紋理映射技術(shù)在三維場景可視化中的應(yīng)用研究

張培培　高順喜

（1上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司上海200072；2上海市地礦工程勘察院上海200072）

紋理映射技術(shù)在三維場景可視化中的應(yīng)用研究

張培培1高順喜2

（1上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司上海200072；2上海市地礦工程勘察院上海200072）

在虛擬場景的構(gòu)建中，紋理映射技術(shù)能快速提高三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境的逼真度和場景繪制效率。在三維場景可視化中，紋理映射技術(shù)主要包括紋理校正、紋理坐標(biāo)系統(tǒng)、紋理映射、紋理反走樣、紋理烘焙等。本文以紋理映射步驟為路線，介紹了紋理映射的原理，紋理映射的步驟，大型三維場景建設(shè)中Mipmap技術(shù)的使用以平衡場景繪制效率和場景真實度間的矛盾，最后以構(gòu)建某校園三維場景為實例，驗證了紋理映射技術(shù)的實用性和優(yōu)越性，總結(jié)了紋理映射的一般步驟和一些實踐經(jīng)驗。

紋理映射紋理坐標(biāo)虛擬現(xiàn)實可視化

1　引言

三維建模和虛擬現(xiàn)實是數(shù)字城市的主要變現(xiàn)形式。目前，很多數(shù)字化場景都是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下創(chuàng)建的具有一定紋理照片的三維場景。紋理映射技術(shù)將豐富的紋理細節(jié)疊加在物體表面上，增強虛擬現(xiàn)實世界的真實感，彌補細節(jié)的不足；通過透視變化，紋理提供了良好的三維線素；同時使用紋理大大減少了環(huán)境模型的多邊形數(shù)目，提高圖形顯示的刷新頻率[1]。

2　大規(guī)模紋理的實時映射

紋理映射作為真實感圖形的重要繪制技術(shù)就是將紋理圖“貼到”光滑物體表面，達到對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體表面精細建模和精確光照計算的同樣效果，不但可以提升建模的效率還可以解決因模型頂點數(shù)目過多導(dǎo)致系統(tǒng)和顯卡運算負荷的不足，從而增加場景的真實性。

2.1紋理圖像采集及糾正

紋理映射技術(shù)中使用的紋理圖可以是任何圖像?，F(xiàn)場實地采集紋理圖片時要求盡量采集非傾斜、明亮的照片。若現(xiàn)場條件有限，可先獲取局部影像資料，再利用后期圖像處理軟件拼接。

現(xiàn)場采集的原始圖像往往存在圖像傾斜、變形、拍攝時相差異導(dǎo)致的圖像色調(diào)不一致等問題不符合貼圖要求，需要對這些相片進行預(yù)處理和正射糾正。其中，預(yù)處理包括對相片的裁剪、均衡、壓縮、無縫拼接等一系列工作；正射糾正是針對像片拍攝的角度、像片變形等問題而做的處理工作。如圖1是采集圖片處理前后對比圖。

圖1　紋理校正

2.2紋理映射技術(shù)

紋理映射的本質(zhì)就是二維紋理平面到三維物體表面的一個映射。將二維數(shù)字紋理視為一個m×n的連續(xù)數(shù)組，坐標(biāo)范圍[0，1]，如圖2所示，將其中的每一個數(shù)據(jù)（RGB顏色以及Alpha值）作為一個紋素。

圖2　一幅256×512圖像的紋理坐標(biāo)與紋理數(shù)組

在建模時為每個頂點都定義紋理坐標(biāo)，s和t取值都在[0，1]。這樣可得到每個頂點對應(yīng)的紋理像素顏色。多邊形內(nèi)部像素的紋理坐標(biāo)在顯示階段由插值得到，從數(shù)學(xué)的觀點紋理映射可用下式描述：

其中，（s，t）、（x，y，z）分別表示紋理空間和物體空間中P點的坐標(biāo)，上式表達了物體空間到紋理空間的紋理映射關(guān)系。

再以此為基礎(chǔ)建立物體空間P和屏幕空間q的映射關(guān)系

式中P和q分別表示物體空間中點P及其在屏幕空間中對應(yīng)的位置q。

具體的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3　紋理空間、景物空間及屏幕空間之間的映射關(guān)系

但這種方法在遇到無參數(shù)化曲面時其映射函數(shù)就很難確定，在實際應(yīng)用中為解決無參數(shù)化曲面的情況，采用兩步法紋理映射技術(shù)，將紋理空間到景物空間的映射分解為S映射和O映射這兩個簡單映射的復(fù)合。首先引進一個包圍景物的中介三維曲面作為中間映射媒介，如球面、圓柱面、立方體等，將二維紋理空間映射到該三維中介物體表面，建立如下的S映射：

再將上述三維中介物體表面上的紋理映射到目標(biāo)景物表面，具體可表示為如下的O映射：

在兩步紋理映射法的基礎(chǔ)上，人們提出了很多改進的方法，如基于能量最小化思想的不同紋理映射算法[3][4][5]、在隱式曲面上通過用戶交互的方式實現(xiàn)紋理的實時映射[6]、過程紋理合成方法[7]等，從不同角度提高紋理映射的真實感效果。場景建設(shè)中可根據(jù)場景對象的不同特點選擇合適的紋理映射方法。

2.3紋理優(yōu)化

采用反走樣、多分辨率紋理圖像等方法優(yōu)化紋理映射效果并提高紋理內(nèi)存使用效率。

2.3.1反走樣

當(dāng)紋理像素分辨率高于屏幕像素分辨率時，為提高圖形加載速率，通常采用普通紋理結(jié)合細致紋理的方法描述近景[8]，其中常用的是Mipmap(Multi-image pyramid Map，Mipmap）技術(shù)[9]，這個方法可在平面像素的繪制過程中實現(xiàn)實時紋理反走樣和支持多級紋理細化映射過程。Mipmap方法相當(dāng)于紋理LOD，利用雙線性插值和三線性插值將低一級圖像每邊的分辨率取為高一級圖像每邊分辨率的二分之一。這樣MipMap就構(gòu)成一個分辨率逐級減少的圖像分辨率金字塔，如圖4所示。其中0層是原始圖片也是分辨率最高、占用內(nèi)存最大的層，每層圖像所占的存儲空間是下一層的四分之一。

圖4　 Mipmap結(jié)構(gòu)和紋理示意圖

2.3.2紋理烘焙

在可視化場景中，人眼更傾向于尋找對象的細節(jié)，因此，為增加圖片的真實感和自然屬性，通常利用紋理烘焙技術(shù)處理映射紋理圖片。紋理烘焙就是將整個空間場景的模型分別渲染成具有全局光照信息的烘焙貼圖，以便更換場景攝像機時可縮短場景渲染的時間。

圖5是某大學(xué)醫(yī)療廢品回收站使用紋理貼圖前后效果對比圖。

圖5　紋理映射及優(yōu)化前后對比圖

3　在三維場景可視化中紋理映射技術(shù)的應(yīng)用

3.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)的整個開發(fā)過程是在Windows XP操作系統(tǒng)和Visual C++6.0平臺下進行的，圖形用戶界面部分應(yīng)用了MFC和Open Inventor圖形庫，最終完成的原型系統(tǒng)可在Windows平臺下運行。

3.2紋理映射技術(shù)在三維場景構(gòu)建中的應(yīng)用

圖6　三維場景可視化效果圖

根據(jù)上述紋理映射的原理與方法，在某三維場景建設(shè)中發(fā)現(xiàn)，紋理映射技術(shù)的利用，可以有效模擬現(xiàn)實環(huán)境，增強場景的真實感。下圖是使用紋理映射技術(shù)的三維場景其中兩幀。

4　結(jié)束語

在三維場景構(gòu)建中場景復(fù)雜度的提高、大量紋理庫存的使用，也會影響系統(tǒng)顯示運行的速度、占用大量CPU內(nèi)存和處理時間，這對場景的可視化效果有很大影響，也會大大降低系統(tǒng)的執(zhí)行效率。因此，需要注意紋理的優(yōu)化、壓縮和裁剪，在保證可視化效果不受影響的前提下，應(yīng)盡可能使用可重復(fù)利用的同一紋理圖片。

[1]施貴剛，程效軍.基于VRML構(gòu)建虛擬校園場景中紋理映射技術(shù)的應(yīng)用.遙感技術(shù). 2007，（5）86～90

[2]E A Bier,K R Sloan.Two-part texture mappings[J].IEEE ComputerGraphics and Application(S0272-1716),1986,6(9):40-53.

[3]B Levy,J L Mallet.Non-Distortion Texture Mapping For ShearedTriangulated Meshes[C] //In:Computer Graphics Proceedings,Annual Conference Series(SIGGRAPH98),1998:343-352.

[4]J Maillot,H Yahia,AVerroust.Interactive Texture Mapping[C]//In:Computer Graphics Proceedings,Annual Conference Series(SIGGRAPH93),1993:27-34.

[5]D Piponi,G Borshukov.Seamless Texture Mapping of SubdivisionSurfaces by Model Pelting and Texture Blending[C]//In:ComputerGraphics Proceedings,Annual Conference Series (SIGGRAPH2000),2000:471-478.

[6]H K Pedersen.Decorating Implicit Surfaces[C]//In:ComputerGraphics Proceedings,Annual Conference Series(SIGGRAPH95),1995:291-300.

[7]林茂庸，柯有安.雷達信號理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[8]張小超，王精業(yè).虛擬場景漫游系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析.系統(tǒng)仿真學(xué)報.2005，vol.17 (4):917～919.

[9]Lance Williams.Pyramidalparametrics.Computer Graphics(SIGGRAPH'83 Proceedings. 1983.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-296-2

張培培（1989～），女，畢業(yè)于同濟大學(xué)，碩士，助理工程師，研究方向為攝影測量與遙感。