紋理過(guò)濾與反走樣.doc

紋理過(guò)濾與反走樣朱元偉 計(jì)算機(jī)應(yīng)用09研 2110912097進(jìn)行紋理過(guò)濾時(shí)，正在使用的紋理通常也正在被進(jìn)行放大或縮小。換句話說(shuō)，這個(gè)紋理將被映射到一個(gè)比它大或小的圖元的圖象上。紋理的放大會(huì)導(dǎo)致許多像素被映射到同一個(gè)紋理像素上。那么結(jié)果看起來(lái)就會(huì)使矮矮胖胖的。紋理的縮小會(huì)導(dǎo)致一個(gè)像素被映射到許多紋理像素上。其結(jié)果將會(huì)變得模糊或發(fā)生變化。 另外將一張黑白的世界象棋圖映射到物體表面, 當(dāng)物體表面小到接近單位像素時(shí), 表面只能顯示黑色或白色, 當(dāng)物體位移或旋轉(zhuǎn)時(shí), 會(huì)出現(xiàn)黑白閃爍現(xiàn)象要解決這些問(wèn)題，我們可以將一些紋理像素顏色融合到一個(gè)像素顏色上。沒(méi)有反走樣正弦濾波器 1.雙線性過(guò)濾1.1 雙線性過(guò)濾的工作原理 其工作原理是將一個(gè)像素分成2X2的紋理元素區(qū)域塊這樣我們就擁有A、B、C、D 4個(gè)紋理元素區(qū)域了，然后以目標(biāo)紋理的像素點(diǎn)為中心，對(duì)該點(diǎn)附近的這個(gè)4個(gè)像素顏色值求平均值。再將這個(gè)平均顏色值貼至目標(biāo)圖像素的位置上。雙線性過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算量少，效果也很不錯(cuò).上圖中顯示出一條直路你可以看到左邊的斜線標(biāo)志在某個(gè)距離外，會(huì)出現(xiàn)一些環(huán)狀失真的現(xiàn)象這是未采用雙線性過(guò)濾的效果，可以看見(jiàn)很明顯的馬賽克現(xiàn)象。 這是采用了雙線性過(guò)濾后的效果，馬賽克沒(méi)有了。 1.2雙線性過(guò)濾的問(wèn)題 雙線性過(guò)濾是最基本的3D紋理過(guò)濾技術(shù)，通過(guò)使用雙線性過(guò)濾，不同像素間的過(guò)渡會(huì)變得比較圓滑，不過(guò)經(jīng)過(guò)雙線性處理后的圖像會(huì)顯得有些模糊，比較適用于有一定景深的靜態(tài)影像，不適合非常小的三維物體，也不適用于移動(dòng)中的物件。因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生如條紋和紋理變形等，當(dāng)視角發(fā)生變化時(shí)，就可能感覺(jué)到閃爍感等的問(wèn)題。圖中鐵絲網(wǎng)應(yīng)該是均勻的，但在這里成了不均勻的分布，在移動(dòng)的時(shí)候，這些地方就會(huì)感到有閃爍。注意圖中箭頭所指之處。 這是應(yīng)用了mipmap后的效果2. MIP-MAP2.1 MIP-MAP思想與算法當(dāng)一個(gè)物體離觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的時(shí)候，并不需要這樣高分辨率的紋理。mipmapping是在紋理緩存里面裝載不同分辨率的紋理位圖，當(dāng)物體里觀察點(diǎn)較近的時(shí)候采用高分辨率的紋理，離開(kāi)觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的時(shí)候采用低分辨率的紋理位圖，就可以在很大程度上消除遠(yuǎn)端物體紋理的閃爍感。mipmapping的實(shí)現(xiàn)是以需要更大的紋理緩存為代價(jià)的，因?yàn)榧y理緩存里面需要為場(chǎng)景中的物體保存不同分辨率的幾套位圖1。 Mip-Map圖映射方法是對(duì)前置濾波法的一種加速辦法，是一種犧牲精度來(lái)提高速度的紋理映射方法。 它采用一個(gè)適當(dāng)大小的正方形區(qū)域近似表示圖象空間一個(gè)象素在紋理空間的映射區(qū)域，用該正方形區(qū)域的樣本平均值近似作為圖象空間一個(gè)象素的紋理計(jì)算值。 Mip-Map圖映射方法預(yù)先將紋理函數(shù)值按照不同的分辨率記錄在紋理數(shù)組中，作為紋理查找表。其中低分辨率的函數(shù)值由比它高一級(jí)分辨率的函數(shù)值取平均得到。 設(shè)t(u,v)是紋理函數(shù)，給定的分辨率是NN（如512512），將紋理空間劃分成NN個(gè)小正方形區(qū)域，取每個(gè)小正方形區(qū)域中的紋理函數(shù)平均值即得NN個(gè)紋理值，按紅、綠、藍(lán)3個(gè)分量分別存放于3個(gè)NN的二維數(shù)組中，即為Mip圖的第一級(jí)數(shù)據(jù)（在設(shè)定的NN分辨率下的最高分辨率紋理值）。 設(shè)屏幕空間一象素對(duì)應(yīng)到紋理空間的4個(gè)角點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的最大邊長(zhǎng)d，按照分辨率由高向低往上分層存放Mip-Map圖映射表：如果選取最高分辨率，即屏幕空間一象素幾乎對(duì)應(yīng)紋理空間的1（20）個(gè)正方形。此時(shí)壓縮倍數(shù)是20，正方形的邊長(zhǎng)是1，應(yīng)選取1層。如果屏幕空間一象素幾乎對(duì)應(yīng)紋理空間的22個(gè)正方形，此時(shí)壓縮倍數(shù)是21，正方形的邊長(zhǎng)是2，應(yīng)選取2層。 如果屏幕空間一象素幾乎對(duì)應(yīng)紋理空間的2N個(gè)正方形，此時(shí)壓縮倍數(shù)是2N-1，正方形的邊長(zhǎng)是N，應(yīng)選取N層。mip-map在確定屏幕上可見(jiàn)表面的紋理過(guò)程如下2(1). 計(jì)算屏幕上可見(jiàn)表面的中心在紋理空間上的映射點(diǎn)坐標(biāo)(u, v).(2). 確定紋理空間中以(u, v)為中心, 邊長(zhǎng)為d的正方形, 要求正方形能覆蓋表面在紋理空間中映射的區(qū)域.(實(shí)際這樣算d太復(fù)雜, 一般d為表面在紋理空間中映射的區(qū)域的最大邊長(zhǎng))(3). 根據(jù)d的大小確定使用哪一級(jí)的紋理map.因?yàn)閙ip-map中的紋理圖案存儲(chǔ)的是特定的圖案, 即只有邊長(zhǎng)d = 2k, k = 0, 1, ., log2S的圖案, 對(duì)于在2k d 2(k + 1)的邊長(zhǎng)d, mip-map通過(guò)線性插值第k層的紋理和第k + 1層的紋理得到2.2 MIP-MAP出現(xiàn)的問(wèn)題在mipmapping中，由于采用了不同分辨率的紋理，在這些不同分辨率的紋理交界的地方，我們就有可能看見(jiàn)一個(gè)明顯的邊界,這顯然是不符合實(shí)際情況的。另外，在場(chǎng)景中移動(dòng)的時(shí)候，當(dāng)顯示的物體由一個(gè)分辨率的紋理切換到另一個(gè)分辨率的紋理的時(shí)候，我們就會(huì)看見(jiàn)紋理突然發(fā)生了變化。 使用三線性過(guò)濾，幾乎看不出界限的存在了 紋理突然發(fā)生了變化3.三線性過(guò)濾3.1 三線性過(guò)濾原理三線性過(guò)濾技術(shù)主要是解決雙線性過(guò)濾與Mip Mapping相配合使用時(shí)所出現(xiàn)的不同紋理層接縫的突發(fā)變化失真問(wèn)題。三線性過(guò)濾的原理同雙線性過(guò)濾一樣，只不過(guò)三線性過(guò)濾的采集范圍更大：它主要是在雙線性過(guò)濾的基礎(chǔ)之上增加了4個(gè)的紋理元素采樣參考，也就是三線性過(guò)濾必須使用兩次雙線性過(guò)濾，即必須計(jì)算2X4=8個(gè)像素的值3。三線性過(guò)濾可以比雙線性過(guò)濾更有效地解決不同LOD細(xì)節(jié)等級(jí)紋理過(guò)渡時(shí)出現(xiàn)的組合交叉重疊現(xiàn)象。從上圖可以以看到，在使用三線性過(guò)濾后，雖然接縫現(xiàn)象不見(jiàn)了，但存在有過(guò)渡模糊的現(xiàn)象從上圖可以以看到，在使用三線性過(guò)濾后，雖然接縫現(xiàn)象不見(jiàn)了，但存在有過(guò)渡模糊的現(xiàn)象 3.2三線性過(guò)濾的問(wèn)題當(dāng)物體消失的方向(透視方向)和我們的視角有一定夾角時(shí)，三線性過(guò)濾仍然存在失真現(xiàn)象。為什么會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡模糊的現(xiàn)象呢?這是因?yàn)檫@條路相對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)“扁平”的，所以一個(gè)像素在貼圖上的圖元像素會(huì)變得很扁。由于形狀的不規(guī)則，顯示芯片在選擇不同分辨率的Mip Mapping時(shí)會(huì)選較低分辨率的Mip Mapping，這樣就會(huì)造成在某個(gè)方向下分辨率是適當(dāng)?shù)?，但是在另一個(gè)方向則會(huì)過(guò)渡模糊。我們可以強(qiáng)迫顯示芯片使用較高分辨率的貼圖來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。不過(guò)，這個(gè)方法只能用在方向是固定的情形，如果視角常常會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)(Z軸旋轉(zhuǎn)表面)，那它可能反而會(huì)變得更為模糊。當(dāng)然，對(duì)于一般視角變化不大的情形，如一般的賽車游戲，效果還是不錯(cuò)的4。 不過(guò)，對(duì)于像是第一人稱射擊、飛行仿真等視角變化較大的游戲來(lái)說(shuō)，這個(gè)方法就不見(jiàn)得這么有用了。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，人們又推出了各向異性過(guò)濾技術(shù)。4. 各向異性過(guò)濾各向異性過(guò)濾主要作用通過(guò)增加更多的貼圖模型來(lái)消除Z軸旋轉(zhuǎn)表面的鋸齒狀線條、而達(dá)到更好的畫面效果。它融合了雙線性過(guò)濾和三線性過(guò)濾的一些特點(diǎn)。但從各向異性過(guò)濾又不同于傳統(tǒng)的雙線性和三線過(guò)濾：后兩者都是各向同性的過(guò)濾，各方向上矢量值是一致的，在渲染時(shí)各個(gè)圖元像素的尺寸、形狀都是固定的；各向異性過(guò)濾正好相反，它主要處理矢量方向上值不一致的數(shù)據(jù)，在渲染時(shí)使用尺寸可變的圖元像素。啟用各向異性過(guò)濾后可以看到幾乎所有的失真包括過(guò)渡模糊的現(xiàn)象，都已經(jīng)消失了不過(guò)在顯卡實(shí)際工作中，上面幾種過(guò)濾模式是相輔相承的5。各向異性過(guò)濾一般都配合雙線性過(guò)濾或三線性過(guò)濾來(lái)運(yùn)行的。不過(guò)，它的缺點(diǎn)也是很明顯的：對(duì)每個(gè)貼圖來(lái)說(shuō)，使用三線性過(guò)濾的情形下，最多會(huì)需要讀取128個(gè)像素。這會(huì)占用很多顯存的帶寬，因此會(huì)造成性能降低。不過(guò)，這個(gè)問(wèn)題在今天已經(jīng)不再是問(wèn)題了目前主流的顯示芯片在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了對(duì)各項(xiàng)異性過(guò)濾的硬件支持并提供了相當(dāng)高采樣率如Radeon9500、Radeon9700。參考文獻(xiàn) ：1 杜穎，吳保國(guó)，武玉國(guó) 全球虛擬地形環(huán)境中mip-map研究J 測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào) 第5卷，第23期 2006.102 孫芳，戴卿，周太平 Mipmap應(yīng)用于紋理繪制的新算法及實(shí)現(xiàn)J 應(yīng)用科技 第3