（计算机应用技术专业论文）纹理压缩映射与曲面细分的应用研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 绘制技术是将几何模型转变成我们视觉上清晰直观图像的手段，它的研 究内容非常广泛。纹理映射技术是真实感绘制技术、实时仿真以及交互三维 设计等许多重要应用的技术基础，也是计算机图形学本身的一个基础性研究 课题。同时，细分曲面生成技术对于复杂形体建模与绘制问题，以及对于计 算机动画的发展，仍然是一个潜在的发展方向。 本文在“三维场景真实感技术研究”课题的支持之下，结合“交互式三 维建模及物理仿真研究”这个课题，主要集中研究如下五个方面： 1 、为了增加模型的真实感，在有限的纹理存储资源下，使用了基于四 叉树的多分辨率表示方式。纹理组织方式有效地匹配于细节模型，提出了纹 理四叉树的多分辨率选取策略，从纹理结点出发，绘制几何网格。 2 、为了减少纹理数据的存储量，提出了一种基于纹理会字塔的递归门j 缩方法，能有效地减少了纹理数据的存储，并能用于m i p m n p 进行纹理映射 的反走样。 3 、对于拓扑形体的构造，研究了半静态细分算法。该算法弥补了基于 任意拓扑形式的四边网格和三角网格的细分曲面生成等方法的不足，它是静 态细分算法的动态扩展，大大拓宽了细分方法的表示能力。对于该算法在本 文中的使用，使模型的真实效果得到进一步的加强。 4 、基于网格对偶的观点，本文对多边形网格的细分方法进行了研究。 在文中通过改进网格的半边数据存储结构，建立起一个已经实例验证的细分 曲面造型的实验模块，对实用细分造型方法的实现有着一定的参考价值。 5 、基于d j r e c t x 9 0s d k 使用v i r t u a ls t u d i o n e t 来实现了一个交互 式较强的二：维模型操作平台。 关键词：真实感绘制纹理映射纹理m i p m a p 四叉树半静态细分 多边形细分 西南科技大学颂士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r e n d e r i n gt e c h n o l o g yc h a n g et h eg e o m e t r ym o d e l i n t oam e a n so ft h ec l e a r p i c t u r e o no u rv i s i o n t o ，i t s r e s e a r c hc o n t e n t sa r e v e r y e x t e n s i v e 。t e x t u r e m a p p i n gt e c h n i q u e s i st h a tr e a l i s t i c g r a p h i c sr e n d e r i n gt e c h n o l o g y ，r e a l - t i m e e m u l a t i o na n di n t e r a c t i v et h r e e d i m e n s i o no nal o to fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a l f o u n d a t i o n st h a tu s eo fd e s i g n i n ge t c ，i ti sc o m p u t e rg r a p h i c st h a ts t u d i e so n e s o w nb a s i cs u b j e c tf o rr e s e a r c ht o o 。m e a n w h i l e ，s u b d i v i s i o ns u r f a c et e c h n o l o g y t o c o m p l i c a t e dp h y s i q u em o d e l i n g a n d r e n d e r i n g t h e q u e s t i o n ，a n d t h e d e v e l o p m e n t o ft h ec o m p u t e rc a r t o o n ，r e m a i nap o t e n t i a ld e v e l o p i n gd i r e c t i o n t h i st e x ti su n d e rt h es u p p o r to ft h es u b j e c to f ”t e c h n i c a lr e s e a r c ho fr e a l i s t i c g r a p h i c so ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls c e n e ”，c o m b i n et h i ss u b j e c to f ”i n t e r a c t i v e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n da r t i f i c i a lr e s e a r c ho f p h y s i c s ”，a n dc o n c e n t r a t e o ns t u d y i n gt h ef o l l o w i n gf i v er e s p e c t sm a i n l y ： 1 ，i no r d e rt oi n c r e a s et h es e n s eo fr e a l i t yo ft h em o d e l ，s t o r eu n d e r r e s o u r c e si nt h el i m i t e dt e x t u r e ，t h ea u t h o rh a su s e dm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s b a s e do nq u a dt r e et oe x p r e s st h ew a y t e x t u r eo r g a n i z ew a yi si to nd e t a i lm o d e l t h ea u t h o rp r o p o s em u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i so ft e x t u r eq u a d t r e e ，s e to u tf r o m t e x t u r ej o i n t ，r e n d e rt h eg e o m e t r ym e s h 。 2 ，i no r d e rt or e d u c et h em e m o r ya m o u n to ft h et e x t u r ed a t a ，ip r o p o s eo n e r e c u r s i o nm e t h o do fc o m p r e s s i n gb a s e do nt e x t u r ep y r a m i d ，i tc a nr e d u c et h e m e m o r y o ft h et e x t u r ed a t ae f f e c t i v e l y , a n dt h eo n et h a tc a nb eu s e di nm i p m a p a n dc a r r yo nt h et e x t u r em a p p i n gl o s e ss h a p ei n s t e a d 。 3 a st o t o p o l o g i c a l s t r u c t u r eo fp h y s i q u e ，i s t u d y t h e s e m i s t a t i o n a r y s u b d i v i s i o na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc o n t a i nq u a d b a s e da n dt r i a n g l e b a s e d s u b d i v i s i o na l g o r i t h mo ft h e s h o r t a g e s ，i t i st h ed y n a m i ce x p a n s i o nt h a tt h e s t a t i o n a r y s u b d i v i s i o n w i d e nt h ee x p r e s s i o na b i l i t yt os u b d i v i d et h em e t h o d g r e a t l y i n t h e a r t i c l e ，t h i sa l g o r i t h m m a k e st h es e n s eo f r e a l i t y f u r t h e r e n h a n c e m e n to fm o d e la st oa l g o r i t h m 4 ，o nt h eb a s i so ft h ev i e wo ft h em e s hd u a lo p e r a t i o n ，t h i st e x th a sc a r r i e d o nr e s e a r c hb a s eo nt h em e t h o do ft h e p o l y g o ns u b d i v i s i o na l g o r i t h m a n d t h r o u g hi m p r o v i n gt h em e s hh a l f e d g ed a t as t r u c t u r ei nt h ea r t i c l e ，t h ea u t h o rs e t 嚣褰瓣援大学矮童 薛窕生掌位论交蘩 l l 页 u pa ne x p e r i m e n tm o d u l e ，w h i c hs u b d i v i d e st h es u r f a c em o d e lt h a tt h ei n s t a n c e v e r i f i e d ，t h e r ei sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et o t h e p r a c t i c a lr e a l i z a t i o n ，w h i c h s u b d i v i d e st h em o d e lm e t h o d 5o nt h eb a s i so fd i r e c t x9 0s d k w er e a l i z eo d ei n t e r a c t i v eb e t t e r t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l o p e r a t i n gp l a t f o r mb a s eo nv i s u a ls t u d i o n e t k e y w o r d s ： r e a l i s t i c r e n d e r i n g ；t e x t u r em a p p i n g ：t e x t u r em i p m a p q u a d t r e e ；s e m i s t a t i o n a r ys u b d i v i s i o n ；p o l y g o ns u b d i v i s i o n 独创性声明 本入声明瘊堇交戆论文楚我夺 焱导簿撵导下邀雩亍疆究工 挈及取褥夔骚究琏莱。 尽我所知，除了文中特别加以标注和数谢的地方外，论文中不包含其他入已经发寝或撰 写过的研究成果，也不叙岔为获得谣南科技大学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 表承了瀣爨。 签名：聿墨，夕氏曩籁：矽芍季毋眉二名翟 关于论文使用和授权的谎麓 本火突全了鼹嚣囊摹萼鼓丈学有关僚整、傻蘑萼魄论文豹规定，郅：学校有权绦罄学 位论文静笈e p 牟，允诲该论文被查阅耱詹阕；学校掰骧公毒该论文解全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 酶啐互弑导籁镞：承多臁互僻僻z 2 颦 鼯南科技大学颂士研究生学位论文第l 鞭 1 绪论 1 1 课题来源及选题目的意义 ， 谍越来源 本课题来源于中闺工程物理研究院院外基衾项目“三娥场景真实感绘制 技术的研究”。 1 1 2 选题的目的及意义 仿真技术为人们探索宏观世界和微观世界中由于种种原因不便于良接 褒察事甥泌运动变化髋德，提供了可靠的科学依据，在人类发展进步的过程 中它越着懑要静俸瘸。髓着科学技术鲍发震，特剐是近十年来随着魏二鬃了计 算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接阴技术、传感器技术、并行实 时计算技术和人类行为学研究等多项关键技术的虚拟现实( v i r t u a l r e a l i t y ，麓拣￥r ) 按零瓣弓| 入，绘诗箕稷蕊寞技术在霹镄仿寞基礁主瓣避 一步发展带束了契机。 绘制技术是计算机图形学的一个重要分支，它研究的怒如何将几何宠义 的模型变成可视的图像。 囊实藤强形绘辜l 毅术是圈彩学绘裁按术发溪豹结票，它的蘑标是榱掘几 何场景的游型、材质和光源分布，将其转变成跟真实场景在视觉效果上非常 相似的图像，使观察者有身临其境的感觉。在j 琏三十年的时f 自j 里，随着硬件 技术和计雾视图形学鲍寓速发展，爽实感冒形绘制技术取褥了举世瞩鞋熬成 就，并虽已广泛应用予c a d c a m 、计算枫动蕊、虚毅现实、辩学计算可视化 等众多领域，为社会的发展与进步做出了重大贡献。 虚拟仿真是使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。它采用不同媒 侮形态懿遥不圈洼矮夔模型蓉意，建立菠获系绫瘫在运动焱薄弱癸在表溪形 式的虚拟仿真模型，并在计算机上运行，产生定性、定量相结合的系统动态 演变过程，从而获得关于系统的感性和理性认识。 虚拟现实是当静蛉一个热门磷究谋题，它在飞行训练、战! 模拟、计 算撬游戏等许多领域疑有十分广黼的应用蓊豢。真实感强澎绘制技术楚萋予 图形的虚拟现实发展的核心技术之一，直接关系到人机交互速度和图像输出 髑南科技大学硕士研究生学位论文第2 弧 质量。 1 2 国内外研究现状 几卜年来，c a d c a m 技求躲飞速发展，对许多彳亍业蛇设计和生产过程产 生了巨大影蛹，使其爨动纯程度达到了蓊疆未有的高度。藏孝凡械设计方面， 传统的产晶设计通常需蔡制作实物模型来检查设计效果，尤其是那些对外形 美感要求较高的产品，一般要先按图纸制作样晶，再根据榉鼎反映的问题进 行多次修羧，耗费大爱入力、甥力葶嚣辩闼。菪溪矮卖实感黼影显示援拳，爨 可以方便地通过屏幕上疆示产品在各种视角下的逼真圈形，并且可童接在计 算机上对设计参数进行交互修改和绘制，直到满意为止。既可大大减少反复 生产样品的时间，缩短设计周期，也节约了生产榉晶的资愈和人力；在建筑 设蠢一方瑟，建筑帮往往要花费镶大熬精力绘裁效桑蚕，露豢袋矮真实戆强形 绘制技术，不但可以搬这方面的工作交给计算机处理，还可以结合虚拟现实 技术进行建筑物体的虐拟漫游，这样，建筑师和用户在建筑物还处于设计阶 段就可以非卷壹观地了解建成嚣豹终鼹秘内部空间的布置及采光效果篱，徽 到胸育成锈+ 。 计算机动画1 是真实感图形绘制技术的又一重大应用领域。在电影和电 视广告中，骚达到某些特定的效果，往往需要进行许多次的试验和拍摄。那 些楚验缓甏、破坏场嚣鞠霉要动貔聚合懿场瑟不毽令毫影王 笮考翻棼零为 难，而且提高了电影的制作费用，还可能对人员造成伤害。另外，有些事物 和景象更是现实世界无法找到的，比如科幻片减者灾难片，无法实景拍摄。 丽通过计舞机能绘制出具有高度真实感的虚拟场景，这些困难就都可以方便 遗瓣狭。露| 噩说，奏实感鹜彩绘割技术给影携工 乍者帮艺术家疆禊了一令辱 情发挥想象力的舞台。 科学计算可视化燃当前的另热门课题，它已在医学、地球科学、灭文 兹理、化攀、撬棱工稷等诲多方甏段褥了巨大簸靛，将大撤工程技术人员秘 医务人员从大量繁琐的数据中解放蹬来。真实感图形是科学计算可视他的输 出手段之一，绘制质量将直接关系到工程技术人员对原始数据的理解和医务 人员对病人病情和病因的判断，具有突出的现实意义。 奏实戆銎影绘铡技术豹应爱镁域巷霉广瓣* ；，宅熬影稳歪逮速缝囊工、韭 生产和社会生活的各个领域渗透。可以预料，在未来社会攀它必将发挥更为 重要的作用。 槲南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 3 本论文的主要研究内密及安排 本论文主要是以“三维场景舆实感绘制技术的研究”军耳研项目为主线， 对虚拟现实技术的重要组成部分一一真实感绘制中的纹理! 】；| 占图和曲面细分 开展了部分研究工作。全文大致霹分为三个层次，第二章，簿在介绍真实感 淘形技术的基本知识鞫实时绘制静籀关疆述，弼时对开笈此辩疆项疆掰傻掰 基本工具的基础知识给予介绍，为下面的科研奠定了基础，指明了研究方向： 后续两章分别围绕此科研项目中使用的关键技术进行论述；对于最后 章， 在系绞握懿涎指导下，对璜曩模块遴行了实臻，在论文的簸后绘出了本豢论 文的结论。 第二章介绍了真实感绘制技术綦本组成的相关概述。同时对真实感技术 的重要组成部分一一纹理映射的基本方法进行了简单的分缨，对不同方法的 淼理竣及各释纹理掰袭蕊毒豹毅鬃遴行了麓警瓣淡胡。遘掰对实露绘澍技术 作了相关的介绍，同时给出了实时绘制真实感阁形较好的解决办法。在真实 感图形绘制的过程中，优秀的图形开发工具包( s d k ) 在项目制作过程中具 有比较重黉的佟用。激震说明了囊实感绘制按术应臻的广阔露景。 第三章对保存绞瑾的因叉树避行了介绍，同时针对纹理映射中後拜j 的 m i p m a p 技术进行相成的改进，同时使其与四叉树技术进行相应的结合，阐 述了关于纹理m i p m a p 四叉树的生成以及为了加快映射速度所运用的压缩技 术，露时怼予纹理匿缝蓊莓要注意麓润邃遂霉亍了谈弭。分辑了s 3 t c 以致矢量 量化的l b g 压缩方法；进而对压缩纹理m i p m a p 四又树的实现进行了阐述。 对提高纹理映射后的模型在进行相关操作过程中，能保持较好的真实效果。 第四章关于模型的曲面细分进行了相关的探索和研究。蓠先阐述了藏匿 缨势豹蓥率概念秘方法，同时对绣分懿特点氇滋 亍了说鹤。在话统静缭分方 法基础上，重点对半静态的细分方法进行了探讨，继而引出了关于多边形细 分方法的研究。对细分曲面绘制中使用的半边数据结构进行了分析，并提出 了改进接壤，浇明了怼予模型细分应耀的可行瞧。 第五鼹对于三维场景真实感系统的开发，在系统框架的指导下，采用面 向对象的软件丌发技术，在v is u b ls t u d i 0 n e t 工具中利用d ir e c t x 的s d k 作为图形日 擎进行开发，对纹理m i p m a p 四叉树的映射给予实现：同时该系 统鞋改逶熬半逮数器绥稳兔基毯，黯菡瑟绥分疆块绘予了实现；遘悉凝掇系 统框架结构，完成了系统其他的相关功能。 最后为本文的结论。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 2 真实感图形及实时绘制技术概述 2 1 真实感图形相关技术概述 真实感图形学是计算机图形学中的个重要组成部分，它的基本要求就 是在计算机中生成三维场景的真实感图形( 或图像) 。真实感图形绘制作为 计算机图形学中的一个重要内容。早在1 9 6 7 年，计算机绘制真实感图形就 被提出，只是由于当时计算机运算速度慢，图形显示设备功能差，造价高， 使其发展和应用受到了定程度的限制。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、消除隐藏丽及可见面光亮度计算等等的步骤。 近三十年束，随着计算机硬件技术的飞速发展，真实感图形绘制技术1 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，真实感图形绘制技术也随 之同益成熟。 在真实感图形绘制技术中，纹理映射( t e x t u r em a p p i n g ) 是绘制复杂场 景真实感图形最为常用的技术，模型可以通过纹理来表达表面丰富的几何细 节和光照细节，甚至可以通过映射纹理后的模型变形来表达它的几何形状。 2 2 纹理映射原理 e e c a t m u 于1 9 7 4 年首先提出来了二维纹理映射方法，即将在纹理空 f 刚中定义的二维纹理，经过对象空问( 三维空间) 的变换与图像空间的二维平 面进行对应。就是将给定的纹理图像映射到物体表面上二，通常是从纹理空| 白j ( “，v ) 映射到屏幕空间( x ，y ) ，这种映射通常分两步进行：从纹理空间到物体 空间的坐标变换：从物体空间到屏幕空间的坐标变换。 图2 1传统纹理映射的几何关系 f ig2 1g e o m e t r yr e ia t i o ro ft h etr a d i t i o n a l 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 在实现过程中，有两种扫描方式：一种是对屏幕 二的每一像素，通过逆 映射的办法寻找到物体空间上的一点，通过物体空间中的点再在纹理表中寻 找相应像素点，取得纹理值经滤波后显示该像素，这是一种逆透视的过程， 也是实时纹理生成系统采用的一种方式。另一种扫描方式是对纹理表均匀扫 描，直接映射到屏幕空间。 这种方法的主要缺点是均匀的对纹理空间采样并不能保证屏幕空间上 的采样也均匀，因此在实时纹理生成系统中很少采用。 2 3 纹理映射的基本方法 纹理的表现形式不同，纹理映射的方法也是完全不同的。以下分别对颜 色纹理、凸包纹理、环境纹理及过程纹理的映射方法进行一个初步的介绍。 2 3 1颜色纹理映射 颜色纹理属于二维纹理，是一种将预先定义好的纹理图案贴到物体表面 的方法。为了把二维的纹理图案映射到三维的物体表面，必须建立物体空问 坐标( x ，y ，z ) 与纹理空间坐标( “，v ) 之间的对应关系。计算机生成图形时，常 用的除了平面外，还有球面、柱面等二次曲面和参数曲面。对于以上曲面， 很容易得到曲面的参数表示形式。在纹理映射时将曲面的参数与纹理坐标等 同起来，建立曲面上点坐标( 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 计算机图形。对难以参数化的多面体表面或自由曲面，纹理映射需要分解为 两步进行：先选择一个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的表面。 2 32 凹凸纹理映射 凹凸纹理映射是将有凹凸感的纹理映射到物体表面上。与前面的纹理映 射方式不同，它是通过对表面法向量进行扰动，以产生凹凸不平的视觉效果。 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值。如果用 f ( “v ) 表示纹理函数，映射前光滑表面参数函数为p ( “，v ) ，映射就是在物体 表面上的( “，v ) 处做如下操作，得到新表面位置尸： 西南科技大学颂士研究生攀位论文第6 鞭 p ( “。v ) 一p ( “。v ) + f ( ”，v ) n ( ”，v ) ( 2 1 ) 式中n ( u ，v ) 是表蠹款法懿量，逶造对尹蛾v 戆瑟令镶导数拳叉鬏可 霉弱瑟处 新的法向激，近似地表示为下式： n ( “，v ) = ( “，v ) + d ( “，v ) ( 2 。- - 2 ) d 一凡( + p ，) + r ( n 8 民) ( 2 - 3 ) 其中，d 为糖动向量，民，只是纹邋函数f ( u ，v ) 对1 1 、v 静镳静数，只、筏是函 数p ( “，v ) 对参量”、v 的偏导数。 因此，实际计算时，只需计算f 的偏导数凡与风即可求出扰动后的法向 量。黠袭瑟法囱量馋了逶当的考| | i 渤爱，弱改嶷嚣匏法自鬃遘牙明蹬鲶疆， 就能使原本安全平滑的表面，产生姻凸不平的视觉效果。如图2 2 。 图2 - 2 凹凸贴闰 f i g 2 2b u m pm a p p i n g 2 3 3 环境纹理映射 环境贴图( e n v i r o n m e n tm a p p i n g ，e m ) 也称为反射贴圈( r e f l e c t i o n m a p p i n g ) ，在基嚣上露戳对反袈效豢遴嚣穰好熬运强，舔凌辩图( g 麓) 方渡罄 从一束柬离视点的射线出发，到反射体上的一个点终止，然后这束射线以这 个点处的法线为基准进行反射。环境贴图( e m ) 并不像射线跟踪那样要找到与 最近表西的相互位置s7 ”，两是将反射向量的方向作为包台这个环境图像救 索弓 ，甏从粳点处疆察一个镑体，可以姨褪点( # ) 积法线( 摊) 中诗算出反掰肉 量( ，) ，这个反射向量可以对环境表示进行访问，可以通过使用某个投影函 数将反射向量( x ，y ，z ) 转换为纹理图像的坐标( “，v ) 值，从而计算出访问信 息，其中键灞绞理坐稼( u ，v ) 焦寒避行纹理数摇瓣检素。妻鞋隧2 。3 骶示。 褥南科技大学硕士研究生学位论文第7 贞 图2 - 3 环境贴圈 f i g2 - 3 e n v ir o n m e n tm a p p in g 糠 环境嫩图近似假设进行反射的光源和物钵都位于很远的位置，嗣对反射 体不会反射自身。如果这些假设成立，就可以将反射体周围的环境看成围绕 它的一个：二维投影。 雏冀法懿步骤麴下： ( 1 ) 对后者加载一幅能够表示环境的二维图像( 环境图) 。 ( 2 ) 对于包含反射物体的每个象素点来说，计算这个物体表面在该点处 戆法线方肉。 ( 3 ) 攒据褪向量酾法线诗算蔽旁寸向量。 ( 4 ) 使用反射向量计算一个环境图索引，用来表示反射方向上的物体。 ( 5 ) 使用环境图中的纹理元素数据对当前蒙素进行着瞧。 霉爱戆实理环境鬟鑫强方法是遴过霹一会瑾您夔爱鬟球黪透行聂瑟蕊察 而得到的环境外观，豳此也将这种纹理称为球撷图。当观察者从球体的无限 远处观察时，包古这个纹理的理想反射球体被加载在虚拟环境中，反剩球面 的作用就魑展现在球体前面的整个环境，它将每个反射方向投射到球露二二维 图豫上酌个点。如豢希望送行稳爱翡操 乍，蠢就是绘定球露銎上豹一个点， 希望得到相应的反射方向。对此，可以得到这个点处的球颟法线，然后蒋生 成反射方向。因此，为了得到这个逆过程，并得到点在球面上的位置，就需 要先褥到球嚣上兹表露法线，随爱簸可鼓褥到绞理坐标( 致v ) 参数，献蠢耀它 秆】来访闷球面强，琢滟图如图2 - 4 ，效果图如潮2 5 。 帮一 娃参 e 、 反裹 港 西南科技大学硕士研究生举位论文第8 贸 冀玲 二鲆二i 卜x 枷 ( 0 ，0 却纛r 彳“一f 洲j 铲衰意 l| 舻赤i 墅2 - 5 模型麴嚣壤羧瓣 f ig 2 - 5e n v ir o n m e n tm a p p ir i go fm o d e 这萃中方法的缺点怒，只要观察方向改变，纹理匿像必须要被重裁计算 瞧是这释婺求寝仅舒j ( 雩没有跨豫缨分多边形豹肇一纹理强缳。 2 3 4 过程纹理映射 过程绞理矮子三缎纹理。过程纹理映鸯砉藏避将三维的绞理函数映射翻三 维物体上。也就是说在物体的内部也会受到纹理的影响。例如，木材和大理 石块的纹理，需要考虑每个相邻面的纹理映射，通常每个面分别进行颜色 纹理映射时，篷予瑟熬迭器处纹邂不连续，往往缀难表褒蠢巍然皱纹瑾，在 这种场合定义三维的纹理函数进行立体纹理映射是非常有效的。用过程纹理 模拟物体瀣面细节，能够在非常复杂的曲面上裘现出连续的纹理，且纹理效 鞭南科技大学颂士研究生学位论文第9 贾 果不受物体表面形状的影响，可以很大程度的解决纹理走样问题。例如，在 裁俸本绞效暴时，立体纹理函数可楚单逡蠲一缀共辘蟊犍瑟表示，怒嚣令窝 柱面之间的区域点的纹理函数值交替的取为“明”和“暗”。用这种规则的 简单的立体效果函数，进行三维物体上的立体映射，就可以产生自然的术纹 效果。 2 4 实时绘制技术 2 。4 实时绘制褰实惑藿彩疆瑟錾的润籁 真实艨图形的实时绘制一直是计算机图形举领域的研究重点之一，通常 它采用光线跟踪、幅射度等模拟自然光照物理邀程的方法在计算机上生成逼 真夔图形。它熬跨点楚蒺予咒爨蒙貔搂型寒绘髑，因露诗冀霪废大，避以在 普通p c 上实时处理。从而传统的粪实感图形绘制算法追求豹是图形生成的 质量，对姆帧图像的绘制时间没有严格的限制。 但是随蓠应用镀城的韪益扩大，应用内餐的复杂化秘皮用平台鳃通用 纯，穗统囊实惑簦形绘裁方法静不足越来蘧黉擞，其强形绘麓速疫难以满是 动态仿真、实时交互、科学计算可视化。寻找在现有通用计算平台上对复杂 景物的实时真实感绘制方法，解决绘制算法在速度、质量和复杂度之间越来 越突出的矛鼹，已经蹙诗算枫图形实时绘制镁域露瞧卡分紧逡匏谍嚣。 2 4 2 窳时绘制真实感图形的基本解决途径 一般寒涎，要解决粪实感图形实时绘割静l ；- j 题，可瑷胰疆拿角度寒考虑： 一是提商系统的处理速度，二是减少系统绘制的数据量。基于前者的解决途 径主要有硬件绘制、分布式绘制等；基于后者的解决途径主要有基于纹理的 绘制、传统真实感图形绘制算法的改进以及混合绘制等。从实时性处理的角 凄来说，遮溪令方嚣建鞠赣稳藏翡，撵嵩了系绫煞处理邃浚，无瑟霹苏在实 时性的静掇下绘制更多的数据；减少系统绘制的数据量，也无疑将有利于提 高系统绘制的速度。 硬l 牛绘制是提高系绞处理速度戆有效解决途径之一。嚣翦鲍三维图形卡 大多可以在占雳c p u 浚源极少的麓疆下，实辩戆瑾蓟巍褥能、光照、酒隐、 纹理映射等诸多复杂的绘制过程，因此如何将成熟的图形绘制算法硬件化将 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 是提高系统绘制性能的重要途径。目前硬件绘制领域的研究重点主要是实时 p h o n g 明暗处理、凹凸纹理映射、像素直接绘制与面绘制相结合、整体光照 模型的硬件加速以及光线追踪算法等等。另一方面，a g p 的总线结构和s s e 的流式s i m d 指令集也将系统的处理水平提到了一个新的高度。 传统真实感图形绘制算法虽然难以满足复杂度高、实时性要求强的场 合，但是随着实时消隐技术、层次模型简化技术以及增广像素技术等的进一 步发展，也渐渐有了新的生机。 2 4 3 纹理压缩技术的优势 2431 降低系统带宽需求 纹理压缩的明显优势就是可以把纹理贴图存储在更少的纹理缓存中，使 得超出纹理缓存而不得不放置于主存中的纹理数据大大减少，这样当纹理容 量超出缓冲区时，读取纹理贴图所需的带宽大大减少，从而带来a g p 总线性 能的增强。即使纹理缓存的容量在不断增加，纹理压缩技术的这一优势仍然 是很明显的。 2 4 3 2 装载更多、更大、更高分辨率的纹理 如果纹理太小，物体的表面会显得模糊或呈马赛克状，而较大的纹理则 可以让物体表面表现出更多的细节。纹理压缩使得更多的纹理贴图可以同时 使用，使虚拟环境更加丰富多彩。而且纹理压缩节省的空问可以用来增加显 示分辨率或用作第三缓冲区。更高分辨率的显示可以使图像看起来更加平滑 和细致，第三缓冲区则可以大幅度提高图像显示性能，因为这样引擎可以更 早丌始处理数据而不必等待下一次显示卡的垂直回归周期。典型情况下，第 三缓冲区可以提高性能3 0 左右。 24 3 3 整体性能与图形质量的平衡 采用纹理压缩，提高了系统的整体性能，就不得不牺牲一定的图像品质， 这两者不可能同时兼备。而若为了得到高品质的图像，就需要采用高分辨率 纹理，这样即使在纹理压缩后仍会占用很大的纹理缓存空阳j ，系统的数据处 理负担仍然会很大。所以，纹理压缩技术不是解决实时真实感绘制的根本途 径，它只能在一定程度上缓解这对矛盾。 两南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 灏 2 。5d r e c t x 的捆关概述 d i r e c t x 是m i c r o s o f t 公司开发的运行于计算机平台的多媒体控制处理 引擎，基于d ir e c t xa p i ( 应用程序编程接口) 没计丌发的雾媒体软件，运 行于硬件撼象层 h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ，h a l ) 和磷 孛模拟层( h e l ) 上，它稍两者组台起来一起酾应d i r e c t x 的请袋。鄂充分翻箱了系统琰件的 加速功能，又隐藏了硬件相关的设备特性，通过编写与设备无关的高效代码， d i r e c t x 程序总能以最健的方式运行，因此具有效率高，并且易于丌发的优 点。 圈2 - 6d r e c t xh a l h e l 鼹槐圉 f ig 2 - 6d r e c t xh a l h e ls t r u c t u r e 当d i r e c t x 对象创建时，它将尝询相应的硬件并把参数域入“兼容表”。 强果硬謦熬够提供菜嵇特定戆功筑，镶如，菜黧形臻处瑾器可戮处理籀 枣撩 作，那么d i r e c t x 将会嶷接调用硬件所提供的功能：如果硬件不支持某顺功 能，那么与其等价的巢硬件模拟层( h e l ) 命令将会被调用。如图2 - 6 所示， 硬件抽象层( h a l ) 紧紧地包围了硬 牛层，丽硬传模拟层( h e l ) 则绘程序丌 发a 虽提供了一组登鼗豹、互相独立豹接翻。当燹先避豹磺伟生产壅来之磊， 以前编写的软件将能够自动地利用硬件的先进特性。例如，当i n t e l 推出m m x 技术之后。d ir e c t x 马上实现了对它的支持，这样，用d ir e c t x 开发的游戏程 序都能基动地利用m m x 技术，使程序运幸亍更快。这时髂质要檄鲍仅 叉蹙姨 m i c f o s o f t 戏游戏供应商那晕下载激掰舨本的d i r e c t x ，这样你的游戏就成为 了m m x 技术的优化版本。 d ir e c t xs d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 是m i c r o s o f t 公司提供的用 于开发d i r e c t x 多媒薅疲瑷软锌熬开发工其氢，霞摆了丈彗麓d i r e c t 3 d 、 d r e c t d r a w 、d i r e c t i n p u t 、d ir e c t s o u n d 、d i r e c tm u s ic 、d if e e t p 】a v 、 d i r e c t s h o w 、d i r e c t s e t u p 和d i r e c t xm e d i ao b j e c t s 的a p i 函数。 荫南科技大学弼i 士研究生学位论文第1 2 岚 在进行“三维场景真实感绘制技术的研究”项目开发过程中，手要应用 了关于d i r e c t 3 d 帮d ir e c t d r a w 妥影 擎模块。森下文对这掰拿雩| 擎模块送孬 简单的介绍。 2 5 d r e c t 3 d d i r e c t 3 d3 即d i r e c t x 的三维部分，集成了开发d i r e c t x 程序三维图形部 分的所有a p i 函数。d i r e c t 3 d 由几个层组成，黼级的保留模式层能对复杂的 凡俺物体遴行控制，蕊低级的立郄横式层则 弋袭真正的多边形渲染管道。图 2 7 攒述了就库的管道实现逻辑结构。 圈2 - 7 d lr e c t 3 d 逻辑续掏 f i g2 - 7 0 ir e c t 3 d l o g i c s tr u c t u r e 使用d i r e c t 3 d 的应用程序通过调用d i r e c t 3 da p i 中的特定函数来初始 纯疆目霹蒙，设定模块数凌态( 翔交挨矩瘁、巍潺霹蘩凄的攘述等) ，还蜀 构造执行缓冲( 显示列表) ，其中包含了几何信息，描述交换的命令和必须 执行的进程。执行缓冲遍历执行3 d 变换、光照和光栅处理的管道模块，然后 从另个叫d i r e c td r a w 的库( 受赞帧缓冲存驭) 墨调用酗数。这些模块可 以遘 亍缝软 牛静诗算，毽可以在爨螯硬俘设备辩使溪它。 叭r e c t 3 d 也允许将模块的功能用于渲染之外的其他目的“。例如，我们 可以调用变换模块以在一些建模工作或边界盒计算中转换顶点集。不章的 是，d i r e c t 3 d ( 特剐怒在立即模式中) 经豢无法麸应弱程黪中跨藏它内部工 作细节，遮使得它要遂行大量豹鞠始化工作并维持很复杂的数据结构。 尽管它的接口相对庞大一些，佩d i r e c t 3 d 确实可以提供对很大范围内图 西南科技大学颂士研究生学位论文第1 3 甄 形硬件的统一访问，像鼬模式层可以很方便地对一些简单的圈形应用进行快 速开发。辘饕计算掇拔 术豹飞速发矮，越寒越多戆诗算撬鹾传支蒋雯多、更 好、更快的三维图形擞示效果，利用d if e c t 3 d 开发的实时三维图形已经可以 和电影效果相媲美。 2 5 2o ir e c t d r a w d i r e c t d r a wa p l 支持快速访问计算机视频适配器的加遽硬件功能。它支 持在赝有瓣频适配器上显示图形黪标准方法，势虽使用加遮驱动程序辩可殴 更快更直接建访简。d i r e c t d r a w 为程序( 魏应越环境和二维图形程序俄) 以 及w i n d o w s 系统组件( 如数字视频编解码器) 掇供了一种独立于设备之外的 方法来访问特定显示设备的功能，而不要求用户提供设备功能的其它信息。 2 6 真实感技术的应用 随着计算机图形学和计算机按术的发展，嶷实感图形学在我们的h 鬻王 车、学习器生活中已经骞了菲窝广泛的应蕉。计簿糖赣蘩设计、多媒签教育、 虚拟现实系统、科学计算可视化、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等 许多方面，真实感图形学都发挥了熏要的作用。 乍为燃在不叛发震的虚拟现实技术，其“寝擞”和“瑗实”是一蹲程 互对立的攀物，其中的“虚瓤”攒嗣用v r 技术所产生的蔺部超界并j # 楚真 实的，而怒人造的，鼹虚构的；“王风实”指虽然这一局部世界是人造的，但 它对进入这一局部世界的用户来说，在感觉上娥与进入了现实世界相同。这 些感甏藏稳藏了太翻褒虚数篷器中豹真实感了，因魏真实感图澎绘毒l 技术橡 成了基于潮形的虚拟现实核心技术之一。 2 ，6 。纛撅设计 利用虑拟现实投术帮助人们进行产品设计称之为虚拟设计。由于盛拟设 计技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计实现更自然的人机交互，采 露并行设计工作模式，系统考虑各转因素，使秘关的人员之闻檑互理鼹、相 互支持，掇握了新产菇开发周期的全过程，设计人员瘸一个虚拯的产品寐分 析、研究、检查所设计的产品是否合理以及如何修改，提高了产品设计的一 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 次性成功机率。从而缩短产品开发周期，降低生产成本，提高了产品质量， 给企业带来了更多的商机。 虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过程的 集成，使并行工程( c o n c u r r e n tg n g i n e e r i n g ) 得到充分体现与实施。从而 缩短丌发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能。 2 6 2 学习培训和科学研究 用虚拟现实技术学习既生动又有趣。利用虚拟现实技术可进行各种模型 的装配模拟及操作模拟。用来训练飞行员及汽车驾驶员、运动员等等。而真 实感图形绘制技术是基于图形的虚拟现实的核心技术之一，直接关系到人机 交互速度和图象输出质量，将决定虚拟现实的培训效果。 在科学研究中，人们总会面对大量的随机数据，为了从中得到有价值的 规律和结论，需要对这些数据进行认真分析。例如，为了设计出阻力小的机 翼，人们必须详细分析机翼的空气动力学特性。因此人们发明了风洞实验方 法，通过使用烟雾气体使得人们可以用肉眼直接观察到气体与机翼的作用情 况，因而大大提高了人们对机翼动力学特性的了解。然而通过使用真实感应 用较强的虚拟风洞，可以使工程师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空。t 循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，给工程设计人员一个很好的分析辨别模 拟效果的参考。 2 6 3 仿真技术与虚拟现实技术结合 传统的仿真中，参试者只能从系统的外部去观测计算处理的结果，或是 投入到实际的物理系统中参与联试，不能使参试者完全沉浸在虚拟环境中， 与虚拟环境发生交互作用。虚拟现实技术则为仿真系统提供了新型的人机接 口关系：多通道人机接口与三维人机交互界面。使用户更好与三维世界交互， 产生沉浸感。 2 7 小结 真实感图形的生成过程对纹理映射以及实时绘制技术等关键技术的需 求也来越高，才能在虚拟环境中反映出更高的真实效果。 麟南科技大学碳士研究生学位论文第1 5 灏 真实感图形学非常广泛的应用在我们日常工作、学习釉奠三活中。多媒体 教蠢、鬟叛现实系统、怒影籍按模羧等诲多方蠢，真实惑强形学都发撵了重 要的作用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 纹理压缩的实时绘制 3 1 纹理的实时映射 通过使用纹理使得一个模型具有照片般的真实感，对应用本身来说是相 当复杂的。一种存储纹理的常见处理方法是：把纹理分成许多单元格，将每 个单元格组织成m i p m a p 进行纹理调度。但这种做法缺陷是：当很多单元格同 时可见时，无法将所有的纹理块同时调入纹理内存进行绘制，若进行纹理实 时绘制会降低绘制速度。 对于高分辨率的纹理数据给纹理映射造成的困难体现在于纹理数据的 存储及传输问题。一般说来，纹理数据存储在主内存当中，当需要将其映射 到某一几何表面时，纹理数据通过图形总线送入图形处理硬件中。 图3 1纹理数据映射的实时装载过程 目前，几乎所有支持纹理映射的图形处理硬件都在其硬件系统中设置了 纹理内存来缓存纹理数据以提高纹理映射的效率。当纹理数据的规模大于纹 理内存的容量时，图形处理硬件将无法缓存全部纹理数据，每一次纹理映射 时都需从主存中传输部分纹理数据，因而图形总线传输带宽成为纹理映射的 时间效率瓶颈。特别地当纹理数据规模甚至超过了主内存时，纹理数据将不 得不存放在外存中( 如硬盘设备) ，此时外存与内存的数据传输带宽也将构 成一个