（机械设计及理论专业论文）基于mrf的快速纹理合成处理方法及应用研究.pdf

学位论文作者完 有关部门或机构送交 大学可以将本学位论 或扫描等复制手段保 本学位论文属于 学位论文作者签名： 日期：护7 砗； 摘要 纹理合成是当今计算机图形学、计算机视觉中的研究热点。基于样图的纹理合成方法， 克服了纹理映射技术接缝走样的问题，而且也避免了过程纹理合成反复调整参数的繁琐。 为此，在总结、分析现有基于样图的纹理合成方法的基础上，结合块拼接的基本原理和图 案填充技术，研究了多种基于样图的纹理合成的处理方法，为加快纹理合成速度、提高纹 理合成质量提供了新的思路和新的途径。 第一章，简要介绍纹理合成技术的相关概念、发展背景以及国内外的研究现状。针对 基于m r f 的纹理合成，在总结现有纹理合成算法存在的不足的基础上，从单样图和多样 图两个方面入手，提出了本文主要的研究内容、方法和思路。 第二章，将基于单样图的m r f 纹理合成算法分成基于像素点、基于块拼贴和基于点 块混合合成这三个方面。详细论述现有的经典算法，归纳总结出每种算法的优缺点，并讨 论了各种纹理类型，详细地划分了结构性纹理，以此分析了经典算法的纹理适用性问题。 第三章，从自由参数选取对块纹理合成的影响出发，分析讨论了纹理合成中合成质量 和速度的变化，提出了分割l 邻域的纹理合成和可变块控制下的纹理合成两种改进的算法， 有效地降低了自由参数选取的影响。在第一种改进算法中，针对邻域宽度和块尺寸双因子 对周期型结构纹理的影响，使用分割l 邻域和二次匹配的方法，加快预处理过程，减少传 统的l 邻域在整体邻域匹配搜索过程中存在的计算复杂性和匹配错误。在第二种改进算法 中，针对采用固定尺寸块产生的匹配错误，使用了可变块控制下的纹理合成，根据阈值匹 配与否自适应地调整纹理块的尺寸，由此获得纹理块的最优匹配块，从而免去了人工调整 块大小的繁琐，通过使用块缝合的方式，减少了块拼贴过程中的不连续性。 第四章，针对约束多样图的纹理合成在算法上的复杂性和合成过程中算法选用上的不 足而造成合成结果差的问题，提出了一种基于多区域约束的多样图纹理合成方法。该算法 改变了约束多样图纹理合成算法的生成过程，使得约束过程与合成过程分开，从而克服了 多样图纹理合成反复判断约束区域边界的繁琐，加快了合成速度，并且增加了样图的多样 性选取，可以满足纹理设计的多变性要求。 第五章，对所研究的纹理合成处理方法进行了讨论，并详细给出了相应的合成结果和 应用实例。 第六章，对全文的概括总结，指出本文的创新点，并提出进步的研究方向。 关键词：纹理；纹理合成：自由参数；邻域分割；可变块；区域约束 浙江理工大学硕士学位论文 m e t h o d sa n d a p p l i c a t i o n so ff a s tt e x t u r es y n t h e s i s b a s e do nm r f p r o c e s s i n g a b s t r a c t t e x t u r es y n t h e s i si st h eh o t s p o tr e s e a r c hi nc u r r e n tc o m p u t e rg r a p h i c sa n dc o m p u t e rv i s i o n 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 eg e n e r a t i o n e m e r g e di nr e c e n ty e a r s ，d i v i d i n gt h es a m p l ei n t os m a l lp i e c e s ，w h i c hc a nb ed e s c r i b e da sa t w o d i m e n s i o n a lm a r k o vm o d e l t s f sc a no v e r c o m es o m ed e f e c t so ft e x t u r em a p p i n g ，s u c ha s t 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 eb o r i n gp r o c e s s e so fp a r a m e t e r o 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 i nr e c e n ty e a r s ，t s f sh a sb e c o m eo n eo ft h e r e s e a r c hh o t s p o t si nc o m p u t e rg r a p h i c sa n dc o m p u t e rv i s i o n i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e l a t e dc o n c e p to ft e x t u r es y n t h e s i st e c h n i q u e sa n dt h ed e v e l o p m e n t o fr e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a da r eb r i e f l yi n t r o d u c e d f o rm r f a l g o r i t h mw ea p p r o a c ht w o p r o n g e dr e s e a r c hf r o mas i n g l es a m p l em a pa n dd i v e r s ep l a n s ， s u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gt e x t u r es y n t h e s i sa l g o r i t h mb a s e do nt h es h o r t c o m i n g s t h e nw e p r e s e n t e dt h ec o n t e n t ，m e t h o d sa n di d e a si nt h i sp a p e r i nt h es e c o n dc h a p t e r , m r fa l g o r i t h mi sd i v i d e di n t op i x e l b a s e d ，b l o c k - b a s e dc o l l a g ea n d m i x e d s y n t h e s i s w ed i s c u s s e da b o u tt h ee x i s t i n g c l a s s i c a la l g o r i t h mi nd e t a i la n dt h e n s u m m a r i z e df o rt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c ha l g o r i t h m m e a n w h i l ew ed i s c u s s e d a b o u tv a r i e t i e so ft e x t u r et y p e s ，a n ds u b d i v i d e dt h es t r u c t u r a lt e x t u r ea n dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e c l a s s i ca l g o r i t h m s i nt h et h i r dc h a p t e r , f r o mt h ef r e ep a r a m e t e r so nt h es t a r t i n gb l o c k so ft e x t u r es y n t h e s i s ，w e a n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h es y n t h e s i so fs y n t h e t i ct e x t u r eq u a l i t ya n ds p e e do fc h a n g e ，p r o p o s e d t w ok i n d so fi m p r o v e da l g o r i t h m s ，w h i c hi slp a r t i t i o na n dt h ev a r i a b l en e i g h b o r h o o db l o c k u n d e rt h ec o n t r o lo ft e x t u r es y n t h e s i sm e t h o d ，r e d u c i n gt h ef r e ep a r a m e t e r so nt h es y n t h e s i so f q u a l i t ya n ds p e e do fi m p a c t i nt h ef i r s ti m p r o v e da l g o r i t h m ，f o rt h et w o - f a c t o ro fn e i g h b o r h o o d w i d t ha n db l o c ks i z ei n f e c tp e r i o d i cs t r u c t u r et e x t u r es y n t h e t i c ，w eu s es p l i tl n e i g h b o r h o o d ，t o s p e e du pt h ep r o c e s so fp r e t r e a t r n e n tt or e d u c et h et r a d i t i o n a ll - n e i g h b o r h o o di nt h ew h o l e p r o c e s so fm a t c h i n gs e a r c he x i s t e n c eo fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dm a t c h i n ge r r o r s a n d i i 浙江理工大学硕士学位论文 u s i n gt h es e c o n dm a t c h i n gm e t h o dt oi m p r o v et h es p e e do fs y n t h e s i s f o rf i x e d s i z eb l o c k m a t c h i n ge r r o r s ，w eu s et e x t u r es y n t h e s i so fv a r i a b l eb l o c ku n d e rt h ec o n t r o lo fu s i n g s e l f - a d a p t i v et oa d j u s tt h es i z eo ft h et e x t u r eb l o c k a c c o r d i n gt ot h et h r e s h o l do rn o tt oc h a n g e t h et e x t u r eb l o c km a t c h i n gs i z e ，t h u st oo b t a i nt h eo p t i m a lm a t c h i n gb l o c kt e x t u r eb l o c k , t h u st o e l i m i n a t et h en e e df o rc u m b e r s o m em a n u a la d j u s t m e n to ft h et e x t u r eb l o c k t h eu s eo fb l o c k s u t u r ep a t t e r n sr e d u c e st h en o n - c o n t i n u i t yo ft h eb l o c k j o i n t s i i lt h ef o u rc h a p t e r , w ep r e s e n t e dm u l f i r e g i o n a lc o n s t r a i n t b a s e dd i v e r s i t yt e x t u r es y n t h e s i s m e t h o df o rt h ed i v e r s em a pt e x t u r es y n t h e s i s p o o rr e s u l t sb ya l g o r i t h m sc o m p l e x i t ya n dc h o i c e o fa l g o r i t h m s t h ea l g o r i t h mc h a n g e st h ec o n s t r a i n e dt e x t u r es y n t h e s i sa l g o r i t h mm u l t i p l em a p g e n e r a t i o np r o c e s s ，s e p a r a t et h es y n t h e s i sp r o c e s sa n dc o n s t r a i np r o c e s s s oi to v e r c o m e st h e v a r i e t yo fm a pt e x t u r es y n t h e s i sr e p e a t e dt od e t e r m i n et h et e d i o u sc o n s t r a i n t so fr e g i o n a l b o u n d a r i e s ，a c c e l e r a t e st h es y n t h e s i so fs p e e d ，a n di n c r e a s e st h ed i v e r s i t yo fs a m p l em a p s e l e c t e d ， t h u sm e e t st h em u l t i t e x t u r ed e s i g ni n v a r i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s i i lt h ef i v ec h a p t e r , w ed i s c u s s e dt h et e x t u r es y n t h e s i s a l g o r i t h m sa n dp r e s e n t e dt h e c o r r e s p o n d i n gs y n t h e s i sr e s u l t s 。a n da p p l i c a t i o ne x a m p l e si nd e t a i l h lt h el a s tc h a p t e r , w es u m m e du pt h ef u l l t e x t ，a n dp o i n t e do u ti n n o v a t i o np o i n t si nt h e p a p e la n dp r o p o s e df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s ：t e x t u r e ；t e x t u r es y n t h e s i s ；f r e ep a r a m e t e r s ；n e i g h b o r h o o ds e g m e n t a t i o n ； v a r i a b l eb l o c k ；r e g i o n a lc o n s t r a i n t s l l i 1 2 2m r f 模型，4 1 2 3 几种不同的邻域5 1 2 4 邻域匹配原则6 1 3 本文研究的相关问题7 1 3 1l 邻域相似性度量问题7 1 3 2 块纹理合成中匹配块适定性问题7 一 一1 3 3 多样图纹理合成中的多样性问题7 1 4 本文的研究内容及方法思路8 1 5 本章小结8 第二章基于m r f 的纹理合成的典型算法 2 1 引言9 2 2 单样图的m r f 算法10 2 2 1 基于像素点的纹理合成算法，d 2 2 2 基于块拼贴的纹理合成算法彪一 2 2 3 点块混合算法d 2 3 纹理的类型划分1 6 2 3 1 随机型结构纹理j 7 2 3 2 周期型结构纹理，7 2 4 算法的纹理适用性1 7 2 5 本章小结18 第三章基于自由参数研究的块纹理合成改进算法一1 9 3 1 引言1 9 3 2 块纹理合成中的自由参数分析1 9 3 2 1 邻域宽度对结构性纹理合成的影响2 d 3 2 2 块尺寸选取对结构性纹理合成的影响2 ， 3 2 3 自由参数对周期性结构纹理合成的影响2 1 3 3 分割l 邻域的纹理合成方法2 3 浙江理工大学硕士学位论文 3 3 1l 邻域的可分割性研究2 3 3 3 2 分割后的邻域组合方式刀 3 3 3 二次匹配方式2 5 3 3 4 算法流程及实验结果分析2 6 3 4 可变块控制下的纹理合成方法2 7 3 4 1 螺旋线状块匹配搜索2 7 3 - 4 2 块倍减过程嬲一 3 4 3 块倍增过程2 9 3 4 4 合成算法描述2 9 3 4 5 实验结果分析， 3 5 本章小结3 2 第四章基于多区域约束的多种样图纹理合成方法3 3 4 1 引言一3 3 4 2 纹理混合3 4 4 3 带约束的多样图纹理合成方法分析3 5 4 3 1 约束多样图的合成相关算法3 j 4 3 2 处理方法中存在的问题3 6 4 4 多区域约束处理方法与过程调控3 7 4 4 1 处理方法分析3 7 4 4 2 基本的算法流程粥一 4 4 3 算法的过程调控3 8 4 4 4 区域背景填充彳j 一 4 5 本章小结4 1 第五章应用实例4 3 5 1 单样图纹理合成应用实例4 3 5 1 1 运用分割l 邻域的纹理合成算法一钳 5 1 2 运用可变块控制下的纹理合成算法4 6 5 1 3 数字图像修复试验4 7 5 2 多样图设计应用实例4 9 5 2 1 运用多区域约束多样图的处理方法4 9 5 2 2 图像背景设计5 j ， 5 3 本章小结5 2 第六章总结与展望。 v 一5 3 6 1 全文总结 6 2 今后工作展望 参考文献。 v i 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 本章摘要 本章对纹理合成技术的研究意义及其发展历程进行简要的论述，并介绍 了纹理合成的相关概念，国内外的研究现状及纹理合成的应用领域，在最后提出了本 文研究的问题及工作。 1 1 引言 计算机技术的发展日新月异，使得数字化产品与人们的日常生活有了越来越紧密地联 系。同时，人们也希望得到的图片更加清晰逼真、虚拟场景更加真实，这就对所能够获取 的图片和图像质量的要求越来越高，对计算机视觉、虚拟场景生成、计算机图形学、数字 图像处理、以及真实感和非真实感图形绘制等领域提出了更高的要求。纹理能够表现出丰 富的物体表面细节特征，对计算机图形绘制有着非常重要的作用。而纹理合成可以得到新 的纹理，利用这一特征来丰富物体表面的细节信息成为了当前计算机图形学中的研究热 点，这也为创建新纹理提供了一种有效的方法。g i b s o n 在1 9 5 0 年首次提出纹理的概念， 开辟了新的研究领域。c a t m u l l 于1 9 7 4 年发明了纹理映射技术【l 】，成为了纹理合成研究的 里程碑。 纹理合成技术在图像编辑、网络数据的快速传输、数据压缩、真实感和非真实感绘制， 以及大规模场景的生成等方面得到了广泛地发展，具有广阔的应用前景。比如在需要修补 破损的图片，重现原有图片效果时可以使用纹理合成进行图像润饰 2 1 ；当需要将纹理和图 像进行融合来满足要求时可以使用纹理传输技术 3 1 ；还可以将纹理扩展到时域得到视频图 像，生成任意长度的非重复的视频动画【4 】等。纹理合成技术根据表面纹理生成方式的不同 可以分为纹理映射技术、过程纹理合成技术和基于样图的纹理合成技术 4 1 。 一般地，物体表面的纹理可分为几何纹理和颜色纹理。其中几何纹理又称凹凸纹理， 它指的是物体表面上的凹凸不平，这是一种微观上的反应；颜色纹理指的是纹理的同一表 面表现出来的不同的亮度和色调的变化。纹理映射技术就是通过纹理来表达丰富的几何细 节，是绘制非真实感图形和复杂场景真实感图形最为常用的技术【锄】。此方法不仅可以表达 物体表面丰富的几何和光照细节，还可以方便的确定景物表面在该点处的某种纹理属性。 但是，技术上的特点，纹理映射只能在表面参数空间和纹理空间进行一对一的映射，它只 是把样图直接匹配到目标表面，这就使得采样区域具有局限性，以至于获取的纹理样本通 1 浙江理工大学硕士学位论文 常为小块纹理。如果想要将小块纹理映射到大的曲面上时，会出现映射后表面纹理模糊不 清，而如果采用重复映射的方法就会出现表面纹理接缝走样等问题。为了解决这个问题学 者们提出反走样方法【9 d 3 1 ，其中p e d e r s e n 提出的三维曲面上重叠摆放不规则形状纹理块的算 法，取得了不错的效果i l 引。 过程纹理合成技术克服了纹理映射的不足，通过对物理生成过程进行仿真后直接在曲 面上生成纹理，如云雾、毛发、木纹等。在其发展的历程中，很多学者提出了不错的算法。 p e r l i n l l l q 和p e a c h e y l s l 1 5 1 的实体纹理函数方法适合于合成模拟雕刻表面纹理。另外，三维的 n o 蠡e 函数的引用，很好的模拟了水纹和大理石等。w o r i e y 1 6 】改进了p e r l i n 方法中的噪声 函数，提出了新的c e l l u l a r 函数，很好地模拟了宝石和水波。c a n i l 和n e y r e t l l 。7 】实现了纹理 拼接，在算法中它采用一个基本的r e a c t i o n - d i f f u s i o n 方程实现了一种新的生成少量的三角 片的方法。随后，w i t k i n 和k a s s l t 墙】模拟了许多种纹理，如云雾、毛发等。过程纹理合成 技术虽然可以产生非常逼真的纹理效果，但是对每一种新的纹理都要重新调整参数并反复 测试才可以找到最佳的参数进行合成，这就使得合成过程非常不便。而有的纹理根本就无 法得到有效的参数，从而使得该方法无法进行下去。 针对纹理映射技术接缝走样的问题，以及过程纹理合成中反复调整参数的繁琐，学者 们提出了基于样图的合成技术，它避免前两种方法的不足，得到了广泛的研究与应用。传 统的基于样图的纹理合成技术采用统计的方法，并结合使用多分辨率滤波器的处理方式。 s i m o n e e l l 和p o r t a l l i l 2 0 1 使用统计的方法，通过可控的金字塔进行纹理合成，对多种不同结 构的纹理都取得了理想的效果。h e e g e r t 2 1 1 和o b o n e t 2 2 】利用拉普拉斯变换和可控的金字塔进 行纹理合成，采用两个拉普拉斯金字塔及滤波器处理纹理。在每次查找匹配点时，考虑己 合成的父层结点，从符合条件的待选点中随机地选一个进行填写，该方法对一般性的纹理 都有好的效果。 以上基于样图的纹理合成方法都是受到纹理分析思想的影响，在1 9 9 9 年的i e e e 会议 上，e f r o s 和l e u n g 提出了一种基于脚o v l a r k o vr a n d o mf i e l d ，马尔可夫随机域) 模型 的纹理合成方法【2 3 1 。该方法利用纹理图像中相邻点相关性强这一特点提出的，从而成为一 种更直接有效的纹理合成方法。算法首先在待合成图中设置一些种子点，然后通过既定的 邻域在样图中查找匹配点，从符合条件的待选点中随机地选取一个进行待合成点的填写。 w e i 和l e v o y 在2 0 0 0 年也提出了类似的算法，并采用多分辨率模型进行匹配，利用矢量量 化方法极大的加速了合成过程1 2 4 。a s h i k h r n i n 利用像素点的自相关性提出了自然纹理合成， 速度得到了很大的提高闭。自此之后，基于m r f 的纹理合成赢得了学者的青睐，并得到 浙江理工大学硕士学位论文 了广泛的发展。在2 0 0 1 年的s i g g r a p h 会议上，有多篇文章提出了各自的纹理合成算法， 其中e 舶s 提出了一种通过查找最小误差路径实现各块间拼贴的块缝合【2 6 】的纹理合成算 法，对许多纹理取得了非常好的效果，并且解决了以往算法对结构性纹理纹元拼接质量差 的问题。w e i l 2 7 】等人提出的方法与t u r k l 2 8 1 方法是类似的方法，都采用了多尺度的方法进行 曲面纹理合成，取得了很好的合成质量。y i n g 2 9 等人提出了一种可以直接在曲面上生成纹 理的算法，h e r t z m a n n l 3 0 1 实现了一个具有多种功能的工作框架，将纹理合成推广到了更一 般的图像，还可以处理多种不同的任务，比如纹理传输、纹理合成和编辑等。w u 3 l 】首先 提出了一种在考虑颜色信息的基础上兼顾考虑结构信息的处理方法，通过对样本纹理预处 理提取出特征图像，这就得到了匹配图像的结构特征，同时匹配颜色特征，得到更优的选 取纹理块。w a 仃a 1 3 2 】定义了m r f 上的纹理能量函数来度量合成纹理的质量，通过使能量函 数变小来提高合成纹理的质量，使得算法得到了优化，并且可以迭代改进合成纹理的质量。 随着研究的不断深入，纹理的类型又涉及到如烟、云、雾等完全无结构的纹理和如地 转等的整体上有结构的纹理，甚至是同时考虑多种纹理之问的混合而成的纹理，因此产生 了基于多输入样图的纹理合成和带约束的纹理合成。基于多输入样图的纹理合成，即在合 成的过程中需要同时考虑多幅不同的样图，从而使合成结果中同时保持多幅样图的特征， 也就是说此方法可以达到让多幅样图混合而成的结果。带约束的纹理合成，则是在合成的 过程中添加各种约束条件，即主观或者客观上的约束，从而使得合成的结果在有较好的视 觉效果的同时保持了前期设定的约束条件。 在视频纹理合成方面，j o s e p h 3 3 1 ，s e h o d l 3 4 ，s o a ：t t 0 1 3 5 1 都提出了各自的算法。s c h o d i 算法可以较好地处理结构性纹理，而且实现了基于视频的动画效果，但对海浪，水波，风 吹的草地等纹理处理效果不佳。在2 0 0 1 年的i c c v 会议上，s o a r o 针对s c h o d i 算法的不足， 提出了一种新的合成算法，有效地处理了流云，水流以及人嘴的讲话等的动态纹理现象。 1 2 基于m r f 的纹理合成的相关概念 为了方便介绍本文，首先介绍几个基本概念1 3 6 , 3 7 l ： 1 - 2 1 纹理的定义 纹理( t e x 眦) 是图像分析中常用的概念，在生活中也常用到，但目前对纹理尚无正式的 定义。一般生活中用到的纹理的解释指在视觉或触觉上表现为的表面的重复性，例如布、 墙等，其表面上都呈现出重复的特征。这个定义比在计算机图形学中的纹理的定义狭窄， 我们称作是狭义意义上的定义。但由于很多自然表面的组成都要包括重复的元素，纹理的 浙江理工大学硕士学位论文 狭义定义对于描述许多表面性质还是十分有用的。 在计算机图像处理领域，经常使用纹理和图像的区别来定义纹理。纹理和图像在这里 是两个不同的概念，但是它们之间又具有包含关系，即纹理从属于图像，图像又包含纹理。 通常将具有局部性和稳定性图像称为纹理。一般地，图像的局部性指的是窗口中的任像 素可以由其周围邻域内的像素预测得到，而与图像中的其余部分无关：而图像的稳定性指 当观察窗口大小合适时，观察者看到的部分总是相似的，或者说只要窗口取得适当，窗口 中的纹理特征与整个纹理的特征相同。可以用图1 1 所示来区别纹理与图像，在给定的图 像和纹理中，只允许观察者通过较小的可移动窗口( 图1 1 中黑框) 来移动观察它们。当在 l e n a 图像( 图1 1 中( a ) ) 中移动窗口时观察者可以看到图像的不同部分( 图1 1 中( a 1 ) 、( a 2 ) ) ， 而对于地面纹理( 图1 1 中( b ) ) 中移动窗口时则发现观察结果( 图1 1 中( b 1 ) 、( b 2 ) ) 基本一致。 可以看出，在一个一般图像中，任选两个方形区域，这两个区域的差别较大；而对于纹理 而言，任选两个方形区域，这两个区域在视觉上是相似的。 ( a ) 盈圈圈圈 ( a d0 2 )( b 1 )国2 ) 图1 1 纹理和图像 总的来讲，纹理图像的特征归纳为以下几个方面： ( 1 ) 某种局部的序列性在比该序列更大的区域内不断重复； ( 2 ) 序列是由基本部分非随机排列组成的； ( 3 ) 各部分大致都是均匀的统一体，纹理区域内任何地方都有大致相同的结构尺寸。 1 2 2m r f 模型 马尔可夫随机过程的定义如下：假设一个随机过程 垧，f t ) 的状间为j ，如果对时 间t 的任意y i 个数值o t e t i ，t 在条件x ( t , f x , ，t ，卢1 ，2 ，l ，l 下，x ( t , ) p f i j 条件分 4 布函数等于在条件x ( 则该随机过程称为马尔可夫随机过程。扩展上述方法n ：- 维空间便是马尔可夫随机场 模型( m r f , m a r k o vr a n d o mf i e l d ) 。将m r f 模型具体应用到纹理合成的方面，就是指对于 按照扫描线顺序合成的某个待合成点，其值取决于当前点的周围已合成的点的值。也可以 说，在合成的过程中只要在样本图中找到一个和当前待合成点的周围邻域最相近的点，让 它作为当前值的近似再赋值给当前待合成点。m r f 模型要求纹理中的当前值可以完全由其 邻定，也就是说，需要纹理具有局部性的特征。而大多数的纹理图片都满足这一特征，所 以说我们可以使用m r f 模型进行建模。 1 2 3 几种不同的邻域 ( 1 ) 像素点的邻域 根据m r f 模型，当前点的值取决于其邻域点的值。在纹理合成过程中，这个邻域指 的是以当前待合成像素点为中心的一个方形区域内部的像素点，如图1 2 所示，其中图1 2 ( a ) 为合成过程中像素点的邻域，图1 2 ( b ) 是样图中像素点的邻域。对于样本图来说，由于每 个点都是己知的，所以每个点( 除了边界附近的点) 都有这样的一个方形邻域。 鬻溯一囊一囊 m u m 黧麟潮 霸舅舅潮蹦鬻覆 嘲簇翻缀鞠 鞠躺鞠嘲鳞l 覆i ( a ) 像素点的邻域( b ) 样图中像素点的邻域 图1 2 当前点的邻域 对于正在处于合成过程中的图像来说，基于传统的扫描线的算法使得当前点有效邻域 并非是全部整个方形邻域，而是在当前的左边和上方的区域，这就是在纹理合成算法中最 为常用的l 型邻域，如图1 3 所示，其中图1 3 ( 口) 是是像素点的l 型邻域，图1 3 ( b ) 是合成 过程中像素点的l 邻域，图1 3 ( c ) 是样图中像素点的l 邻域。l 邻域经常用n * n 来表示， 这里的n 指的是包含整个l 型邻域的矩形边长为n 。在实际计算当中，根据m r f 模型的 特性：离当前点较近的邻域点对当前点的影响也相应较大，因此不同的邻域对当前待合成 点的影响也不同，可以对不同的邻域赋予不同权值。这些权值一般是根据邻域点和当前点 浙江理工大学硕士学位论文 弋二一一 ( a ) l 邻域( b ) 合成过程中像素点( c ) 样图中像素点 图1 3 像素点的l 邻域 ( 2 ) 块拼贴过程中的邻域 l 型邻域不仅可以用于基于像素点的合成算法，而且适用于使用块合成的纹理合成方 法中。块合成时的纹理合成往往按照扫描线的顺序，合成单元往往是基于矩形的纹理块单 元，这样待合成纹理块的邻域便有了左边的邻域( 如图1 4 ( a ) 所示的灰色框内) 和上边的 邻域( 如图1 4 ( b ) 所示的灰色框内) ，而除了第一行和第一列之外的待合成块使用左边的邻 域如图1 4 ( c ) 所示的灰色框内的l 邻域，这就是在块纹理合成过程中不同的邻域。除了按 扫描线算法合成之外，还有些纹理合成的算法使用不同的合成纹理块和合成顺序，比如使 用圆形及其他形状或者不规则块的纹理块【3 8 1 ，或者是基于希尔伯特曲线，相应的纹理的邻 域也就是纹理块在这些合成顺序上的有效区域。然而，目前使用最多的合成顺序是基于扫 描线的合成顺序，因此l 型邻域也就成为最为广泛使用的邻域方式。 1 1 l ( a ) 左边的邻域( ”上边的邻域( c ) l 邻域 图1 4 纹理块边界示意图 总的来说，邻域就是当前合成点( 或块) 周围的一定范围之内的相邻点。根据m r f 模型，这些点决定了当前合成点( 或块) 。 1 2 4 邻域匹配原则 纹理合成算法的关键是找到待合成点( 或块) 的最佳匹配点( 或块) ，也就是邻域匹配。在 基于m r f 模型的逐点合成算法中，需比较合成结果纹理图中当前待合成像素点与纹理样 图相应的邻域中对应像素点的邻域误差，再在误差较小的待选邻域中随机地选择一个作为 匹配点，此过程称为邻域匹配。两者的邻域匹配规则一般情况下都是使用基于r g b 色彩 浙江理工大学硕士学位论文 空间的l 2 距离，即对二者邻域中的每个像素点对，求其在颜色空间中的差值，使用差值公 式为1 一( 2 ) 。 d ( ，2 ) = 4 ( r ( p ) - r ( q ) ) 2 + ( g ( p ) 一g ( g ) ) 2 + ( b ( p ) b ( g ) ) 2 1 - ( 2 ) p p ( ，e g 为n j , 对q e 应n 赢2 式中函数r ( p i x e l ) 、g ( p i x e l ) 、b ( p i x e l ) 分别表示纹理图像中每一个像素点的红、绿、 蓝三种颜色值。 也就是说，通过邻域匹配可以决定待合成图中的匹配像素点( 或块) 。 1 3 本文研究的相关问题 1 3 1l 邻域相似性度量问题 在以往的基于m r f 的纹理合成方法中，纹理相似性度量都是使用l 邻域的r g b 颜色 误差来判断，其中自由参数的选取都是人工事先选定好的。但是，当自由参数选取不当时， 纹理合成结果的质量和速度并不是最优的。所以使用l 邻域的相似性度量方法并不是最理 想，以至于有些著名的学者均认为将l 2 距离做为两邻域相似性判断条件是有缺陷的。所以 从相似性的度量出发，能够找到一种简单而有效地度量方式是值得深入研究的问题。 1 3 2 块纹理合成中匹配块适定性问题 在块的纹理合成中，匹配块大小的选取影响着纹理合成的质量和速度。对于不同的纹 理，所需要的匹配块的大小是不一样的，有些纹理使用相对较小的匹配块就可以得到好的 结果，而有些纹理在匹配尺寸大的情况下才可以有好的合成结果，甚至在有些样图中，部 分匹配块的选取在事先选定的匹配块尺寸下找不到匹配块，这就导致合成结果很差。而现 有的纹理合成算法都是先确定好使用的块大小，然后使用相同的选定好的块尺寸进行整个 结果的生成，这就导致了当块的大小选取不当时造成的匹配错误，这样，在块的纹理合成 中自适应的调整块的大小找到最优匹配块的过程也有着非常重要的意义。 1 3 3 多样图纹理合成中的多样性问题 多样图纹理合成将单幅样图的研究扩展到了多幅样图合成的研究，但是现有算法在此 方面的研究还不多，而且在样图选取的多样性和图案约束的多样性方面还达不到需求。因 此，为了实现此方面的要求，而且让合成过程中同时考虑多幅样图的特征而又把约束条件 加入进来，并且得到简单而有效的合成方式是一个有待于进一步研究的问题。 浙江理工大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容及方法思路 在纹理合成中，由于纹理组织结构所具有的复杂多样性和随机性，要快速、简便、合 理、真实地进行纹理合成和新设计的设计，其研究工作还有着一定的艰巨性和长期性。本 文就针对以上三个问题为研究产开了一系列的分析和研究： ( 1 ) 针对邻域相似性度量问题，提出了分割l 邻域的快速纹理合成算法，有效地降低 了自由参数对合成质量和速度的影响。利用纹理的局部匹配误差找出最佳的匹配块，加快 了预处理过程，并减少了使用传统的邻域在整体邻域匹配搜索过程中存在的计算复杂性 和匹配错误。在分割邻域的基础上，通过使用二次匹配块的搜索，加快了合成速度。 ( 2 ) 针对块纹理合成中匹配块适定性问题，提出了可变控制下的纹理合成算法。摒弃 了传统的块尺寸恒定的搜索方式，利用阈值匹配与否自适应地调整纹理块的大小，从而获 得了待合成块的最优匹配块，从而免去了人工调整纹理块的繁琐；通过块缝合的方式，减 少了块接缝的不连续性。 ( 3 ) 针对多样图纹理合成中的多样性问题，提出了基于多区域约束的多样图纹理合成 方法。该方法改变了以往的生成过程，首先进行纹理合成，再进行区域约束，使得约束过 程与合成过程分开，从而减弱了约束边界在多样图纹理合成时对合成算法的约束，克服了 反复判断区域边界的繁琐，进而加快了合成速度。在具体的实际应用中，可进行多样性的 样图选取，达到了纹理设计的多变性要求，具有较好的工程应用价值。 本文主要的研究方法和思路是以工程应用为背景，以传统图形学造型技术为工具，以 方法研究为主线，以v i s u a lc + + m f c 为实现手段的较为系统地进行纹理合成算法的改进 以及应用研究：研究易于工程应用的纹理合成的过程调控方法，使基于样图的纹理合成与 实