学研究的道路，使我在科研上有了明确的目标和端正的态度。本文是在导师张 佑生教授的精心指导和严格要求下完成的，他对论文提出了很多宝贵意见，并多次 对文稿进行了悉心的审阅和修改。张老师敏捷的思维、开拓进去的精神、严谨的治 学态度使学生受益匪浅。此外，张老师在生活上绘学生的帮助与关怀，也使学生深 受感动。再次向张老师致以衷心的感谢! 在论文的完成过程中得到了合肥工业大学韩江洪研究员、蒋建国教授、刘晓平 教授、高隽教授、檀结庆教授、梁华国教授、陆阳教授、胡学钢教授、王浩教授、 侯整风教授、李刚研究员的热心指导和帮助，再次向他们表示感谢。感谢计算机科 学与技术系的沈明玉、郭骏、李心科、田卫东、周国祥、欧阳鸣等教师在工作上 的理解和支持，保证我有一定的时间从事科学研究。 感谢研究生部的朱红老师、林勇老师及其它各位老师，感谢计算机学院的王新 生、杨孙梅、徐静、费明、曹航、束海明、王宝珍等老师在日常事务中提供的帮助。 感谢江巨浪老师和江涛同学，在与他们的交流和讨论中，产生了一些新的思想， 对论文的研究和完成起着重要推进作用。感谢合肥工业大学图形与图像研究室的胡 敏、汪荣贵、王焕宝、偶春生、王伟、程玉胜、姚洪亮、王德兴老师和刘俊娜、谢 颖、李妍、袁吴、刘晓龙、王世东、张挺、侯顺风、习雅思、洪沛霖、李剑飞等同 学平时给予的帮助。 感谢我的父母，是他们含辛茹苦地养育了我，是他们殷切的期望鞭策着我克服 困难，完成论文。衷心感谢我的妻子王敏女士，感谢她对家庭的奉献和操劳、对我 的鼓励和支持，使我有足够的精力和信心投入到紧张的研究中，并最终完成论文。 薛峰 2 0 0 6 年4 月于逸夫科教楼 第+ 章绪硷 第一章绪论 1 1 基于样图的纹理合成研究内容和意义 1 1 1 纹理及其特点 广义的纹理是指自然界中大量存在的一种重复现象、诸如工厂里机器的噪 音、人的有规律的运动( 跑步、面部表情) 以及物体表面的颜色和形状等。而在 计算机图形学领域内，纹理通常是指一种特殊的图像，该图像的任意部分在视觉 上都具有相似性，但又不完全相同。这种二维纹理图像可以认为是具有局部性和 稳定性的随机过程的实现，即纹理中的每一个像素点都可以由其空间邻域内的像 素的集合来表达和确定 w e i 2 0 0 2 。如图1 1 所示，图1 1 ( a ) 是一副l e n a 图像，图 1 1 ( b ) 是一种纹理。假设只允许观察者通过较小的窗口( 图1 1 中黑框) 来观察 它们，当移动窗口时，对于图1 1 ( a ) 所示的普通图像，观察者看到的两幅子图像 具有明显区别，而对于图1 1 ( a ) 所示的纹理图像，观察者看到的两幅子图像则具 有明显的相似性。 图11 普通图像与纹理的区别 从罔1 1 可以看出，纹理图像具有以下两个特征： 合肥工业人学博上学位论文 ( 1 ) 稳定性：是指在图1 1 所示的观察窗口大小合适的前提下，移动窗口时 所看到的内容具有相似性： ( 2 ) 局部性：是指图像中的任一像素可以由其周罔邻域内的像素预测得到， 而与图像中的剩余部分无关。 纹理的形式是多种多样的，按照能否从其内部分辨出纹元可以分为以下三类 i x u 2 0 0 1 】： 结构性纹理由固定纹元按照一定规则排列而成的纹理，如图1 2 ( a ) 。 随机性纹理这种纹理内部没有明显的纹元，如图1 2 ( b ) 。 半结构、半随机性纹理自然界的大部分纹理属于这一类，人们在其内部可 以分辨出纹元，但是纹元与纹元之间有一定的差异，而且纹元的排放也不是很规 则。如图1 2 ( c ) 。 图1 2 纹理的分类 1 1 2 基于样图的纹理合成的研究内容 纹理技术可以表现几何模型无法体现的细节，弥补几何绘制的不足，在基于 图像的真实感绘制中占据重要的地位。f c a t l 9 7 4 首先提出纹理映射的方法，实现 曲面纹理的绘制，获得了很好的视觉效果和绘制效率。f b n l 9 7 6 扩展了这一思路， 在曲面上添加了反射和高光效果。但是，传统的纹理映射技术在绘制大面积纹理 和曲面纹理时会引起纹理接缝和扭曲等缺陷 p b j l 9 9 9 1 ，其进一步的推广应用受 到影响。纹理合成技术能有效克服这些缺陷成为近年来计算机图形学、计算机视 觉、虚拟现实等领域的研究热点。 目前纹卯合成可分为过程纹理合成( p r o c e d u r a lt e x t u r es y n t h e s i s p t s ) 和基 第一章绍论 于样图的纹理合成( t e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e ，t s f s ) 。p t s 通过对物体物理 牛成过程的仿真直接在表面生成纹理，如毛发、云雾、木纹等，真实感强，但是 每一种过程纹理相关参数的选择十分琐碎，需要反复测试，有时还无法达到满意 的合成结果 x b m 2 0 0 2 1 。t s f s 足近几年发展起来的一种新的纹理合成技术，其 基本思想：基于给定小样图的纹理特征，生成大面积的曲面纹理，并保证纹理结 构的连续性和相似性，如图1 3 。t s f s 既克服了传统纹理映射的缺点，同时避免 了p t s 中的参数选择的繁琐过程，因而受到越来越多的关注。 图13 基于样图纹理合成示意图 从上世纪9 0 年代末至今，几乎每年的s 1 g g r a p h 、e u r o g r a p h i e s 、c g i 等重 要国际学术会议都有关于t s f s 研究方面的文章。这些研究成果主要集中在以下 几个方面： ( 1 1 二维纹理合成 二维纹理合成是t s f s 领域的研究者首先提出并进行研究的课题。其主要内 容是根据输入样本纹理图像，研究一种算法生成与输入纹理图像在视觉上相似、 并保持足够变化的任意面积的输出纹理图像。近1 0 年来，二维纹理合成算法的 研究已经日趋成熟，在合成速度、合成质量和算法的适用性等方面均取得了较为 丰硕的成果。目前二维纹理合成的研究目标主要是：1 1 进一步提高合成质量； 2 ) 在保证质量的前提下，提高合成速度：3 ) 探索基于i 维纹理合成的新的研究 方向，如多样图纹理合成、纹理传输、纹理混和等。 ( 2 ) 三维睦面纹理合成 二维曲面纹理合成是_ 二维纹理合成在三二维模型上的推广。在2 0 0 1 年的 s i g g r a p h 会议上w e i 和t u r k 首先提出了曲面上纹理合成的算法 w l 2 0 0 11 【t u r k 2 0 ( 3 1 l 。他们都采用了多分辨率的思想，把基于点匹配的思想在三维卜- 拓展。 在随后的几年里，f 现了基于纹理块匹配的三维网格曲面纹理合成算法，在合成 质母和合成速度上有，一定的提高。曲面纹理合成在真实感绘制、虚拟现实等领 台肥工业人学博i 学位论文 域有着j “泛的应用前景。如何提高合成效率和合成质量是以后需要进一步研究的 内容。 ( 3 ) 视频纹理合成 人们把纹理合成的方法在时域上进行了推广，分别对流水、火、云等小段视 频进行处理，合成新的视频。其基本思想是合成视频图像序列中的每一帧，完成 视频纹理的合成和绘制。视频纹理合成需要解决以下诸多问题：1 ) 要确定视频 序列中的过渡点；2 ) 需要确定能表达整个序列的一段过渡序列；3 ) 对过渡点进 行平滑；4 ) 要自动地对序列中的各帧分解成不同的区域，以便分析与合成；5 ) 更进一步，还需要解决以下问题：生成一段固定长度的循环视频，把视频纹理基 元与背景进行分离，生成变换矩阵以便用户实时交互等。 ( 4 ) 逼真显示的纹理合成 逼真显示的两个主要因素是几何模型和几何细节。纹理映射和纹理合成技 术虽然能自然、无缝地用纹理来匹配任意表面，但是离逼真显示还有一定的距离， 因为传统图形学领域中的纹理只能在光滑的表面上表现颜色信息。真实的纹理还 要表现因空间变换引起的反射率变化和表面的微观几何结构。为实现逼真显示， d a n a 提出了b t f ( b i d i r e c t i o n a lt e x t u r ef u n c t i o n ) 的概念，b t f 是带有六维参数的 函数，两个参数表示位置，其他4 个参数表示视点和光照的方向，可以表现表面 的微观结构和反射系数的变化。但是样本b t f 方法计算量很大，合成速度慢 【l y s 2 0 0 1 】，如何提高其合成速度是需要进一步研究的课题。 1 1 3 基于样图的纹理合成的研究意义 纹理合成技术在计算机图形学、图像处理以及计算机视觉等领域有着广泛的 应用： ( 】) 真实感绘制 曲面细节的绘制可以进一步提高绘制结果的真实感，传统的方法是采用多边 形或三角形网格细化的方法丈现，但是随着对细节的要求变得越来越高，这种几 何的方法显得力不从心，采用纹理合成可以得到质量很高的绘制结果。此外，纹 理可以模拟某些物体的细节。【w s l 9 9 4 】【w s l 9 9 6 采用纹理合成的方法可以描绘 石头、阴影等图案。 第一章绪论 ( 2 ) 计算机动画 计算机动画 - 经常包含些片断和随机的动作，这些片断经常是些非重复 的动作( 如开门、拾起一样东两等) ，可以通过方向控制而直接绘制，而随机的 动作是一些重复性的背景运动，如水波、炊烟、燃烧的火焰等【b a r l 9 9 9 】 【s s s 2 0 0 0 】。这种运动在空间和时间上都具有小确定性，通常被称之为“时序纹 理”【s p l 9 9 6 】。“时序纹理”通常很难使用传统的基于物理过程的绘制方法获得， 基于样图的纹理合成可以很好的实现这类纹理的绘制。 ( 3 ) 数据压缩 很多图像中经常包含大片的纹理，如草地、森林、沙滩等。因为纹理通常包 含一些高频信息，使用诸如j p e g 等压缩技术很难得到较高的压缩比。可以把图 像中的纹理部分先分割出来，然后使用纹理合成的方法对其进行压缩，这样可以 获得较高的压缩l e b a c l 9 9 6 1 。这种压缩结果对于提高网络数据的传输效率有重 要意义。 ( 4 ) 图像修补和编辑 图像或视频中经常有时会出现一些瑕疵( 如划痕、污点、破损等) ，严重影 响其质量和实用价值，因此，图像修补技术引起了人们的关注。纹理合成技术可 在图像修补中发挥较好的作用，比如，若瑕疵出现在图像的背景区域或草地、海 滩、水面等带有纹理性质的场景中，则可以通过约束纹理合成的方法对其进行修 补，重现图像原来的纹理和结构 i p l 9 9 7 】【b s g b 2 0 0 0 。 ( 5 ) 特殊效果的生成 使用t s f s 技术可以生成和模拟很多特殊场景效果。【w e i 2 0 0 1 】首先提出使用 多种样图作为输入，合成一种新的纹理的算法，取得了很好的效果。 a s h 2 0 0 1 l 使用个“目标纹理”作指引，合成得到在亮度上与“日标纹理”相似的纹理。 随后，出现了如艺术图像( 国画、水彩画) 的学习和生成 h j 0 2 0 0 1 】【x z h b 2 0 0 2 】 【x w p 2 0 0 3 】 s l s 2 0 0 4 】、褶皱现象仿真 x z j h j 2 0 0 6 _ l 】、纹理混和 x b m 2 0 0 2 与 纹理传输 e f 2 0 0 1 】、方向与比例可控纹理i z z v g s 2 0 0 3 1 等基于纹理合成技术的特 殊效果生成算法。 1 2 国内外研究历史与现状 1 2 1 国外的研究历史与现状 台肥工业凡学情上学位论丘= 基于样图的纹理合成( t s f s ) 一经提出便成为计算机图形学、计算机视觉和 图像处理领域的研究热点。从上世纪9 0 年代末至今几乎每年的s i g g r a p h 、 e u r o g r a p h i c s 、c g i 、p a c i f i cg r a p h i c s 等重要国际学术会议都有相关的文章出现。 t s f s 技术可分为_ 二维纹理合成、三维纹理合成和视频纹理合成。其中一维t s f s 技术的研究大致分为三个阶段： ( 1 ) 基于纹理特征分析与匹配的合成算法 早期的纹理合成受纹理分析思想的影响，主要采用统计的方法并使用多分辨 率滤波器进行处理。h b l 9 9 5 是统计方法中比较典型的，他们利用拉普拉斯和可 控的金字塔进行纹理合成，可以处理更具一般性的纹理。他们先对金字塔用噪声 进行初始化，同时建立样本纹理的金宇塔。然后对噪声进行更改，使该金字塔与 样本纹理金字塔的颜色与直方图匹配，倒塌金字塔，如此多次迭代后可以获得合 成结果。【b o n l 9 9 7 同样利用多分辨率的金字塔进行纹理合成。他采用两个拉普 拉斯金字塔及滤波器处理纹理，按从顶到底顺序，在查找匹配时，考虑已合成的 父层的点，从符合条件的待选点中随机选一个填写。s p l 9 9 8 利用统计的方法， 通过可控的金字塔模型进行纹理合成，对多种纹理都取得了很好的效果。以上这 些方法虽然对具有统计特征的纹理取得了较理想的结果，但其最大缺点是合成速 度慢，而且不能处理具有较强结构性的纹理。 ( 2 ) 基于马尔可夫随机场模型的合成算法 对于大多数纹理，马尔可夫随机场模型( m a r k o vr a n d o mf i e l d s ，m r f ) m r f 模型是一种很好的逼近。m r f 模型认为纹理具有局部统计特性，即空间某一像 素值可以由相邻像素确定。在1 9 9 9 年的i c c v 会议上，e f i - o s 和l e u n g 提出了非 参数采样的算法 e l l 9 9 9 1 。该方法利用纹理图像中邻近点相关性强的特征，根据 预先在待合成图中设置的种子，通过给定的邻域在样图中查找匹配点来合成纹 理。随后的纹理合成算法都受到了该方法的影响。基于这种算法，国内的徐晓刚 等人在 x y m 2 0 0 2 】中提出了一种多种子纹理合成算法。w e i 和l e v o y 在 w l 2 0 0 0 1 中对文献 e l l 9 9 9 进行了改进，采用多分辨率模型进行匹配，i 司时利用树形矢量 量化技术( t r e es t r u c t u r ev e c t o rq u a n t i z a t i o n ，t s v q ) 加速合成过程。【a s h 2 0 0ll 利用相邻像素间的相关性原理对 w l 2 0 0 0 1 的方法作了进一步的简化，对自然纹 理的合成取得了很好的效果。 ( 3 ) 基于纹理块拼接的纹理合成算法 【x g s 2 0 0 0 】首先将样本纹理进行重复映射，然后通过混沌变换得到合成纹理， 第一章绍论 使样本纹理中的局部特征具有本质规律但视觉随机的分布。【e l 2 0 0 1 提出一种 i m a g eq u i l t i n g 纹理合成算法，通过计算输入纹理巾的纹理块与已合成纹理在重 叠区的累积误差( s u m - o f - s q u a r e dd i f f e r e n c e s ，s s d ) 和最小误差路径 ( m i n i m u m e r r o f b o u n d a r y c u t ，m e b c ) 完成纹理合成。该算法虽然处理速度较 快，对各种类型的纹理均取得了较好的合成效果，但是可能会带来少量的纹理不 连续现象。【k s e t b 2 0 0 3 l 使用g r a p hc u t 进行纹理合成，并将i m a g eq u i l t i n g 算法 中的矩形纹理块推广到任意形状，获得了很好的合成质量。 n a 2 0 0 3 提出一种复 合的纹理合成算法，首先使用块拼接合成纹理，再使用基于点的合成方法消除块 拼接中的纹理特征不连续现象。以上讨论的算法在纹理合成中均包含费时的计算 过程，达不到实时应用的要求。 l l x g s 2 0 0 1 】提出了和 e l 2 0 0 1 极为相似的块 拼贴算法，基本达到了实时的效果，但是算法中使用的图像金字塔，k d 树以及 主分量分析的方法使得算法难以理解和编程实现，合成结果可能也会有纹理不连 续现象。 z g 2 0 0 2 】 z g 2 0 0 3 】首先对样本纹理进行分析，得到一个j u m pm a p 的 数据结构用来存贮样本纹理的每个像素及其对应像素集合，并使用j u m pm a p 实 时合成纹理。该算法在合成低频纹理时结果不理想。【c s h d 2 0 0 3 提出一种使用 拼接w a n gt i l e s 的方法实时合成纹理，由于算法中w a n gt i l e s 是采用i m a g e q u i l t i n g 算法生成的，可能会产生菱形纹理接缝( d i a m o n ds h a p e da r t i f a c t s ) ， c o h e n 使用迭代的方法来减小菱形接缝对合成效果的影响。 n w 2 0 0 5 提出一种 与w a n gt i l e s 类似的可拼接纹理块一。t i l e 的生成方法并将之用到纹理合成 中，也达到了实时的合成效果。 曲面纹理合成的研究起步于2 0 0 0 年左右，p r a u n 等人 p f h 2 0 0 0 首先将曲面 分割成若干个互相重叠的曲面补丁，然后将每个曲面补丁参数化到纹理空间，通 过重复粘贴样本纹理覆盖曲面补丁完成纹理合成。在2 0 0 1 年的s i g g r a p h 会 议上w e i w l 2 0 0 1 和t u r k t u r 2 0 0 1 洛自提出了曲面上纹理合成的算法。他们的 思想主要来源于p r a u n 【p f h 2 0 0 0 】和w e i w l 2 0 0 0 】，都采用了多分辨率的思想， 把基于点匹配的思想在三维上拓展。基卡w e i w l 2 0 0 0 1 与a s h i k h m i nf a s h 2 0 0 1 的思想，y i n g y h b z 2 0 0 1l 提出了两种新的合成方法。一种为与w e i w l 2 0 0 1 】类 似的多分辨率方法。通过映射建立图表( c h a r ) ，在曲面的邻域和纹理样图点邻 域问建立对应联系，在最低分辨率部分，采用魄面搜索( s u r f a c em a r c h i n g ) 方法进 行查找匹配，在其它分辨率中采用图表采样( c h a r ts a m p l i n g ) 的方法：另种基于 a s h i k h m i n 【a s h 2 0 0 1 】的思想，通过纹理映射图，在曲面点的邻域杏找存样本纹理 上的对应点，实现纹胛合成。2 0 0 3 年前后出现了以f m k 2 0 0 3 1 和l z z v 2 0 0 3 为代 合h 巴工业人学博i 学位论文 表的基于三角纹