一種基于基元分布的三維表面紋理合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維表面紋理合成方法，尤其涉及一種基于基元分布的三維表面紋理 合成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在計算機(jī)圖形學(xué)中，三維表面紋理合成是在三維表面上直接生成與樣本紋理相似 的紋理圖案，其主要作用是為三維模型添加表面細(xì)節(jié)，從而增強(qiáng)模型表面的真實感。這樣不 僅可以彌補(bǔ)幾何繪制的不足，還可以大大簡化建模的過程。紋理中具有大量重復(fù)的紋理元 素，重復(fù)的紋理元素為紋理基元。
[0003]目前，在三維表面進(jìn)行紋理合成的一種最直接方式是：首先需要獲得一張尺寸足 夠大的紋理圖像，即通過采用二維紋理合成技術(shù)自動生成一張具有任意尺寸的且與樣本紋 理具有相似外觀的新紋理圖像，然后再直接映射到三維表面。但該過程需要對模型進(jìn)行全 局參數(shù)化，而且還可能產(chǎn)生紋理失真的情況，因而會極大地影響三維表面紋理合成的效果。 另一種處理方式是：根據(jù)樣本紋理直接在三維表面上合成新紋理，使得能夠避免直接映射 時所產(chǎn)生的紋理扭曲或者不連續(xù)的問題。這種三維表面紋理合成方式通?？梢匀〉幂^好的 紋理合成效果，但需要在合成過程中對樣本紋理進(jìn)行大量搜索匹配，故合成效率較低。
[0004] Dichler 等人提出的方法（Dischler M. J.，Maritaud K.，Levy B.，et al. Texture Particles. Computer Graphics Forum, 2002, 21:401-410)中首先把樣本紋理分割成一些 基本的紋理元素，然后分析這些元素在樣本紋理中的空間分布，并根據(jù)該分布在三維表面 上對這些元素進(jìn)行重新排列來生成最終的結(jié)果。該方法速度很快，可以通過用戶交互對合 成過程進(jìn)行控制，而且還可以用來合成三維幾何元素。然而，該方法通常沒有考慮不同類型 紋理元素之間的空間相鄰關(guān)系，以及在重組紋理元素時沒有考慮其位置、形狀對紋理合成 的影響。因而，在三維表面重組紋理元素后，合成的結(jié)果中容易產(chǎn)生區(qū)域重疊或較大空洞等 瑕疵，且無法保持輸入樣本紋理潛在的規(guī)律性。
[0005] 基于基元重組的紋理設(shè)計與合成方法提供了一種近似規(guī)則紋理合成方法：從給定 的樣本紋理圖像中進(jìn)行一次基元抽取，之后在紋理設(shè)計和合成過程中將不再需要樣本紋理 的參與；紋理的生成是按照一定的生成模式重組已抽取基元及變形基元的方式獲得新紋 理。該方法能夠很好地解決紋理合成過程中需要參照樣本紋理的問題，通過用戶可控的處 理方式，這使得合成的輸出結(jié)果可以是多種多樣的。然而，該技術(shù)方案僅能實現(xiàn)二維紋理的 合成，如果將合成的紋理映射到三維模型表面，則需要對三維模型進(jìn)行全局參數(shù)化，而模型 參數(shù)化效果的好壞則直接影響最終紋理貼圖的效果。此外，如果通過擴(kuò)展該技術(shù)方案實現(xiàn) 三維表面紋理合成，其中最大的難點在于如何對二維平面鄰域和三維表面鄰域進(jìn)行比較。 另一方面，進(jìn)行鄰域匹配時的窮盡搜索會極大地降低紋理合成的效率。
[0006] 現(xiàn)有的三維表面紋理合成中，特別是在三維表面處理近似規(guī)則紋理時，合成效果 不能很好地保持紋理元素的完整性，從而產(chǎn)生斷裂或不連續(xù)的紋理結(jié)果?，F(xiàn)有的三維表面 合成技術(shù)在合成過程中對樣本紋理進(jìn)行大量的鄰域匹配搜索，造成紋理合成效率低。
[0007] 因此，如何參照樣本紋理的基元分布，在三維表面上直接合成與樣本紋理的基元 分布具有相似外觀的新的基元分布及如何在三維模型局部參數(shù)化的情況下能夠進(jìn)行有效 的紋理映射，從而高效率地、獲得高質(zhì)量的三維表面紋理合成結(jié)果成為亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有的紋理合成技術(shù)中紋理結(jié)構(gòu)扭曲及紋理合成 效率低的問題。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一方面提出了一種基于基元分布的三維表面紋理合 成方法，該方法包括：
[0010] 提取基兀；
[0011 ] 構(gòu)建基兀連通關(guān)系；
[0012] 生成三維模型表面矢量場；
[0013] 構(gòu)建三維模型表面基元分布；
[0014] 在三維模型表面放置基元。
[0015] 優(yōu)選地，所述提取基元的步驟包括：
[0016] 結(jié)合樣本紋理的顏色特征和紋理特征定義相似度量機(jī)制，以準(zhǔn)確地檢測樣本紋理 中所有外觀相似的基兀；
[0017] 采用基于外觀相似的優(yōu)化圖割模型的重復(fù)元素提取方法對樣本紋理進(jìn)行分割，從 而同時提取樣本紋理的基元。
[0018] 優(yōu)選地，所述構(gòu)建基元連通關(guān)系的步驟包括：
[0019] 確定每個基元在樣本紋理中的位置，以每個基元所在區(qū)域的中心位置構(gòu)建離散點 集；
[0020] 根據(jù)所述離散點集，采用三角剖分方法構(gòu)建基元的連通關(guān)系，以獲得樣本紋理的 基元分布。
[0021] 優(yōu)選地，所述三角剖分過程中產(chǎn)生的三角形的最大內(nèi)角小于120度。
[0022] 優(yōu)選地，所述生成三維模型表面矢量場的步驟包括：
[0023] 在三維模型中隨機(jī)選取若干個三角面片，在所選三角面片標(biāo)注切方向矢量；
[0024] 根據(jù)所述標(biāo)注的切方向矢量，采用徑向基函數(shù)插值算法計算所述三維模型中剩余 三角面片的切方向矢量，以生成三維模型表面矢量場。
[0025] 優(yōu)選地，所述構(gòu)建三維模型表面基元分布的步驟包括：
[0026] S41、在三維模型表面選取第一基元，采用投影變換的方式將三維模型表面所述第 一基元的鄰域投影到基平面上，以產(chǎn)生與三維表面上的基元分布相對應(yīng)的二維空間分布；
[0027] S42、參照樣本紋理的基元分布，采用鄰域比較方法獲得三維模型表面上待添加基 元的相對于第一基元的位置信息，根據(jù)所述待添加基元的相對于第一基元的位置信息，計 算所述待添加基元在三維模型表面的位置；
[0028] S43、重復(fù)步驟S41和S42,逐一計算待添加基元在三維模型表面的位置，以在三維 模型表面生成與樣本紋理基元分布具有相似外觀的新的基元分布；
[0029] 所述待添加基元的相對于第一基元的位置信息包括待添加基元的偏移方向角和 偏移距離；
[0030] 所述基平面為所述第一基元所在的三角面片。
[0031] 優(yōu)選地，所述鄰域比較方法包括：
[0032] 在三維模型表面選取第一基元，將所述第一基元的投影變換后的鄰域與樣本紋理 基元分布的鄰域逐一進(jìn)行比較，當(dāng)所述第一基元的投影變換后的鄰域與樣本紋理基元分布 的鄰域誤差最小時，在樣本紋理基元分布中確定與所述第一基元具有最相似鄰域的參照基 元，建立所述第一基元的投影變換后的鄰域中各個基元與樣本紋理基元分布的鄰域中各個 基元之間的對應(yīng)關(guān)系，獲得待添加基元的相對于第一基元的位置信息。
[0033] 優(yōu)選地，當(dāng)三維模型表面基元數(shù)目達(dá)到指定數(shù)目時，則停止構(gòu)建三維模型表面基 元分布。
[0034] 優(yōu)選地，所述在三維模型表面放置基元的步驟包括：
[0035] 在三維模型表面采用局部區(qū)域增長方法確定與待添加基元的大小相適應(yīng)的目標(biāo) 區(qū)域；
[0036] 對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行局部參數(shù)化展平，在三維模型表面采用局部紋理映射放置基元。
[0037] 優(yōu)選地，所述在三維模型表面采用局部紋理映射放置基元之后，還包括：
[0038] 放大或縮小映射至三維模型表面的基元，以避免基元之間的空洞或重疊。
[0039] 本發(fā)明提出的基于基元分布的三維表面紋理合成方法，參照樣本紋理的基元分 布，在三維表面上合成與樣本紋理具有一定相似外觀的基