（计算机应用技术专业论文）曲面纹理生成方法及实现的研究.pdf

摘要 曲面纹理绘制技术是绘制真实感图形最为常用的重要技术之一，它能有效模拟和增强景 物表面的细节特征，而不需要增加几何模型的复杂度，在三维游戏动画、虚拟现实、计算机 辅助设计等领域有着广阔的应用前景。本文对生成曲面纹理的主要技术进行深入研究，内容 包括纹理映射、实体纹理生成以及基于样图的曲面纹理合成。论文的主要贡献及刨新之处如 下： 1 对球面纹理映射算法进行深入研究，提出一种改进的半球面纹理映射算法。该算法 以b i e r 与s l o a n 关于衡量球面纹理变形的准则为依据，引入面积等比约束，可使映射纹理的 变形大为降低。并进一步将该算法的应用从半球面扩展到球面上任意区域的纹理映射。 2 对纹理映射方法进行深入研究，改进了传统方法中的s 映射，有效降低了纹理变形； 运用插值运算消除纹理接缝，取得了视觉上的纹理连续效果；并针对环形物体表面的纹理绘 制问题，提出- - s 0 基于圆环中介面的两步纹理映射新算法。 3 提出一种基于样图的体纹理绘制新方法。该方法以木材体纹理为例，通过建立样图 空间、体纹理空间和物体表面之间的几何映射关系，直接在物体表面绘制三维实体木纹，可 较好地表现出木材样图中的纹理细节与纹理特征，有效提高计算机绘制实体木纹的真实感与 多样性。 4 针对曲面纹理合成的若干关键问题进行了研究与改进。提出一种面向纹理合成的网 格优化算法，以提高纹理合成质量；提出一种基于高度排序的三角形纹理块装配算法，以提 高纹理地图集的空间利用率。还提出一种运用局部区域映射加速纹理合成的算法，大幅度提 升曲面纹理合成速度。 5 设计并实现一个能够集成多种三维表面纹理生成算法的实验系统。针对纹理图像的 预处理问题，提出的两个改进算法：( ”提出一种保持图像亮度的局部直方图均衡算法用于 纹理图像对比度增强；( 2 ) 构造了一种基于c 2 连续c a t m u l l r o m 样条函数用于纹理图像的 实时缩放处理。 关键词：真实感绘制；曲面纹理生成；纹理映射；实体纹理：纹理合成 a b s t r a c t s u r f a c et e x t u r i n gt e c h n i q u ei so n eo f t h em o s tp o p u l a rt e c h n i q u e so f r e a l i s t i cg r a p hr e n d e r i n g i tc a ne f f i c i e n t l ys i m u l a t et h ed e t a i l so f3 ds u r f a c e sw i t h o u ti n c r e a s i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h e g e o m e t r i cm o d e l ，a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha s3 dg a m e ，c o m p u t e r a n i m a t i o n , v i r t u a lr e a l i t y , c a da n ds of o r t h 。i nt h i st h e s i s , x v ed e e p l ys t u d i e ds o m et e x t u r e t e c h n i q u e s , s u c h 磊st e x t u r em a p p i n g , s o l i dt e x t u r er e n d e r i n ga n dt e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e s e t e t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h em e t h o do f t w o - s t e pt e x t u r em a p p i n gi sd i s c u s s e da n da ni m p r o v e m e n ti sm a d eo nt h e sm a p p i n go fi t , w h i c hc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ed i s t o r t i o no fm a p p e dt e x t u r e b yu s i n gt h e w e i g h t e di n t e r p o l a t i o n ，t h ej u n c t u r e so fm a p p e dt e x t u r ep a t c h e sc a nb er e m o v e da n dt h ev i s u a l q u a l i t yo fp r o d u c e dt e x t u r ec a r lb ea m e n d e d t h e nan e wa l g o r i t h mo ft w o w s t e pt e x t u r em a p p i n g f o ra n n u l a ro b j e c t si sp r e s e n t e du s i n gat o r t l sa st h ei n t e r m e d i a t es u r f a c e 2 。t h et e c h n i q u e so fs p h e r et e x t u r em a p p i n gi ss t u d i e da n da ni m p r o v e da l g o r i t h mo f h e m i s p h e r et e x t u r em a p p i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hc a no b v i o u s l yd e c r e a s et h ed i s t o r t i o no fm a p p e d t e x t u r eb yo b e y i n gt h en o n d i s t o r t i o nc r i t e r i o n so fs p h e r et e x t u r em a p p i n ga n di n t r o d u c i n ga c o n s t r a i n to fe q u a la r e a - r a t i o 。m o r e o v e gw ee x t e n d e dt h ea l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e mo f t e x t u r em a p p i n gf o rp a r t i a la r e ao f as p h e r e 3 an o v e la l g o r i t h mo fr e n d e r i n gs o l i dt e x t u r ef r o ms a m p l e si sp r o p o s e d w h i c hc a nr e n d e r s o l i dt e x t u r ed i r e c t l yo n t oa no b j e c ts u r f a c eb ye s t a b l i s h i n gg e o m e t r i c a lm a p p i n g sa m o n gt h e s p e c i m e ns p a c e s 西撼t e x t u r es p a c ea n do b j e c ts u r f a c e 。t h es o l i dt e x t u r ep r o d u c e db yt h em e t h o d c a nr e p r e s e n t st e x t u r ed e t m l so nt h es a m p l e sa n di sc o n t i n u o u so nt h ec o n t e m f i n o u ss u r f a c e so f a n o b j e c t t h e r e f o r e ，t h er e a l i t ya n dd i v e r s i t yo f t e x t u r i n gi se v i d e n t l yr a i s e d 4 an o v e la l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os p e e du pt h ep r o c e s so f s u r f a c et e x t u r es y n t h e s i s , w h i c h u s e sl o c a la r e at e x t u r em a p p i n g am e s h - o p t i m i z i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e dw h i c hi su s e di nt h e m e s hp r e p r o c e s so fs u r f a c et e x t u r es y n t h e s i s m o r e o v e r at e x t u r et r i a n g u l a ra s s e m b l yf l g o f i t h m f o rs e t t i n gt e x t u r ea t l a si sp r e s e n t e dw h i c hi sb a s e do nt r i a n g u l a rh e i g h ts o r t i n gt or a i s et h es p a c e u s a g er a t eo f t h ea t l a s ， 5 a ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d w h i c hc a na d o p tm a n yt e x t u r e r e n d e r i n gm e t h o d s i nt h es y s t e m ，t w on o v e la l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rt e x t u r ep r e p r o e e s s i n g ： o n ei st h el o c a lh i s t o g r a me q u a l i z a t i o na l g o r i t h mw i t hi m a g e 强g h t n e s sp r e s e r v a t i o n 。w h i c hi s u s e dl oe n h a n c et h ec o n t r a s to ft h et e x t u r e ；a n o 氇e r st h ec a l m u l l - r o ms p l i n em e t h o dw i 氇 c 2 - c o n t i n u o u sf o rs c a l i n g - u po rs c a l i n g - d o w nt e x t u r ei m a g e s k e y w o r d s ：r e a l i s t i cr e n d e r i n g ；t e x t u r i n go ns u r t = ；a e e s ；t e x t u r em a p p i n g ；s o i i dt e x t u r e ；t e x t u r e 图1 1 图1 2 图i 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 插图清单 国际象棋棋盘纹理2 普通图像与纹理的区别一6 纹理的三种类型。7 o 映射的4 种方式1 2 传统两步纹理映射算法的s 映射效果1 2 纹理从平面向球中介面的映射1 3 纹理从平面向圆柱中介面的映射1 4 纹理从平面向立方体中介面的映射1 5 基于面积等比约束的s 映射效果1 6 纹理拼接原理与实例1 7 基于接缝邻域加权插值的s 映射效果一1 8 两步纹理映射实例1 9 面积等比约束的s 映射算法2 0 边界线邻域的插值运算2 1 o 映射算法原理2 2 基于面积等比约束与边界线邻域插值处理的s 映射实验结果2 4 环形物体的两步纹理映射实例2 4 基于立体投影的半球面映射原理2 7 基于立体投影的半球面映射效果。2 8 基于面积约束的半球面映射2 9 基于面积约束的半球面映射效果3 0 基于面积等比约束的半球面纹理映射算法应用实例3 1 b e z i e r 曲面上生成的纹理3 1 整体球面的映射3i 传统的整体球面映射算法3 2 图3 9 图3 1 0 强3 1 1 囤3 1 2 图4 1 图4 2 圈4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 璺4 。8 图4 9 图4 1 0 强4 1 l 图4 1 2 图5 1 翌5 2 图5 _ 3 图5 4 重5 5 图5 6 图5 7 圈 图 图 强 图 。8 9 】0 。1 1 1 2 菊部球面蛱瓣缀理3 3 一般纹理图案的准梯形与准四边形近似3 4 映射采用的磁静强案3 5 粥部球面映射效栗3 5 纹理函数生成的实体木纹3 8 剥用湍流函数绘制的大理石纹理3 9 用纹理函数生成的同心永波4 0 用纹理函数生成的云彩4 1 术撼棒图的空瓣坐标系4 l 样图空间与钵纹理空问的映射关系4 3 简单定义的实体术纹绘制效果4 3 攮值定义静实体术纹绘制效暴4 4 径自扰动的实体术纹绘靠效聚4 4 偏移与倾斜的嶷体木纹绘制效果4 4 东誊| 纹理样本4 7 基于木纹样图的术材体纹理绘俸4 结果4 7 边折叠算法的原理5 0 弼牾蕊纯兹绘翻效果巍较5 0 边分裂的两种策略比较5 l 最长边优先分裂的网格细分结果5 2 攘蓬生成豹甥趣矢量场效暴5 3 插值生成的纹理尺度场。5 3 物体空间到纹理空间的映射5 4 纹理珏配5 4 纹理融合前后的效果对比5 5 纹理地图集的靛配效果比较5 6 b u n n y 霹格模黧表蓉鼓理台壤缝荣弱 c a t 模型表面的纹理属性5 7 表 表 表 表 表 9 c a t 网格表面的区域分割结果一5 8 映射区的纹理生成5 9 基于仿射变换的检测模板纹理采样6 1 生成合成区纹理6 l 不同类型纹理对c a t 网格表面的合成结果6 2 多种网格表面的分割结果、6 2 采用两种纹理在多种网格模型表面生成的纹理6 5 曲面纹理生成实验系统的用户界面6 7 曲面纹理生成系统的功能模块。6 8 纹理映射计算模块的程序流程6 9 纹理合成计算模块的程序流程一7 0 实体纹理计算模块的程序流程7 0 网格坐标系一7 6 图像对比度增强效果的比较7 8 直方图比较7 8 树皮纹理的增强效果7 9 草席纹理的增强效果7 9 双向插值运算8 2 基于c 2 连续c a t m u l l r o m 样条的人眼图像放大效果8 3 表格清单 1 纹理映射的时间比较 1 三角形纹理生成方式的统计与比较 2 本文算法与传统算法的时间比较。 1 平均亮度、灰度标准差及运行时间的统计结果， 2 几种典型的插值方法在图像采样耗费时间上的比较 1 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 1 1 图 图 图 图 图 图 图图 图 图 图 图 图图图图 图 图图 他 鲫 辨 独创性声骧 本人声锈爨坚交豹学位论文是本人在导髓指导下避毒亍的研究工作及取锝的秘究成果。据我所 知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方外，论文中不包含奠饨人已经发表或攒写过的研究成果， 也不包含为获得盒a ! 王业盍堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 露恚对本磅究辨骰簿 王穗贡献均已在论文串作了囊确豹说明并表示落激。 学位论文作者签名：弦垂缀 签字嚣瓣：麟f 2 胃f 二霸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主遏堂鲞期到i 羞盘邀有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并囱国家有关部门或机祷送变论文的簸印件帮磁盘，免许论文被鸯蕊帮诺阉。本人授权空鬻 堂盔翅到i 选堂腿2 鱼i 爱查鲨可以将学位论文的企部或部分内容编入有关数据库进彳亍检索，可 敷采翅影印、索g | 或扫接等复利譬段保存、汇绽学键论文。 ( 保密的学位论文在解密聪适用本授权书) 学位论文作者签名：夕z ，藩少爱 导师签名： 彪衫弋 签字珏絮：耐年l 湖l 秘璺签字鞭期：0 6 莓f z 月o 目 学位论文作者毕她后去向： 工作单位： 遵售地蟪： 电话： 邮缡： 致谢 本文是在导师张佑生教授的悉心指导下完成的。在攻读博士学位期间，张老师在学习和 研究方面给了我精心的指导和莫大的帮助。他渊博的知识、严谨的治学态度、敏捷的思维、 孜孜不倦的进取精神、平易近人的作风一直感染并激励着我，并将使我终身受益。张老师在 生活与工作环境上给予我的帮助与关心，白始至终对我的信任与鼓励令我深受感动，在此向 张老师致以衷心感谢! 在论文的完成过程中得到了合肥工业大学韩江洪教授、刘晓平教授、胡学钢教授、王浩 教授、梁华国教授、檀结庆教授与侯整风教授的亲切指导和帮助，在此向他们表示感谢。感 谢计算机学院的王新生、曹航、徐静等老师在日常事务中提供的帮助。 在攻读博士学位期间，得到图形与图像研究室的胡敏博士、汪荣贵博士、偶春生老师与 王伟老师的很多指导与帮助，启发了我的思路，使我受益匪浅。感谢图形与图象研究室的薛 峰博士，与他在很多专业问题上的交流与探讨对于本文的研究与进展是至关重要的。感谢习 雅思同学，很多编程中的难题一经他的指点立刻倾销瓦解。在我今后的工作中，希望能继续 得到图像与图形研究室同仁的支持。 在攻读博士工作期间，还得到了研究室中众多人员的帮助，他们是姚洪亮老师、王焕宝 老师、程玉胜老师、刘俊娜、袁吴、谢颖、李妍、刘晓龙、王世东、张挺、侯顺风、洪沛霖、 王良燕、李显杰、李剑飞、黄忠、王臻等同学，在此一并表示感谢。 感谢我的父母，他们不仅含辛茹苦地养育了我，正是他们殷切的期望使我不敢懈怠，不 断战胜困难，取得进步。衷心感谢我的妻子孙永胜女士与我的儿子江松霖小同学，他们的支 持与鼓励使我对研究工作有更多的兴趣与信心，直到论文的最终完成。 最后，要感谢评阅、评议博士论文和出席博士论文答辩会的各位专家学者，感谢他们在 百忙的工作中给予指导。 2 0 0 6 年12 月于合肥工业大学逸夫科教楼 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究内容与意义 近年来，计算机图形学的快速发展已对国民经济众多领域产生了深远影响。其中，真实 感图形技术的发展更是超出人们的预料，极大地推动了虚拟现实、计算机仿真、影视广告制 作、游戏动画软件、科学计算可视化等技术与产业的快速发展。我们在日常生活中也能感受 到这一点。 三十多年来，随着计算机硬件技术的飞速发展，真实感图形绘制技术取得了举世瞩目的 巨大成就，光照模型、绘制方程、消隐算法、光线跟踪算法、辐射度算法和体绘制算法相继 被提出和完善。真实感图形的生成一般需经历场景造型、取景变换、视域裁剪、消除隐藏面 及可见面光亮度计算等步骤。此外，在物体表面生成相应的纹理也是绘制真实感图形的重要 步骤。通过纹理可以表达形体表面丰富的几何细节和光照细节，甚至可以通过纹理信息表达 其局部几何形状，从而增强真实感，或者合成某种特定的视觉效果。目前，曲面纹理的生成 主要有纹理映射、过程纹理合成与基于样图的纹理合成三种技术。纹理映射( t e x t u r e m a p p i n g ) 通过建立纹理空间与景物空间的坐标对应关系，将纹理图案的颜色值赋予景物表 面作为其材质属性，然后根据光照环境计算物体的最终显示颜色与亮度，从而得到高度真实 感的三维图形。采用纹理映射表达物体表面的几何细节与质感，不仅能提高绘制效率和真实 感效果，而且能降低三维建模的复杂度，是复杂场景真实感绘制的最常用技术。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 ) 利用纹理函数模型直接在物体表面生成三维纹理，生成的 实体纹理( 如：木材纹理、大理石纹理等) 与动态纹理( 如：火焰、云彩与流水等) 具有真 实感强与纹理连续的特点，己广泛应用于虚拟仿真、图像编辑以及广告动画制作等领域。基 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 ) 是曲面纹理生成的一种新技术，它基于 给定小样图的纹理特征，生成大面积的平面或曲面纹理，同时保持纹理结构的连续性和相似 性。最近几年来，该技术发展迅速，已成为曲面纹理生成的重要方法之一。 1 2 纹理映射 1 2 1 研究现状 纹理映射( t e x t u r em a p p i n 曲是计算机图形学中应用最为广泛的技术之一 p b j l 9 9 9 r o g e r s 2 0 0 1 】。纹理映射在不增加物体表面几何复杂度的情况下，能有效模拟景物 表面的细节特征，增强真实感。 c a l r n u l l 于1 9 7 4 年首次提出适用于参数曲面的纹理映射方法 c a t m u l l l 9 7 4 ，并进一步由 b l i r m 和n e w e l l 完善1 b n l 9 7 6 。在此基础上，人们扩展出许多适应于不同应用和要求的纹理 映射技术。为了在物体表面生成出凹凸起伏的效果，b l i n n 与c o o k 分别提出了凹凸映射算 法r b l i n n1 9 7 8 和位移映射算法 c o o k l 9 8 4 。为了在物体表面绘制反射光照的视觉效果，提出 了环境映射方法 b l i n n l 9 7 6 w i l l i a m s l 9 8 3 g r e e n e l 9 8 6 h e i d r i c h l 9 9 8 。为实现对网格模型 2 鸯l s 二监大攀蹲主学位论文 袭面的纹理映射，提出了多种三角网格重新参数化的方法【s s g 2 0 0 1 】【p h 2 0 0 3 】【z c 2 0 0 6 】。 p e d e r s e n 撬密在骥式基瑟上邂过臻户交互实瑗捷骞| 懿方法 p e d e r s o n l 9 9 5 ，b i e r 与s l o a n 挺塞 两步纹理映射方 法 b s 8 6 1 ，以实现对q e 参数化物体表面的纹理映射。减少或避免拼贴纹理g i 越e 接缝嬲扭曲一囊是一个壤要的改进聂标，对悲， l m l 9 9 9 m y v l 9 9 3 p b 2 0 0 0 z z 2 0 0 2 l 先后提出多种改避算法。复杂表面的纹理映射方法是近凡年的另个研究热点。l e v y 在2 0 0 1 年的s i g g r a p h 议上提出了一种约束的纹理映射方法 l e w 2 0 0 1 ，实现了交互控制映射 送城魏功缝，裁够懿理复杂麴瑶纹瑾豌瓣目蘧。n i c o l a e 在2 0 0 3 年提出了麓子主跌模式魏著 行纹理映射算法，用于加速分布式环境下绘制复杂场景的纹理映射速度 n r t 2 0 0 3 1 。l a y c o c k 蝣针对虚掇藏市环蠛中黪建筑物绘制，提出一静房蓬袭蘑纹理鲍是动生成募法 l d 2 0 0 4 。 f e r r a d a t 与g o m e z 在2 0 0 5 年提出了一种专用于入脸纹理映射的嘲形用户界面 f g 2 0 0 5 ，有 勰发展成自动生成人脸纹理的实用工具箱。对于纹理映射技术来说，快速反走样技术是不可 躐歃的重鬻内容，瓣前主要有m i p - m a p 技术、区域求和袁技术 w i l l i a m s l 9 8 3 1 c r o w l 9 8 4 融 及它们的改进 f w l 9 9 9 1 1f e w w l l 9 9 8 。 尽管纹理映羹雪方法笾攀、稳定、块速，褥到了广泛粒疆究与瘫嗣，然谣绞瑾燮形与纹瓒 接缝问题尚未得到根本的解决，值得进一步进行研究与改进。 1 2 。2 绞理浃射鹣基本纂淫 1 2 2 1 纹理空闻 纹理魄射中的纹理空闻一般定义为一个攀位正方形域( o u l ，o v 1 ) ，遮样定又静 二维纹理，既可以愿存储在计算机中的任何一幅指定的数字图像，也可以是一些特殊的纹理 函数。铡翔，下式定义了拳蠲予蔷静纹理映射襄法捡涮豹纹理丞数模援了黧际象棋筷盘蕊方 格纹理 s y l 9 9 5 ，如图1 1 所示： 始咖譬豢嚣鬣端箍 式中，a 与b 代表嚣静不国蒙色l x l 表示小于x 鳇壤大整数。 黧1 。1 蠢格薮瑾 1 2 2 2 纹理映射的基本原理 c a t m u l l 于1 9 7 4 年首先提出了二维纹理皎瓣方法。该方法首先在纹理空间中定义二维纹 理，并将其从纹理空间映射剿屏幕空间。这种映射需要宪成两次搬标变换：纹理空间与景物 空淹豹坐撂变换，疑镄空间与屏幕室闻弱坐稼变换。 第一章绪论 根据纹理空间和屏幕空间之间的映射方式，纹理映射有正向映射和逆向映射两种。正向 映射是指将纹理空间中定义的二维纹理，经映射函数映射到景物空间中的三维物体表面，再 经投影变换投影到屏幕空间。逆向纹理映射则是先从屏幕空间到景物空间，再由景物空间到 纹理空间的映射变换。由于正向纹理映射不能保证纹理像素和屏幕像素间的一一对应关系， 屏幕上的部分像素可能因为没有纹理与之对应而产生空洞，因此很少被采用。由于逆向纹理 映射是按扫描线顺序进行处理的，可以采用传统的扫描线算法，而在纹理映射中得到普遍使 用。 逆向纹理映射过程中，屏幕空间到景物空间的变换实际上就是投影变换的逆变换。从景 物空间到纹理空间的变换由纹理映射函数来确定，这一过程可描述如下：给定三维景物空间 f r 3 和二维纹理空间d r 2 ，对于f 中的任一点( x ，y ，z ) ，通过纹理映射找到它在d 中 的对应点( u ，v ) ，即： c x ，y ，z ，e f ，。c 五y ，z ，= ：篆：羔耄 = ： c ，- ， 有效的纹理映射函数。应当保证景物空间坐标与纹理空间坐标是一一对应的 l e v y l 9 9 8 。 1 2 - 3 纹理映射的基本方法 1 2 3 1 颜色纹理映射 颜色纹理映射是一种将预先定义好的纹理图案贴到物体表面的方法。为了实现纹理贴 图，必须建立景物空间坐标( x ，y ，z ) 与纹理空间坐标( u ，v ) 之间的一一对应关系。对于平 面、二次曲面( 球面和园柱面等) 和参数曲面，由于能用参数方程表示，故在纹理映射时可 将曲面的参数与纹理坐标等同起来，建立曲面上点的坐标( x ，y ，z ) 与参数( u ，v ) 的关系， 把纹理映射到物体的表面，再经过从景物空间到屏幕空间的变换，即可得到覆盖有纹理图案 的图形。对难以参数化的多面体表面，需要采用两步纹理映射方法，即将整个纹理映射过程 分解为两步进行s 1 9 9 6 ：先选择一个形状简单的中介曲面包围景物的表面，并把纹理图案 映射到这个中介曲面上，再将中介曲面上的纹理图案映射到景物表面。 1 2 3 2 凹凸纹理映射 凹凸纹理映射用于在物体表面上生成具有凹凸感的纹理效果。与前面的纹理映射方法不 同，它是通过对表面法向量进行扰动来实现的。纹理的值不是表示颜色的r 、g 、b 值，而 是用于表示凸起的程度。如果用f ( u ，v ) 表示纹理函数，映射前光滑表面的参数函数为p ( u 。v ) ，映射就是在物体表面上的任一点( u ，v ) 处做如下操作，得到新表面位置p ： p ( ，v ) = p ( “，v ) + f ( u ，v ) n ( u ，v )( 1 2 ) 式中n ( u ，v ) 是表面的法向量，通过对p 7 ( “，v ) 的两个偏导数求叉积可得到此处新的法向 量，近似表示为下式： ，2 ( 地”) + d ，”)( 1 3 ) 【d = e ( 只) + e ( n x 只) 4 台肥工业大学博士学位论文 其中，d 为扰动向量，凡、r 是纹理函数，( “，v ) 对u 、v 的偏导数，只、j p 。是函数p ( u ，v ) 对参量“、v 的偏导数。因此，实际计算时，只需计算，的偏导数风与f v 即可求出扰动后 的法向量。对表面法向量作了适当的扰动后，用改变后的法向量进行明暗处理，就能使 原本完全平滑的表面，产生凹凸不平的视觉效果。 1 2 3 3 环境纹理映射 环境纹理映射的最初目的是为了模拟光线跟踪的效果，同时又具有更高的效率。环境映 射技术最初由b l i n n 和n e w e l l 在1 9 7 6 年首先提出，后来c h r o m 、g r e e n e 、m i l l e r 等人对它 作了改进，生成图形的真实感效果类似于光线跟踪算法，现己得到了广泛的应用。 假定环境由距离遥远的景物和光源组成，并且待绘制物体遮挡部分环境的情况可以忽 略。环境被映射到一个大球的内侧面，待绘制的物体置于球心处。b l i r m 和n e w e l l 以球心为 视点绘制周围环境的全景图象( 环境映照) ，使用球的经度、纬度来定义环境映照，用于计 算景物表面环境反射光亮度。 1 3 实体纹理 1 3 1 研究现状 为了克服纹理映射中出现的纹理变形与纹理接缝的缺点而提出的通过特定纹理函数直 接在曲面上生成纹理的方法，称为过程纹理的合成( p r o c e d u r a lt e x t u r es y n t h e f i s ) 。过程纹 理可分为实体纹理( s o l i dt e x t u r e ) 与动态纹理( d y n a m i ct e x t u r e ) 两种类型。实体纹理用于 表现物体材质在其表面形成的固有纹理。p e r l i n 和p e a c h e y 在1 9 8 5 年首次提出了s o l i d t e x t u r e 函数，在模拟多种材质表面的实体纹理时取得了逼真的效果 p e r l i n l 9 8 5 p e a e h y l 9 8 5 。p e f l i n 还引入三维的n o i s e 函数，用其构造t u r b u l a n c e 函数 p h l 9 8 9 1 ，成功地生成了大理石、云彩 等自然纹理。最近几年，仍然有多种基于n o i s e 函数与t u r b u l a n c e 函数的实体纹理构造算法 被相继提出 h t 2 0 0 5 c 1 2 0 0 4 】。w o r l e y 对n o i s e 函数进行改进，提出了c e l l u l a r n o i s e 函数， 用于模拟水波与宝石 w o r l e y l 9 9 6 。w i t k i n 和k a s s 应用基本的r e a c t i o n d i f f u s i o n 方程，对 毛发、云雾等多种纹理进行了模拟 w k l 9 9 1 】。t u r k 证明了这种模拟可以直接在多边形表面 进行并实现无缝拼接 t u r k l 9 9 1 。f l e i s c h e r 等实现了鳞状和刺状纹理的仿真 f l c b l 9 9 5 。 w a l t e r 和f o u r n i e r 采用细胞分裂的方法模拟了多种动物的纹理f w f r l 9 9 8 1 。r e u t e r 等提出基 于点的多分辨率表示方法，解决了实体纹理生成的交互问题 r s p s 2 0 0 4 1 。动态纹理技术是指 描述某种动态景观所具有的时间相关重复特征的图像序列，它成功地模拟了云彩、海浪、火 焰等运动的自然景象。例如，在云彩合成方面，提出了多种合成方法以生成各具特色的云彩 运动效果 e s 2 0 0 0 】 h l 2 0 0 1 s s e h 2 0 0 3 。对于海浪的动态纹理合成，也从不同的应用要求 提出了多种生成算法 x s l l q l 9 9 6 】 g p w j m l 9 8 7 】【p a 2 0 0 0 】【e m f 2 0 0 2 。过程纹理的研究主 要是集中在新的纹理函数模型的开发上，然而到目前为止，有效的函数模型种类仍然十分有 限，还没有办法获得一个统一的模型以生成千姿百态的自然纹理。 1 3 2 实体纹理的生成原理 第一章绪论5 1 9 8 5 年p e a c h e y 和p e f l i n 各自提出了实体纹理的生成方法：首先将景物定义成平面、椭 球面和曲面集，然后将景物的三维实体纹理函数直接定义在三维空间，最后通过空间嵌入来 获取表面的纹理颜色。对于一般的景物表面，其表面纹理属性同样可由该表面与三维纹理场 的交来确定。实体纹理函数均为解析表达的数学模型，它能够用一些简单的参数来逼真地描 述一些复杂景物的自然纹理细节，就其本质来说，它们属于经验模型。实体纹理的优点是能 够很好地模拟木料、大理石之类材质，并能保证纹理在各个面之间的连续性。通过三维纹理 函数实现从纹理空间到三维景物空间的映射，纹理映射关系简单，容易实现纹理反走样。经 过多年发展，实体纹理函数种类日渐丰富。下文仅对较为经典的木材与大理石实体纹理生成 方法作一简要介绍。 1 9 8 5 年，p e a c h e y 用一种简单的三维纹理函数首次成功地模拟了木纹的纹理效果。其基 本思想是采用一组共轴圆柱面来定义体纹理函数，相邻圆柱面之间点的纹理函数值交替取为 “明”和“暗”。这样，任一点的纹理函数值可根据其到圆柱轴线所经过的圆柱面个数的奇 偶性而取为“明”和“暗”。为克服木纹函数过于规范的缺陷，p e a c h e y 引入扰动、扭曲和 倾斜三种简单操作，使生成的纹理更加逼真 三维噪音函数是一个以三维空间点位置作为输入，以一随机标量作为输出的函数，并满 足旋转统计不变性、平移统计不变性和频率域上带宽很窄等性质。p e d i n 通过对一系列三维 噪声函数的叠加，构造了模拟湍流函数的经验模型。湍流函数不能直接用来模拟自然纹理， 但它的随机性和自相似性可较好的描绘自然纹理的不规则性。对于大理石纹理，可选取简单 的函数描述纹理的基本结构特征( 通常这些函数应当是连续的且具有变化较大的一阶导数) ， 再用湍流函数扰动基本函数中的某些参数，便可产生复杂的纹理细节。此外，湍流函数的随 机性与自相似性还可用于模拟云彩、树木等自然现象，以及表示凹凸纹理、透明度等各种颜 色属性的不规则性。 1 4 基于样图的纹理合成 1 4 1 概述 基于样图的纹理合成( t e x t u r es y n t h e s i sf r o ms a m p l e ) 是当前计算机图形学的一个研究 新热点。给定一个小块样本纹理，采用纹理合成技术可以生成和这个小块纹理视觉效果类似 的大块纹理，且大块纹理中不存在明显的接缝和图案的重复感。基于样本的纹理合成技术也 可以直接在三维表面合成出与小块纹理图像相似的纹理，避免纹理映射产生的走样。相对于 过程纹理合成技术来说，基于样图的纹理合成方法完全不需要调节复杂的参数，十分简单， 效果更好。该技术在真实感绘制、计算机动画、数据压缩、图像修补和特殊效果生成等领域 具有重要的应用前景。 基于样图的纹理合成早期受到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f h b l 9 9 5 】。p o r t i l l a 和s i m o n c e l l i 在 p o r t i l l a 2 0 0 0 提出了纹理统计参数模 型，将输入纹理图像进行复小波分解，取得了很好的效果。这是迄今为止最好的纹理统计参 数模型。e f r o s 和l e u n g 在1 9 9 9 年的1 c c v 会议上提出一种非参数采样的纹理合成算法 e l l 9 9 9 ，接着w e i 和l e v o y 对它进行了改进 w l 2 0 0 0 ，采用多分辨率模型进行匹配，利 6套肥工业大学博士学饿论文 用矢量鬣化方法极大地加遽了合成过程。a s h i k h m i n 程2 0 0 1 的提出了一种简洁的算法，对 塞熬绞瑗获德了受好豹处理效果 a s h i k h m i n 2 0 0 1 。溉汪大学瓣徐浇剩簿 x y m 2 0 0 2 提出了 - - ；f q , 多种子纹理食成算法，可进一步加速合成过程，还可合成沿指定方向变化的纹理。猩 2 0 0 1 年的s 1 g g r a p h 会议上，e f r o s 提出一种基于块缝合的纹理合成算法 e f 2 0 0 1 ，对多种 类型的纹理都取得了非常好的效果，合成速度 e 上述基于象豢点静台戒方法毒大幅度提离。 w e i 、t u r k 与y i n g 间在2 0 0 1 年把基于像素点的二维纹理合成方法推广到了曲面情形 f t t t r k 2 0 0 11 w l 2 0 0 l y i n 9 2 0 0 1 ，镶 1 l 蠢l 在三维表嚣定义了矢鬃场，采攫多分辨率方法，挺 高了纹理合成质鬣。2 0 0 2 年，s o l e r 等人扩展了基于块的二维纹理合成方法，并应用到三维 发葱 s c a 2 0 0 2 。嗣年，t o n 譬等人提出了在兰维表面会成双魁纹理函数驹算法 t o n 9 2 0 0 2 ， 它可以袋现出在不同光照方向和视线方向下级理的变化情况。z h a n g 等人在2 0 0 3 年提出了 在任意量维表面台成渐变纹理的算法 z h m 】9 2 0 0 3 ，阁于模拟纹理在三维表面上的朝向、形 状与颜魏的渐交璇象。为了更好建控铡绞理合成逶程，满足爝户霹绞莲瓣洼嚣控豫l 要求，最 近几年相继提出了多种基于三角块匹配的