第14讲--纹理及纹理映射.ppt

第14讲纹理及纹理映射 解决计算机生成真实感图象缺乏现实物体表面细节的问题 真实感图形学 纹理及纹理映射 用简单光照明模型生成真实感图象 由于表面过于光滑单调 反而显得不真实现实物体表面有各种表面细节 纹理木材表面的木纹建筑物墙壁上的装饰图案桔子皮表面的皱纹一般地讲 利用纹理映射可以在不增加场景描述复杂度 不显著增加计算量的前提下 大幅度地提高图形的真实感 纹理及纹理映射 纹理及纹理映射 纹理概述二维纹理域的映射三维纹理域的映射几何纹理目前技术状况 1 纹理的概念纹理 Texture 把局部不规则而宏观有规律的特性称之为纹理 纹理图像 以纹理特性为主导的图像 常称为纹理图像 纹理概述 2 纹理的分类基于纹理的表现形式 纹理可分为 颜色纹理 和 三大类 纹理概述 2 纹理的分类基于纹理的表现形式 纹理可分为颜色纹理 几何纹理和过程纹理三大类 纹理概述 纹理的分类颜色纹理 通过颜色色彩或明暗度的变化体现出来的表面细节 如桌面的木纹 墙壁上的装饰图案等 纹理概述 几何纹理 是指基于景物表面微观几何形状的表面纹理 如桔子 树干 岩石 山脉等表面呈现的凹凸不平的纹理细节 纹理概述 过程纹理 表现了各种规则或不规则的动态变化的自然景象 如水波 云 火 烟雾等 纹理概述 3 纹理合成 TextureSynthesis 技术自从70年代中期Catmull首次采用纹理映射 TextureMapping 技术生成景物表面的纹理细节以来 纹理合成技术得到了广泛的研究和应用 其发展也经历了纹理映射 过程纹理合成和基于样图的纹理合成3个主要阶段 纹理概述 1 纹理映射 TextureMapping 纹理映射通常只能在纹理空间和表面参数空间进行一对一的映射 由于采样区域的局限性 所获取的纹理样本通常为小块纹理 若将小块纹理映射到大的曲面上 它将导致映射后表面纹理模糊不清 若采用重复映射技术 则可能出现表面纹理接缝走样等问题 纹理概述 2 过程纹理合成 ProceduralTextureSynthesis PTS 通过对物体物理生成过程的仿真直接在曲面上生成纹理 如毛发 云雾 木纹等 从而避免了纹理映射带来的失真 这种方法可以获得非常逼真的纹理 过程纹理合成效果很好 但也存在不足 对每一种新的纹理 都需要调整参数反复测试 非常不便 有的甚至无法得到有效的参数 纹理概述 3 基于样图的纹理合成 TextureSynthesisfromSamples TSFS 它基于给定的小区域纹理样本 按照表面的几何形状 拼合生成整个曲面的纹理 它在视觉上是相似而连续的 这种技术不仅可以克服传统纹理映射方法的缺点 而且避免了过程纹理合成调整参数的繁琐 因而受到越来越多研究人员的关注 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之一 纹理概述 4 纹理映射纹理映射是把指定的纹理图象值映射到三维物体的表面上的技术 纹理概述 纹理概述 4 纹理映射将在纹理空间中uv平面上预先定义的二维纹理 图象 图形 函数等 映射到景物空间的三维物体表面 再进一步映射到图象空间的二维图象平面上 一般将两个映射合并为一个映射 纹理概述 纹理概述 因此纹理映射本质上是从一个坐标系到另一个坐标系的变换 纹理概述 离散法定义连续函数法定义参数法定义 纹理概述 2 纹理定义 纹理概述 离散法定义 用离散法定义纹理较为常用 它将纹理图象数据定义在一个二维数组中 这个数组可以是各种图形或图象 用这种方法定义的纹理 方法灵活 修改也方便 比较适合于交互式系统的纹理映射显示 纹理概述 连续函数法定义 任何定义在二维空间 u 0 1 v 0 1 的函数均可作为纹理函数 实际应用中常采用一些特殊函数 纹理概述 参数法定义 用一些参数定义纹理模型 纹理模型可以用文本性文件描述 尤其适合于对构成一个场景的各景物定义各自的纹理模型 例如室内布置中对沙发定义呢质纹理 对家具定义木纹纹理 对地面定义大理石纹理等等 纹理使用时 由一个通用的解释程序 它再分别调用相应的过程 对纹理先解释再映射 因此也可以称为过程式纹理定义 3 如何进行纹理映射建立纹理与三维物体之间的对应关系 纹理概述 原始模型 纹理概述 二维纹理 纹理概述 几何纹理 纹理概述 综合 纹理概述 纹理映射的方法建立物体空间坐标 x y z 和纹理空间坐标 u v 之间的对应关系 对物体表面进行参数化 反求出物体表面的参数后 根据 u v 得到该处的纹理值 并用此值取代光照明模型中的相应项 实现纹理映射 二维纹理域的映射 二维纹理域的映射 纹理定义域 物体表面 映射函数要解决的问题 就是在物体表面的参数空间和纹理空间 u v 之间建立映射关系 二维纹理域的映射 纹理映射例子 地板与墙都是经过二维图象纹理映射后的平面 二维纹理域的映射 映射方式 映射方式 三维物体每一个点 x y z 均有一个纹理值t x y z 那么物体空间就可以映射到一个三维纹理空间上了 三维纹理域映射 三维纹理域的映射 纹理空间定义在三维空间上 与物体空间是同维的把场景中的物体变换到纹理空间的局部坐标系中去通过物体空间坐标 x y z 来计算纹理坐标 u v w 三维纹理域的映射 三维纹理例子 几何纹理 为了给物体表面加上一个粗糙的外观 可以对物体的表面几何性质作微小的扰动 产生凹凸不平的细节效果 就是几何纹理的方法 也称为凹凸映射 几何纹理 几何纹理模拟常用的方法大致分为两种 一种是对景物模型进行扰动 即以纹理值作用到物体表面的法向量上影响纹理图案 产生凹凸纹理 另一种是所谓的算法模型 即引入随机变量 通过递归模式对不规则景物几何纹理进行模拟 如分形纹理方法 几何纹理 几何纹理 几何纹理 Mipmap 分级细化映射 技术EnvironmentMapping 环境映射 技术BumpMapping 凹凸映射 技术 目前技术状况 提出 纹理的清晰度直接影响着图像的真实感 要想使3D画面更加精细就必须使用更高分辨率的纹理贴图 微机在进行3D纹理贴图处理时 要先将纹理数据读入显存 所以高分辨率的纹理贴图将需要更多的显存 因此显存容量成为制约纹理精度的主要因素 解决方法 1 纹理压缩2 Mip映射技术 Mip映射技术 思想 通过为同一几何模型提供多种解析度的纹理 并随着距离变化作相应更换 避免在超出人眼感知能力的视距上使用过于精细的贴图 以降低系统资源浪费 Mip映射技术 方法 是将原纹理缩小 为了计算的简便 通常是将原纹理按2的幂次方不断的缩小 Mip映射技术 Mip映射的不足 一般为了减少纹理所占的存储空间 我们只能对原纹理进行有限次的分级 然而多边形与观察者之间的距离却有无数种情况 解决方法 双线性过滤和三线性过滤 Mip映射技术 DevelopedbyBlinnandNewell 1976 ReflectingthesurroundingsonanobjectSimplymaptheenvironmentarrayontoanobjectinrelationshiptotheviewingdirection Itisafastapproximationoftheaccurateglobal illuminationrenderingtechniques 环境映射 Cubemapping sphericalmapping parabolicmapping 环境映射 颜色纹理只能处理颜色 所生成的物体表面仍然是光滑的 在纹理映射基础上提出的BumpMapping方法是一种模拟物体表面粗糙纹理的技术 可以不用对物体的粗糙表面在几何上进行建模就可以改善物体表面的微观结构 如大理石纹理表面雕刻的文字 混凝土墙面等效果 此外 更高级的真实感图形效果如人脸上流淌的汗水也可以通过随时间变化的Bumpmapping来模拟 凹凸映射 EmbossMapping 浮雕贴图 EnvironmentMappedBumpMapping EMBM 环境映射凹凸贴图 凹凸映射 Emboss 浮雕式凹凸贴图 使用一高度图形材质 该材质的每一个像素用来表达表面凹凸高度 这种材质通过光源转换为一个或者多个像素 产生凹凸贴图 这种凹凸贴图结合基本的贴图产生最后的效果 凹凸映射 缺点 1 这种浮雕贴图效果的逼真程度十分有限 难以显示细微的棱角处的反光效果和复杂的多环境光源效果 也无法表现水波和气流等特殊效果 2 难以表现光滑的 明亮的或者反射的表面 比如金属 规则表面或者液体就不行了 3 缺乏实时改变表面高度的灵活性 凹凸映射 环境映射凸凹贴图在计算一个3D场景时 把一个纹理 环境映射 映射到另一个纹理 基本纹理 上 环境映射包含反射和其它多种效果如光源和雾化 这个经过加工的纹理映射包含了材质 当使用到凹凸映射的时候 第三个贴图 凹凸映射 贴到环境映射的那份贴图上 这个方法非常有效 因为凹凸映射为每一个多边形生成大量的纹理像素的信息 因此渲染出来的效果更为真实和漂亮 凹凸映射 1 基本纹理Basetexture2 块映射Bumpmap3 环境映射Environmentmap 凹凸映射 优点 环境映射凸凹贴图可以更精确地建立光照 阴影与表面高度之间的映射关系 从而逼真地模拟了真实环境中的凸凹效果 甚至能生成以假乱真的水波纹效果 凹凸映射 浮雕式凹凸贴图环境凹凸映射处理的图形 凹凸映射 凹凸映射 缺点 1 要求用特殊格式的材质用于凹凸贴图 2 需要一个独立的环境贴图来完成倒影效果 凹凸映射 纹理映射技术是近年来发展最快的3D技术 它已成为大家公认最能衡量3D图像质量的技术标准 各种图形标准都提供了对纹理映射的支持 如 openGL DirectX6 0等 光场映射技术 由Intel公司提出 可能会替代现在的纹理映射技术 这种技术能够根据不同的视角模拟光线反射物体的方式 从而生成更逼真的三维图形 发展前景 练习题 选择题1通过 技术 我们将2D图像数据映射到3D图元上 以增强场景的真实感 A纹理映射B模板C光照D混合2当观察光照下的光滑物体表面时 在某个方向上看到高光或强光 这个现象为 A漫反射B镜面反射C环境光D折射3要得到如右图示的效果 glBegin 函数的类型参数可取为 AGL POLYGONBGL LINESCGL LINE STR