第14講紋理及紋理映射

1、第14講 紋理及紋理映射 解決計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖象缺乏現(xiàn)實(shí)物體表面細(xì)節(jié)的問(wèn)題真實(shí)感圖形學(xué)紋理及紋理映射n用簡(jiǎn)單光照明模型生成真實(shí)感圖象，由于表面過(guò)于光滑單調(diào)，反而顯得不真實(shí)n現(xiàn)實(shí)物體表面有各種表面細(xì)節(jié)紋理n木材表面的木紋n建筑物墻壁上的裝飾圖案n桔子皮表面的皺紋n一般地講，利用紋理映射可以在不增加場(chǎng)景描述復(fù)雜度，不顯著增加計(jì)算量的前提下，大幅度地提高圖形的真實(shí)感。紋理及紋理映射紋理及紋理映射n紋理概述n二維紋理域的映射n三維紋理域的映射n幾何紋理n目前技術(shù)狀況紋理概述顏顏色紋理色紋理紋理概述紋理概述n紋理的分類顏色紋理顏色紋理通過(guò)顏色色彩或明暗度的變化體現(xiàn)出來(lái)的表面細(xì)節(jié)。如桌面的木紋、墻壁上的

2、裝飾圖案等。紋理概述是指基于景物表面微觀幾何形狀的表面紋理，如桔子、樹干、巖石、山脈等表面呈現(xiàn)的凹凸不平的紋理細(xì)節(jié)。紋理概述表現(xiàn)了各種規(guī)則或不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化的自然景象，如水波、云、火、煙霧等。紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述n因此紋理映射本質(zhì)上是從一個(gè)坐標(biāo)系到另一個(gè)坐因此紋理映射本質(zhì)上是從一個(gè)坐標(biāo)系到另一個(gè)坐標(biāo)系的變換標(biāo)系的變換紋理概述n離散法定義n連續(xù)函數(shù)法定義n參數(shù)法定義紋理概述紋理概述n離散法定義：離散法定義：n用離散法定義紋理較為常用，它將紋理圖象數(shù)據(jù)定義在一個(gè)二維數(shù)組中，這個(gè)數(shù)組可以是各種圖形或圖象。n用這種方法定義的紋理，方法靈活，修改也方便

3、，比較適合于交互式系統(tǒng)的紋理映射顯示。紋理概述n連續(xù)函數(shù)法定義：連續(xù)函數(shù)法定義： 任何定義在二維空間（u0,1,v0,1）的函數(shù)均可作為紋理函數(shù)。 實(shí)際應(yīng)用中常采用一些特殊函數(shù)。紋理概述n參數(shù)法定義：參數(shù)法定義：n用一些參數(shù)定義紋理模型，紋理模型可以用文本性文件描述，尤其適合于對(duì)構(gòu)成一個(gè)場(chǎng)景的各景物定義各自的紋理模型，例如室內(nèi)布置中對(duì)沙發(fā)定義呢質(zhì)紋理、對(duì)家具定義木紋紋理、對(duì)地面定義大理石紋理等等。n紋理使用時(shí)，由一個(gè)通用的解釋程序（它再分別調(diào)用相應(yīng)的過(guò)程）對(duì)紋理先解釋再映射（因此也可以稱為過(guò)程式紋理定義）。紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述紋理概述二維紋理域的映射二維紋理域的映射紋理定義域紋理定

4、義域物體表面物體表面 映射函數(shù)要解決的問(wèn)題，就是在物體表面的參數(shù)空間映射函數(shù)要解決的問(wèn)題，就是在物體表面的參數(shù)空間 和紋理空間（和紋理空間（u，v）之間建立映射關(guān)系）之間建立映射關(guān)系 二維紋理域的映射地板與墻都是經(jīng)過(guò)二維圖象紋理映射后的平面二維紋理域的映射映射方式映射方式n三維物體每一個(gè)點(diǎn)三維物體每一個(gè)點(diǎn)(x,y,z)(x,y,z)均有一個(gè)紋理值均有一個(gè)紋理值t(x,y,z)t(x,y,z)，那么物體空間就可以映射到一，那么物體空間就可以映射到一個(gè)三維紋理空間上了三維紋理域映射個(gè)三維紋理空間上了三維紋理域映射三維紋理域的映射n紋理空間定義在三維空間上，與物體空間是同維的n把場(chǎng)景中的物體變換到紋

5、理空間的局部坐標(biāo)系中去n通過(guò)物體空間坐標(biāo)(x,y,z)來(lái)計(jì)算紋理坐標(biāo)(u,v,w)三維紋理域的映射三維紋理例子幾何紋理幾何紋理n幾何紋理模擬常用的方法大致分為兩種，n一種是對(duì)景物模型進(jìn)行擾動(dòng)，即以紋理值作用到物體表面的法向量上影響紋理圖案，產(chǎn)生凹凸紋理；n另一種是所謂的算法模型，即引入隨機(jī)變量，通過(guò)遞歸模式對(duì)不規(guī)則景物幾何紋理進(jìn)行模擬，如分形紋理方法。幾何紋理幾何紋理幾何紋理nMipmap(分級(jí)細(xì)化映射）技術(shù)nEnvironment Mapping（環(huán)境映射）技術(shù)nBump Mapping（凹凸映射）技術(shù)目前技術(shù)狀況n提出：紋理的清晰度直接影響著圖像的真實(shí)感，要想使3D畫面更加精細(xì)就必須使用更

6、高分辨率的紋理貼圖。微機(jī)在進(jìn)行3D紋理貼圖處理時(shí)，要先將紋理數(shù)據(jù)讀入顯存，所以高分辨率的紋理貼圖將需要更多的顯存，因此顯存容量成為制約紋理精度的主要因素 。n解決方法：1.紋理壓縮 2. Mip映射技術(shù)Mip映射技術(shù)n思想：n通過(guò)為同一幾何模型提供多種解析度的紋理，并隨著距離變化作相應(yīng)更換，避免在超出人眼感知能力的視距上使用過(guò)于精細(xì)的貼圖，以降低系統(tǒng)資源浪費(fèi)Mip映射技術(shù)n方法：是將原紋理縮小。為了計(jì)算的簡(jiǎn)便,通常是將原紋理按2的冪次方不斷的縮小。Mip映射技術(shù)nMip映射的不足：n一般為了減少紋理所占的存儲(chǔ)空間，我們只能對(duì)原紋理進(jìn)行有限次的分級(jí)，然而多邊形與觀察者之間的距離卻有無(wú)數(shù)種情況。n

7、解決方法：n雙線性過(guò)濾和三線性過(guò)濾。 Mip映射技術(shù)nDeveloped by Blinn and Newell (1976)nReflecting the surroundings on an objectnSimply map the environment array onto an object in relationship to the viewing direction.nIt is a fast approximation of the accurate global-illumination rendering techniques.環(huán)境映射Cube mapping, sph

8、erical mapping, parabolic mapping環(huán)境映射n顏色紋理只能處理顏色，所生成的物體表面仍然是光滑的。n在紋理映射基礎(chǔ)上提出的Bump Mapping方法是一種模擬物體表面粗糙紋理的技術(shù)，可以不用對(duì)物體的粗糙表面在幾何上進(jìn)行建模就可以改善物體表面的微觀結(jié)構(gòu)，如大理石紋理表面雕刻的文字、混凝土墻面等效果。此外，更高級(jí)的真實(shí)感圖形效果如人臉上流淌的汗水也可以通過(guò)隨時(shí)間變化的Bump mapping來(lái)模擬。凹凸映射nEmboss Mapping（浮雕貼圖）nEnvironment Mapped Bump Mapping (EMBM)環(huán)境映射凹凸貼圖凹凸映射nEmboss（浮

9、雕式凹凸貼圖）使用一高度圖形材質(zhì), 該材質(zhì)的每一個(gè)像素用來(lái)表達(dá)表面凹凸高度。這種材質(zhì)通過(guò)光源轉(zhuǎn)換為一個(gè)或者多個(gè)像素，產(chǎn)生凹凸貼圖。這種凹凸貼圖結(jié)合基本的貼圖產(chǎn)生最后的效果。凹凸映射缺點(diǎn)：1.這種浮雕貼圖效果的逼真程度十分有限，難以顯示細(xì)微的棱角處的反光效果和復(fù)雜的多環(huán)境光源效果，也無(wú)法表現(xiàn)水波和氣流等特殊效果。2. 難以表現(xiàn)光滑的、明亮的或者反射的表面，比如金屬，規(guī)則表面或者液體就不行了。3.缺乏實(shí)時(shí)改變表面高度的靈活性。凹凸映射n環(huán)境映射凸凹貼圖在計(jì)算一個(gè)3D場(chǎng)景時(shí)，把一個(gè)紋理（環(huán)境映射）映射到另一個(gè)紋理（基本紋理）上。n環(huán)境映射包含反射和其它多種效果如光源和霧化。這個(gè)經(jīng)過(guò)加工的紋理映射包含

10、了材質(zhì)。當(dāng)使用到凹凸映射的時(shí)候，第三個(gè)貼圖（凹凸映射）貼到環(huán)境映射的那份貼圖上。n這個(gè)方法非常有效，因?yàn)榘纪褂成錇槊恳粋€(gè)多邊形生成大量的紋理像素的信息，因此渲染出來(lái)的效果更為真實(shí)和漂亮。凹凸映射1.基本紋理 Base texture 2.塊映射 Bump map3.環(huán)境映射Environment map凹凸映射n優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境映射凸凹貼圖可以更精確地建立光照、陰影與表面高度之間的映射關(guān)系，從而逼真地模擬了真實(shí)環(huán)境中的凸凹效果。甚至能生成以假亂真的水波紋效果。 凹凸映射 環(huán)境凹凸映射處理的圖形凹凸映射凹凸映射n缺點(diǎn)：1.要求用特殊格式的材質(zhì)用于凹凸貼圖。2.需要一個(gè)獨(dú)立的環(huán)境貼圖來(lái)完成倒影效果。凹凸

11、映射n紋理映射技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展最快的3D技術(shù)，它已成為大家公認(rèn)最能衡量3D圖像質(zhì)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 n各種圖形標(biāo)準(zhǔn)都提供了對(duì)紋理映射的支持。如：openGL、DirectX6.0等。n光場(chǎng)映射技術(shù) （由Intel 公司提出），可能會(huì)替代現(xiàn)在的紋理映射技術(shù)。這種技術(shù)能夠根據(jù)不同的視角模擬光線反射物體的方式，從而生成更逼真的三維圖形。 發(fā)展前景練習(xí)題n選擇題n1 通過(guò)（）技術(shù)，我們將2D圖像數(shù)據(jù)映射到3D圖元上，以增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感。 A 紋理映射 B 模板 C 光照 D混合n2當(dāng)觀察光照下的光滑物體表面時(shí)，在某個(gè)方向上看到高光或強(qiáng)光，這個(gè)現(xiàn)象為（ ） A 漫反射 B 鏡面反射 C 環(huán)境光 D 折射n3要得到如右圖示的效果，glBegin（）函數(shù)的類型參數(shù)可取為（ ） A GL_POLYGON B GL_LINES C GL_LINE_STRIP D GL_LINE_LOOP練習(xí)題n填空題n1 在設(shè)置了光源屬性以后，必須打開光源才能使光源有效，啟用光源，即調(diào)用函數(shù)_.n2 寫