（计算机软件与理论专业论文）基于3d图形防伪图标生成技术.pdf

辽宁师范大学硕十学位论文 摘要 f 脚脚删胛删舢删j 舢 y 1 7 , 9 , , , , , ：5 , , r “1 0 hj r 1 5 t t f lj f l 7 j i l | j 防伪技术的研究与应用既维护了生产者的经济利益，也保护了消费者的权益，同时 打击了制造假冒伪劣商品的不法之徒。防伪技术中的全息防伪技术是在商品图标防伪中 使用最为广泛的，使用该技术制作的防伪图标具有图案精美、立体感丰富等特点，但是 该技术简单，易被不法分子掌握，且防伪标签具有易被仿制以及重复使用的缺点。电码 防伪技术是随着近几年科学技术发展而产生的信息化防伪技术，该技术具有不易仿造、 易识别的特点，但这种防伪技术的防伪编码图案单一。 结合全息防伪与电码防伪技术的特点，提出一种基于3 d 图形防伪图标生成技术， 该技术将商品数字编码结合到3 d 图形上，生成的防伪图标。图标不仅图案看起来更加 精美、更加立体，而且因具有商品唯一的数字编码，不易被仿造。本技术防伪能力强、 操作简单、技术含量高，商品图标的生成与印刷同步进行，避免图标库存而产生的仿制 现象。 在实现数字编码映射到三维模型的局部区域时，将数字编码看作纹理图像，提出一 种中心扩散与中心约束局部区域纹理映射方法。该方法以初始种子面为中心，采用广度 优先搜索方法扩散确定待映射区域，以中心约束方法进行纹理坐标的计算，保证纹理映 射区域中心与纹理图像中心的对应，避免了纹理图像中心在纹理映射区域的中心偏移问 题，映射区域形状也较圆滑，而且同时设置纹理缩放变量，实现对纹理的缩放效果。以 兔子b u n n y 为模型进行了多种纹理图像的映射实验，实验证明方法具有可行性。 关键词：防伪技术；纹理映射；广度优先搜索；纹理坐标 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 t h es e c u r i t yi c o ng e n e r a t i o nb a s e do n3 dg r a p h i c s a b s t r a c t t h ea n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nn o to n l yt om a i n t a i n e c o n o m i ci n t e r e s t so fp r o d u c e r s ，b u ta l s ot op r o t e c tt h ei n t e r e s t so fc o n s u m e r s ，w h i l eah i tt o t h el a w l e s sf a k e s t h eh o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y i nt h et r a d em a r k a n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g yi st h em o s tw i d e l yu s e da n t i c o u n t e r f e i t i n g ，f o r g e r yp r o d u c e d u s i n gt h i sm e t h o dh a sap i c t o r i a li c o n 。t h r e e d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fr i c h ，b u tt h e t e c h n i q u ei ss i m p l ea n de a s i l ym a s t e rb yc r i m i n a l s ，a n da n t i c o u n t e r f e i tl a b e l sh a v ee a s i l y c o p i e da n dr e u s es h o r t c o m i n g s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n r e c e n ty e a r s ，c o d es e c u r i t yt e c h n o l o g yi sa l li n f o r m a t i o na n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y ，b u t t h ea n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g yh a sas i n g l es e c u r i t yc o d ep a t t e r n s c o m b i n i n gh o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g ya n dc o d es e c u r i t yt e c h n o l o g y ， p r o p o s e dat e c h n o l o g yt og e n e r a t eb a s e do n3 dg r a p h i c s t h et e c h n o l o g yw i l lc o m b i n eg o o d s d i g i t a lc o d et ot h e3 dg r a p h i c s m a k i n gt h es e c u r i t yi c o n t h ei c o nl o o k sm o r eb e a u t i f u l ，m o r e t h r e e d i m e n s i o n a la tt h es a m et i m e t h i sa n t i - c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g yh a sh i g hs e c u r i t y c a p a b i l i t y ，s i m p l eo p e r a t i o n ，s e c u r i t yi c o nc r e a t i o na n dp r i n t i n gs i m u l t a n e o u s l y ，t oa v o i db e i m i t a t i o n e db yi c o ns t o c k m a p p e dd i g i t a lc o d i n gt ot h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f t h el o c a la r e a ，d i g i t a lc o d i n gb ea s at e x t u r ei m a g e p r o p o s e dac e n t e r s p r e a da n dc e n t e rc o n s t r a i n tw i t ht h el o c a la r e at e x t u r e m a p p i n g i nt h i sm e t h o d t h ei n i t i a ls e e ds u r f a c ea st h ec e n t e rs p r e a dw i t hb r e a d t h - f i r s ts e a r c h m e t h o dt od e t e r m i n et h em a p p i n gr e g i o n ，a n dc e n t e rc o n s t r a i n tm e t h o db eu s e dt oc a l c u l a t e t h et e x t u r ec o o r d i n a t e st oe n s u r et h a tt h et e x t u r ei m a g ec e n t e rc o r r e s p o n dt ot h et e x t u r e m a p p i n ga r e ac e n t e r ，a v o i dt h et e x t u r ei m a g ec e n t e ri nt h ec e n t e ro ft h em a p p i n ga r e ao f f s e t p r o b l e m ，t h em a p p i n gr e g i o na r em o r er o u n d e ds h a p e i th a sa l s o s e tt h et e x t u r es c a l e v a r i a b l e s t oa c h i e v et h ez o o me f f e c to nt h et e x t u r e b u n n yr a b b i t sa sam o d e lf o rav a r i e t yo f t e x t u r em a p p i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tm e t h o di sf e a s i b l e k e yw o r d s ：a n t i - c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y ；t e x t u r em a p p i n g ；b r e a d t h f i r s ts e a r c h ； t e x t u r ec o o r d i n a t e s 辽宁师范人学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪 仑l 1 1 防伪研究背景及意义1 1 2 防伪技术现状及内容1 1 2 1 防伪技术l 1 2 2 防伪技术的主要形式及其应用领域1 1 2 3 多种防伪技术的综合应用5 1 3 本文主要研究内容6 1 4 本文组织结构7 2 纹理映射8 2 1 纹理映射含义及方法8 2 1 1 纹理的含义8 2 1 2 纹理映射9 2 1 3 纹理映射方法l o 2 2 三维图形开发接v io p e n g l 13 2 2 1 三维图形开发接口o p e n g l 13 2 2 2o p e n g l 的特点14 2 2 3o p e n g lt 作方式与绘制过程1 5 2 2 4o p e n g l 函数16 2 2 5o p e n g l 纹理映射l7 3 三维模型的读入与绘制1 8 3 1 三维模型3 d s 文件格式1 8 3 2 三维模型的读入2 l 3 3 三维模型的绘制2 2 4 中心扩散局部纹理映射2 4 4 1 映射区域的确定2 4 4 1 1 广度优先搜索法确定映射区域2 4 4 1 2 搜索序列扩充调整2 5 4 2 映射区域平面化及纹理坐标的计算2 6 4 2 1 平面投影参数化的映射区域平面化2 6 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 4 2 2 中心约束的纹理坐标计算2 7 4 2 3 纹理缩放2 9 4 2 4 纹理映射效果的影响因素2 9 4 3 纹理映射结果与分析3 0 5 图标生成3 4 6 结论与展望3 6 6 1 总结3 6 6 2 展望3 7 参考文献3 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况4 1 致 射4 2 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 防伪研究背景及意义 随着社会的进步、市场的发展、全球经济一体化进程，为了牟取经济利益，越来越 多的假冒伪劣产品充斥市场，扰乱了正常的市场秩序与发展，严重影响了消费者、商品 生产企业、经营者、政府、国家的利益。因此，商品生产者利用科学技术，在商品中融 入带有验证自身、防止伪造的防伪信息如防伪标签等，既维护了自身的经济利益及市场， 也保护了消费者的权益，同时打击了仿造假冒伪劣商品的不法之徒。 防伪并不是现代市场经济才产生的产物，早在古代社会，人们就开始在书法字画、 瓷器等物品上添加印记来表明物品的作者身份、产地等信息，用以证明物品的真伪。但 在科学技术迅速发展的现代社会，仅仅通过添加印记证明身份是不够的，而且这种技术 简单也容易被仿造，需要通过各种手段方法提高防伪信息质量，使不法分子不易掌握与 仿造。也正是因为市场的需求，防伪逐步成为一个独立的发展行业，出现了专门从事防 伪技术开发和防伪产品设计生产的企业，以及提供防伪服务的公司，他们利用大量高新 技术与科学成果研发具有易识别、难仿造等特点的防伪产品，为商品生产企业提供服务。 1 2 防伪技术现状及内容 1 2 1 防伪技术 防伪技术是用于保护标的物不被复制的特殊技术，具有在一定时限内不被第三者成 功复制的特点。在中华人民共和国国家标准g b t 1 7 0 0 4 1 9 9 7 防伪技术术语中对 防伪、防伪技术、防伪技术产品作了如下定义i l j ： 防伪，防止以欺骗为目的，未经所有权人准许而进行防制或复制的措施。 防伪技术，为了达到防伪的目的而采取的，在一定范围内准确鉴别真伪并不易被仿 制和复制的技术。 防伪技术产品，以防伪为目的，采用了防伪技术制成的，具有防伪功能的产品。 1 2 2 防伪技术的主要形式及其应用领域 为了制作更高效的防伪技术产品，需要应用高效、高端的防伪技术，因此，防伪技 术成为涉及诸多领域的一门交叉科学技术，其中包括光学、化学、物理学、电子技术、 包装印刷技术、数码印刷技术、计算机网络技术、多媒体技术等。随着市场经济和商品 生产的发展，以及科学技术的大量普及，防伪技术的应用领域逐渐从银行、海关、税务 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 等困家社会安全部门领域扩大到烟酒、饮料、食品、化妆品等社会商品、消费品生产领 域。 根据防伪技术在食品包装、标签、票证、印刷等应用领域的不同，防伪技术、防伪 材料等也不尽相同，各国目前应用较多较为普遍的防伪技术主要包括o 】： l 、纸张防伪技术 纸张是中国四大发明之一，纸张防伪技术从在纸张上添加简单标记发展到在造纸时 添加防伪材料。纸张防伪技术主要是指在造纸过程中，通过采用特殊的制作工艺和装备， 在纸张中加入纤维、水印、特殊材料等制作出满足用户需求的具有一定防伪功能的纸张 防伪产品的技术。 因食品、烟酒、饮料、药品、证券、票据等商品及其商品的标签、包装多为纸制品， 因此，纸张防伪技术主要用于烟酒、食品、化妆品、药品以及证券票据的商标、包装上。 同时，纸张防伪技术也应用于书籍、报纸、杂志等印刷品上。此外，纸张防伪技术也是 历来各国纸币防伪中的一项防伪技术手段之一。 纸张防伪技术具有简单、易识别的防伪特点，但单一的纸张防伪技术一旦被造假分 子掌握，则也可以制作出具有纸张防伪技术的产品，因此，纸张防伪技术要在造纸过程 中加入多种防伪技术，并与其他防伪技术相结合，以制成防伪效果更好的防伪产品。 2 、油墨防伪技术 油墨防伪技术，顾名思义就是以油墨作为防伪技术中的基本防伪材料。防伪油墨， 是指在油墨连结料中加入具有特殊性能的防伪材料，经特殊工艺加工而成的特种印刷油 墨。 根据在油墨中加入的防伪材料的不同以及产生的效果，防伪油墨主要有：( 1 ) 紫外 荧光油墨，即在紫外光照射下发出可见光的油墨。包括长、短波紫外荧光油墨，有色、 无色荧光油墨。( 2 ) 同光激发变色油墨，即在可见光照射下发出可见光的油墨。( 3 ) 反 应变色油墨，是油墨中添加的化学物质发生化学反应，使油墨变色，包括压敏变色油墨、 湿敏变色油墨。( 4 ) 热致变色油墨，油墨在加热的作用下发生变色，包括手温变色、高 温变色、变色可逆、变色不可逆等油墨。( 5 ) 液晶油墨，油墨中的化合物因晶格的变化 而使油墨呈现不同的颜色。( 6 ) 磁性油墨、多功能综合防伪油墨等。 各种使用油墨的印刷品，如商品包装、商品标识物、标签、证券、票据、书籍等， 都可以使用油墨防伪技术，使印刷品产生各种不同的变化效果，以达到防伪目的。油罨 防伪技术具有制作成本低廉、实施简单、图案隐藏效果好、颜色可变、色彩鲜艳、识别 方法简单等特点，因油墨中加入的特殊材料的性能、化学成分的复杂性，使得使用油墨 印刷的产品具有一定的难伪造性，但与纸张防伪技术一样，一但其化学成分被不法分子 2 辽j 一师范人学硕十学位论文 掌握，则会降低其防伪的效果，因此，在使用油墨防伪技术时可采用多种防伪油墨混合 印制商品，以达到更好的防伪效果。 3 、激光全息防伪技术 激光全息技术是指利用激光产生两束波长完全一致的单色光，利用光与物质相互作 用时的散射、衍射、干涉等规律，将产生的全息信息记录下来。激光全息防伪技术则是 利用激光全息图像，制作具有防伪效果产品的技术。 激光全息防伪技术在烟酒、化妆品等包装行业有着广泛的应用，实现了包装美观与 包装防伪的结合。激光全息防伪技术主要应用形式有：( 1 ) 激光全息非定位烫印技术。 ( 2 ) 激光全息定位烫印技术。( 3 ) 全息印刷技术。( 4 ) 定位全息印刷。( 5 ) 透明全 息及定位镂空技术。 激光全息定位烫印技术与非定位烫印技术都是将全息图像用烫印技术烫印到产品 包装上，只是烫印的位置不同。定位烫印比非定位烫印难度大，即要求专业的设备，也 要求较高的制作工艺。全息印刷与定位全息印刷都是将全息膜制成全息纸，在全息纸上 进行印刷，区别在于印刷时是否定位。全息印刷技术中全息纸易磨损，定位全息印刷要 求高精度对位。透明全息及定位镂空技术在传统全息产品上进一步改进，制作出具有透 明、镂空效果的产品，既提高了全息图案的精美程度，也提高了技术难度。 激光全息防伪技术既有简单的也有复杂的，既可以单独使用也可以综合使用，其技 术含量高，制作出的产品图案精美不易仿制。激光全息防伪技术不仅可以应用在包装行 业，在国外，激光全息技术也被应用在签证、纪念币上。如瑞士签证上就使用激光全息 微缩文字印烫技术；加拿大将激光全息技术直接应用在纪念币制作上：美国激光全息标 识防伪标贴应用在奥运门票、食品标贴、驾照护照。 4 、条码防伪技术 条码最早是同心圆形代码标识，而后逐渐发展成现在的条形码形式，在扫描技术逐 步发展完善下，条形码已被广泛应用，并获得国际标准。使用条形码的主要目的是为了 便于产品的识别、管理与计价，通过扫描设备就可以获得条码中保存的产品信息。将条 形码与防伪油墨技术相结合，产生不可见条形码，使得条形码具有防伪功能。为了存储 更多的信息以及不易被复制，出现了二维条形码、p d f 4 1 7 码、纸质隐形条码、金属条 码等。 矩阵码也是二维条码的一种，它将图形和数据编码后，转换成一个由黑白小方格组 成的= 维排列的图形。矩阵码存储信息容量更大、矩阵图像大小可调，识别速度快、识 别准确率高。目前矩阵码已被应用到火车票、信件、证件等商品上。 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 尽管条码具有信息存储量大、不易复制等特点，但在识别时，需要专用识别机器， 并且识别时要保证条码的完整，是条码防伪技术的不足之处。 5 、电码防伪技术 电码防伪技术是一种使用计算机编码、计算机网络和高科技印刷技术的综合防伪技 术。用计算机编码技术为每件商品生成一组唯一的的商品编码，并将该编码存储到全国 统一的数据库中，同时采用高科技印刷技术将编码印刷的商品上，印刷在商品的编码是 隐藏形式的，在商品未经消费者购买使用时，是不可以被识别，当消费者购买该产品后， 对产品验证时，才能被使用，并且该商品编码一旦被使用是不可以被再次隐藏的，即一 旦破坏就不可复原。消费者在获得商品编码后，可以通过商品生产者提供的电话或网址 进行商品真伪的验证。验证商品真伪的系统是全国唯一且联网的，商品编码被查询的记 录是会被记录的，查询时，消费者可以知道该件商品是真是假，是否已被查询过。 电码防伪技术是一种科技含量高的、不易被仿冒的防伪技术。商品编码技术是保密 的，即使伪造者获得先进的生产设备，也无法伪造出j 下确的商品编码，同时更无法将该 商品编码存储于全国数据库系统中。电码防伪技术提高了造假门槛、技术含量，同时增 加了防伪技术的便捷性。目前，这种电码防伪技术已被各大服装品牌、高端消费用品的 生产企! 业广泛应用。 6 、其他先进防伪技术 除了上述防伪技术外，还有其他一些先进的防伪技术。 ( 1 ) 射频识别技术r f i d 。它是利用射频方式进行非接触双向通讯，以达到识别 目的，并交换数据。其优点在于唯一编号无法修改及仿造，自身安全性高等。目前国际 上的护照、电子钱包等应用该项技术；在门票防伪应用上，该技术防伪速度快、无需人 工识别、还可以检查出门票是否被多次使用。但因该技术的成本较高，并未得到大量推 广和使用。 ( 2 ) 塑料防伪技术。该技术主要是指防伪产品使用的塑料制品并不是普通的塑料， 而是通过特殊工艺制造的。法国的超薄安全塑封薄膜，即是塑料防伪技术的一种，这种 薄膜具有脆弱且易被撕破的特点，与传统的薄膜制品相反，在去除薄膜时极易被损坏， 且不易找到代替品。澳大利亚应用高科技生产塑料钞票，用以代替纸质钞票，这种塑料 钞票不仅采用纸质钞票的多种防伪技术手段，同时，这种塑料制品本身就是一种不易仿 制的产品，提高了钞票的防伪程度。 应用上述防伪技术制成的防伪标识如图1 1 所示。 4 辽j 。师范人学硕十学位论文 雾嘱爹鬻 - 囡囡 全息防伪标识 高温变色防伪标识 6 9 0 12 3 4 0 0 0 0 0 商品条码标识 0 l i t t l eb e e r 高聚合物激光全息防伪标识 二维条码标识 揭开留字防伪标识 图1 1 防伪标识 f i g 1 1 a n t i - c o u n t e r f e i tl a b e l s 1 2 3 多种防伪技术的综合应用 防伪技术多种多样，单一的防伪技术在短时间内可以达到防止商品被造侣j - 一, j 壹， 但时间一长，商品上的防伪技术办会被造假者掌握，用以伪造商品。将各种防伪技术融 于商品上，不但提高防伪的效果，同时不易造假者掌握其中的防伪技术。以人民币为例， 介绍应用在人民币上的多种防伪技术】。 棼黪罄卷穆穆 惑惑蔼露懋 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 麓色豁聪唯号码 驳印辫f 口誉囊 鼙：， 牵拳曜牧0 掣謇张文亨 孵1 1 蝉 彳i： 釜 。“ j 。逻 。，。i f 0 0 0 0 0 0 0 4 l， 。i f r _ _ ，t ， 、。 髓阳葶露蛙 曩形蘑鞭蟹宰 ，巴室凄囊蔼藤矗窜 臼束婚 赣秘鹫铬曜嘲 - t ：i t 纠冀露辆z 幽黢舰淀 图1 2 多种防伪技术的应用 f i g 1 2 a n t i - c o u n t e r f e i t i n gt e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o n l 、纸张防伪。人民币使用的纸张与普通纸张并不相同，亦不常见。在造纸过程中 加入的材料配比是保密的，这种纸张具有坚韧、耐用、耐水沈等特性。 2 、水印防伪。在人民币上共有两处使用水印防伪技术，一处是图像水印，一处是 数值水印。两处水印图案层次丰富、立体感强，均采用固定水印印刷，不易被仿造。 3 、油墨防伪。在人民币上使用了多种油墨防伪技术，包括光变油墨数字、荧光油 墨数字以及磁性油墨数字。光变油墨数字可以使数字呈现不同颜色的变换，肉眼即可识 别；荧光油墨与磁性油墨用于验钞机的专用识别。 4 、凹版印刷防伪。凹版印刷防伪技术的使用使人民币层次丰富、便于手指感觉、 线条清晰。在人民币上的盲文、毛主席头像等的制作上均采用了这种防伪技术。 5 、文字防伪。在人民币上有几处使用微缩、隐形的文字防伪技术。这种防伪技术 虽肉眼可以分辨，但也需要利用工具才能看得更清楚。 6 、其他防伪。除了上述几种防伪技术，在人民币上还使用了其他一些防伪技术， 如前后面的对印技术，双色号码防伪技术，安全性防伪技术，防复印技术等。 1 3 本文主要研究内容 利用全息防伪技术制作的商品标签，具有制作简单、图案精美、易于识别等特点， 但其防伪技术方法易被不法分子掌握或者仿造相似度较高的标签混淆消费者的眼睛。利 6 辽宁师范人学硕十学位论文 用电码防伪技术的防伪产品，虽然防伪效果比较理想，但通过电话或网络鉴别方法并没 有传统肉眼识别来的简单易行，且防伪图案单一并不美观。 鉴于上述全息防伪技术与电码防伪技术的优缺点，本文提出一种基于3 d 图形的防 伪图标生成技术。该防伪图标技术将电码防伪技术中的商品编码与全息图像防伪技术中 的图像相结合，实现数字编码与3 d 图形的结合，既保证图像的美观，也实现了数码防 伪的功能，同时，使用该项技术生产的防伪图标是当场制作、立即使用，避免了传统防 伪商标因在印刷单位批量生产，而导致的资源浪费、商标被盗、被仿制的现象。 本文提出的这项技术方法是将数字编码看成一幅纹理图像，将其贴合到3 d 图形的 局部，使之与3 d 图形成为一体。消费者在商品标签上既可以看到美观立体的三维图像， 也可以清晰辨识三维图像中的数字编码。商品标签上的三维图像并非是单一的一种显示 形式，三维图像在程序中被旋转显示，因此打印输出的商品标签上将显示不同位置、不 同部位的三维图像。同时，数字编码也是动态变化的，每个商品标签中的数字编码各不 相同，且其在三维图像上的位置也是随机的。 本文对所提出的这项技术方法通过计算机进行实现，主要工作着重在数字编码与 3 d 图形的结合上。在实现该技术方法时，将数字编码用纹理图像进行表示，利用v c + + 6 0 开发平台和o p e n g l 三维图形开发库，结合纹理映射方法与三角网格参数化方法，将纹 理图像与3 d 图形相结合。 1 4 本文组织结构 本文的写作组织结构如下： 第一部分引言。主要介绍防伪技术的研究背景和研究意义；目前国内外各种防伪 技术以及应用领域；本文主要研究内容。 第二部分纹理映射。主要介绍本文研究实现过程中应用的纹理映射基础、纹理映 射方法、开发工具等。 第三部分三维模型的读入与显示。主要介绍三维模型文件格式种类，本文使用的 三维模型文件格式，以及对三维模型的读入与绘制的实现方法。 第四部分中心约束局部纹理映射。主要介绍实现纹理图像与三维模型结合的纹理 映射方法。 第五部分二维图标生成。主要介绍将有纹理图像的三维模型显示转换成二维图像 方法，即印刷前商品标签在计算机中的存储形式。 第六部分总结与展望。对本文的技术方法进行总结，探讨优势与不足之处，并对 以后防伪技术的研究进行展望。 基于3 d 图形防伪图标生成技术 2 纹理映射 2 1 纹理映射含义及方法 2 1 1 纹理的含义 纹理的含义有多种，根据纹理空间维度或定义域的不同，可以将纹理分为二维纹理 和三维纹理。而根据纹理的表现形式的不同，则可以将纹理分为颜色纹理、几何纹理和 过程纹理。在计算机图形学上，则将纹理大体分为图像纹理与函数纹理两类。 颜色纹理，是指呈现在物体表面上的各种花纹、图案和文字等，如外墙装饰的花纹、 墙壁上的字画以及器皿上的图案等等。颜色纹理一般多为二维图像纹理，在使用纹理图 像进行纹理映射时多使用的是颜色纹理即一般的二维图像。 几何纹理，是指基于物体表面微观几何形状的表面纹理，如橘子皮、树干、岩石以 及山脉等表面呈现的凹凸不平的纹理细节，最常用的表现几何纹理的方法就是对物体表 面的法向量进行扰动处理，以此来表现物体表面的纹理细节。对物体表面的几何性质进 行微小的扰动处理，产生凹凸不平的细节效果，这效果可以更好地表现物体表面上的 粗糙感觉。 过程纹理，是指表现各种规则或不规则的动态变化的自然景象，如水流、云和烟雾 等。过程纹理可以处理三维物体的剖面图，如砖块、木头等，它用与物体表面相同的纹 理景象绘制，也可以用其他过程式方法在二维物体表面上建立纹理。 根据纹理的常见类型，也可以将纹理分为：自然纹理，这种纹理一般取自真实物体 的表面，与上述颜色纹理有些相似性，这种纹理具有很强的随机性、不规则性等特点。 人工合成纹理，是指由计算机算法模拟生成的表面纹理，这种纹理形状与分布比较规则。 混合纹理，这种纹理是指将人工合成纹理与自然纹理相混合，模拟出一定效果的纹理。 图2 1 举例显示了各种纹理图像，如墙壁颜色纹理图像，岩石几何纹理图像等等。 謦 ： 辽j 呵币范人学硕十学位论文 1 ) 墙晕颜色纹理图像 2 ) 布艺颜色纹理图像 3 ) 岩石儿何纹理图像 鬻 瓣 鞴 4 ) 木纹儿何纹理图像5 ) 随机纹理图像 图2 1 各种纹理图像 f i g u r e2 1 t e x t u r ei m a g e s 纹理也有自己的区域范围，一般称这个范围为纹理空间。这个纹理空间为l 1 大 小的单位正方形区域，用数学方法表示为( u ，v ) ，u 0 ，l 】，v o ，1 】。我们将( u ，v ) 称作纹理 坐标，用其表示纹理图像上每一点的纹理坐标值。 2 1 2 纹理映射 纹理映射技术也称作纹理贴图技术，它是计算机图形学中应用较为广泛的一项重要 技术。传统的几何造型技术描写表示的仅局限于物体的外观形状，而无法表示物体表面 颜色、粗糙感等微观细节信息。然而，利用纹理映射技术可以通过改变照射在物体上的 光线强度或法向量的扰动等方法描述物体表面的粗糙感，也可以通过将物体表面点与纹 理图像点建立关联，以此表示物体表面颜色、花纹等细节信息。使用纹理映射技术的目 的就是为了更好的模拟三维物体表面精致的、不规则的颜色纹理。纹理映射技术被广泛 应用于三维造型交互设计和动画游戏纹理绘制。纹理映射技术可以实现三维模型整体的 表面纹理，也可以通过局部纹理映射技术实现对模型局部细节的描写或替换，如花瓶花 9 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 纹的添加与修改、物体的局部破损与腐蚀、动物身体分布不均的斑纹以及复杂地貌的设 计等。 纹理映射是将三维曲面空间与二维纹理空间建立点对点的映射关系，即确定三维曲 面点坐标( x ，y ，z ) 与纹理坐标点( u ，v ) 的映射关系。图2 2 以简单的j 下方形为例，在三维空f b j 绘制一个平面j 下方形，将这个正方形看做房子的一面墙，通过纹理映射，为这个正方形 的每个顶点分配j 下确的纹理坐标点，就可以将纹理图像绘制到正方形上，从而可以表现 墙壁表面的图案。而如果坐标分配的不正确，则会使墙壁产生不真实的感觉。 ，7 f ，j ( o 0 ，i 0 ) v 轴 群罨焉4 鬻镧 霪l 嘲碜二 瓤蟹 懒簿彰i 蹩_ 一：i ：i 礤i j 。： ， i 黪t ：二：l ，j 。 参i i 匿甓j 融。笋- 翥 鳞b l ，。“一i 一。覆 藤 ? ! ；* 霪4 t 孓蛾习 瞄随础盆文撼主。磁螭。j i 奴幽溢 图2 2 正方形的纹理映射 f i g u r e2 2s q u a r et e x t u r em a p p i n g 2 1 3 纹理映射方法 纹理映射的关键就是确定物体表面点对应的纹理图像的坐标点，因此纹理映射中确 定三维曲面点与二维纹理坐标点的对应关系是重要的。纹理映射方法最早是由美国人 c a t m u l l 于1 9 7 4 年提出的，主要是使用物体本身的参数化信息进行纹理映射，这种方法 虽然简单，但是增加了绘制图像的真实性，对纹理映射的研究及应用也逐渐增多【1 2 - 1 8 1 。 本小节通过规则曲面与非规则曲面两个方面介绍各种纹理映射的方法。 l 、规则曲面纹理映射方法 规则曲面是指可以用简洁的曲面方程表示的二次曲面，如球体、圆柱等就属于规则 二次曲面。这种可以使用二次曲面方程表示的规则曲面，在进行纹理映射时，可以使用 1 0 辽j 呵币范人学硕十学位论文 二次曲面方程表示中的参数，通过一系列转换计算，建立三维曲面点坐标与二维纹理点 坐标的映射关系l 憎之引。 根据曲面方程参数转化计算纹理坐标的纹理映射方法，因纹理坐标计算方法及纹理 不变形准则的出发点不同，最后形成的纹理映射效果也不同。 以球面纹理映射为例，传统的整体球面纹理映射( 图2 3 1 ) 仅仅将纹理图像的水 平线与球体的经线对应，垂直线与球体纬线对应，计算出球体上的点与纹理坐标的简单 换算公式，使用这种方法得到的纹理映射效果比较简单，使用棋盘格纹理图像进行映射 时，可以看出球体上纹理方格的面积大小不一。 1 )2 ) 图2 3 球体纹理映射 f i g 2 3s p h e r et e x t u r em a p p i n g h a l l 等人基于纹理不变准则出发，提出了一种基于等面积的纹理映射算法，根据该 算法计算得到的纹理坐标，在进行棋盘格纹理映射时，可以看出，与传统映射方法相比， 棋盘格的面积基本保持不变( 如图2 3 2 ) 。 尽管h a l l 等人对球体整体映射进行改进，但其方法仍然存在极点处纹理汇聚现象。 b i e r 等人提出了一种基于立体投影的半球面纹理算法，该方法将圆形二维纹理图像映射 到半球面上，这种方法使纹理中心与球体极点中心对应，而纹理图像的边缘位于球体赤 道上，解决了纹理在球体极点汇聚的问题。 从纹理不变形的准则考虑，江巨浪等人【2 3 2 4 l 在总结前人研究基础上，提出了一种球 面局部区域纹理映射算法，算法实现将圆形纹理图像的中心与球体极点对应，并通过改 变角度值改变映射区域范围，纹理变形小，纹理映射质量较高。 2 、非规则曲面纹理映射方法 基丁3 d 图形防伪图标生成技术 非规则曲面是指并不能像规则曲面那样用简洁的曲面方程表示的曲面，因此，在对 非规则曲面进行纹理映射过程中，如何建立非规则曲面上的三维点与纹理平面二维点之 间的对应关系则显得至关重要。 针对非规则曲面不易实现方程参数化的纹理坐标计算的纹理映射方法，1 9 8 6 年b i e r 和s l o a n 等人【2 5 】提出了两步纹理映射算法叫w op a r tt e x t u r em a p p i n g ，用以解决这个 问题。两步纹理映射算法的主要思想是引入一个中介曲面，该中介曲面可以是平面、圆 柱面、球面、立方体面，将纹理映射过程分为纹理图像平面到中介曲面的映射过程 即s 映射，中介曲面到物体表面的映射过程即o 映射。在s 映射过程中，根据中 介曲面选取的不同纹理映射效果也有所不同。在0 映射过程中，存在有反射光线法、物 体法向量法、物体中心法、中介曲面法向量四种映射方法，而根据选择这四种的映射方 法的不同，纹理映射效果也有所不同。同时，四种中介曲面的选取与四种o 映射方法的 不i 司，映射效果又有1 6 种不同的效果。文章针对每种方法都进行了介绍，同时也给出 了相应的映射效果图。 虽然两步纹理映射方法的提出，解决了非规则曲面不可通过方程参数计算纹理坐标 的纹理映射方法，但两步纹理映射方法也存在问题，如中介面的选择只有越接近物体表 面时，纹理图像的映射效果才会更好；又如纹理映射会产生较大的纹理变形等。 在三维空间中，非规则曲面的三维模型一般是由一系列点、线组成的三维网格表示 的。因此，对纹理映射的研究也转向了三维网格的研究。在三维网格研究中，三维网格 参数化在计算机图形学、计算机辅助几何设计和数字几何处理等方面有着广泛应用，如 网格重构，曲面拟合，三维网格编辑、网格m o r p h i n g 、纹理映射和纹理合成等【2 缸3 4 j 。三 维网格参数化是指通过分片线性映射得到一个与之同构的平面三维网格，其目的在于获 得三维网格曲面与二维平面域的一个映射关系。 在三维网格参数化的方法中，比较典型的有f l o a t e r 方法【35 1 、h a r m o n i c 方法【36 i 和 i n t r i n s i c 方法【3 7 l 。f l o a t e r 方法假没三角网格模型分为边界点与内部点，让所有的内部点 成为其一环邻近点的凸组合，求解两个线性方程组得到参数化结果。h a r m o n i c 方法先将 三角网格的边界映射到预先定义好的多边形上，然后通过最小化三角网格的弹性势能来 参数化内部空间点。i n t r i n s i c 方法不需要先固定边界点而通过边界约束得到自然边界的 参数化结果，。f l o m e r 方法、h a r m o n i c 方法只能固定边界参数化，所以比较适合于参数 化具有规则边界形状的网格曲面，i n t r i n s i c 方法由于算法相对复杂，运行时间较长些， 这三种参数化方法都需要解一个大型的系数为稀疏矩阵的线性方程，解方程的方法对参 数化效率也有影响【3 引。应用这三种参数化方法进行纹理映射也被称之为质心映射、调和 映射和保角映射【3 9 。1 1 。此外也有一些不需要固定边界的三角网格参数化方法【4 2 】，如通过 辽宁师范人学硕+ 学位论文 对原始网格增加虚拟边界再应用上述典型方法进行参数化的虚拟边界法；将复杂的三角 网格分割成多个可展面片展平的分割展平法，其代表方法有s o r k i n e 等【4 3 j 提出的局部分 割展平法和s h e f f e r 等【4 4 】提出的基于a b f ( a n g l e b a s e df l a t t e n i n g ) 的整体展平法。前者将 曲面分割成多个可展面片后，在每个区域选取变形最小的相邻三角形进行展平。后者是 整体求解约束的非线性方法，但不能解决多边界的问题。 上述这些纹理映射方法考量的是纹理的变形度，而在有些纹理映射方法，需要考量 纹理图像与模型特征区域的匹配度，约束纹理映射方法实现的就是纹理图像与映射区域 匹配的方法【4 5 柳j 。l e v y 等人最先在1 9 9 8 年提出了一种全局参数化的方法，方法实现了 通过等参线定义模型特征约束区域，从而实现特征区域与纹理图像的匹配。但是该方法 的约束范围的定义只限于可用等参线表示的模型特征区域，有一定的局限性。 前述纹理映射方法一是均以整体映射为目标，在实现局部映射时存在局部映射区域 边缘形状不规则以及纹理中心偏移问题：二是实现特征区域纹理映射时，特征区域选取 与特征约束点数量影响纹理映射效果，在实现人脸图像与模型映射时，可以取得较好的 纹理映射效果，但并不适合本文需要实现的简单快捷的纹理映射效果。因此，本文基于 三角网格参数化展平的s o r k i n e 方法，以及球面局部区域方法中球面极点与纹理图像中 心对戍的纹理映射方法，提出一种中心扩散与中心约束的局部区域纹理映射方法。方法 以指定的初始种子面为中心，采用广度优先搜索方法从中心向外扩散确定待映射区域， 但是与s o r k i n e 方法不同的是，采用广度优先搜索方法扩散确定待映射区域时，并不只 选取变形最小的相邻三角面片，而是选取每个种子面的所有相邻三角面片。与选择变形 最小相邻三角面片相比，扩大可选范围，并使选区的圆度更好。同时，在对所选区进行 纹理坐标计算时，采用中心约束的计算方法，保持选区中心与纹理图像中心的对应，与 其他多点约束相比，更加简单方便。纹理映射区域的位置及大小可根据模型三角网格中 选定的初始种子面以及进行广度优先搜索范围确定，映射区域大小可变。 2 2 三维图形开发接口o p e n g l 2 2 1 三维图形开发接口o p e n g l o p e n g l 的英文全称是o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ，其含义是丌放的图形程序接e l ，最早 是由s g i 为图形工作站开发的一个工业标准的3 d 图形软件接口。自从1 9 9 2 年诞生到 现在，o p e n g l 已经成为业内最为广泛使用和支持的2 d 和3 d 图形应用程序接口，可以 在不同计算机平台上丌发出的成千上万的应用程序。o p e n g l 应用领域十分广泛，如军 事、电视广播、c a