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(chǎng)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(chǎng)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(shí)環(huán)境的逼真度和場(chǎng)景繪制效率。在三維場(chǎng)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(chǎng)景建設(shè)中Mipmap技術(shù)的使用以平衡場(chǎng)景繪制效率和場(chǎng)景真實(shí)度間的矛盾，最后以構(gòu)建某校園三維場(chǎng)景為實(shí)例，驗(yàn)證了紋理映射技術(shù)的實(shí)用性和優(yōu)越性，總結(jié)了紋理映射的一般步驟和一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

紋理映射紋理坐標(biāo)虛擬現(xiàn)實(shí)可視化

1　引言

三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)是數(shù)字城市的主要變現(xiàn)形式。目前，很多數(shù)字化場(chǎng)景都是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下創(chuàng)建的具有一定紋理照片的三維場(chǎng)景。紋理映射技術(shù)將豐富的紋理細(xì)節(jié)疊加在物體表面上，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)感，彌補(bǔ)細(xì)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(shí)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(shí)時(shí)映射

紋理映射作為真實(shí)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(dá)到對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體表面精細(xì)建模和精確光照計(jì)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(diǎn)數(shù)目過多導(dǎo)致系統(tǒng)和顯卡運(yùn)算負(fù)荷的不足，從而增加場(chǎng)景的真實(shí)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。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集紋理圖片時(shí)要求盡量采集非傾斜、明亮的照片。若現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)采集的原始圖像往往存在圖像傾斜、變形、拍攝時(shí)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(duì)這些相片進(jìn)行預(yù)處理和正射糾正。其中，預(yù)處理包括對(duì)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(duì)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(duì)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(gè)映射。將二維數(shù)字紋理視為一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)（RGB顏色以及Alpha值）作為一個(gè)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(shí)為每個(gè)頂點(diǎn)都定義紋理坐標(biāo)，s和t取值都在[0，1]。這樣可得到每個(gè)頂點(diǎn)對(duì)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(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)，上式表達(dá)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(diǎn)P及其在屏幕空間中對(duì)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(shí)其映射函數(shù)就很難確定，在實(shí)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(gè)簡(jiǎn)單映射的復(fù)合。首先引進(jìn)一個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)紋理的實(shí)時(shí)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(shí)感效果。場(chǎng)景建設(shè)中可根據(jù)場(chǎng)景對(duì)象的不同特點(diǎn)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(shí)，為提高圖形加載速率，通常采用普通紋理結(jié)合細(xì)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(gè)方法可在平面像素的繪制過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)紋理反走樣和支持多級(jí)紋理細(xì)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(jí)圖像每邊的分辨率取為高一級(jí)圖像每邊分辨率的二分之一。這樣MipMap就構(gòu)成一個(gè)分辨率逐級(jí)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(chǔ)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(chǎng)景中，人眼更傾向于尋找對(duì)象的細(xì)節(jié)，因此，為增加圖片的真實(shí)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(gè)空間場(chǎng)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(chǎng)景攝像機(jī)時(shí)可縮短場(chǎng)景渲染的時(shí)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(duì)比圖。

圖5　紋理映射及優(yōu)化前后對(duì)比圖

3　在三維場(chǎng)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(gè)開發(fā)過程是在Windows XP操作系統(tǒng)和Visual C++6.0平臺(tái)下進(jìn)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(tái)下運(yùn)行。

3.2紋理映射技術(shù)在三維場(chǎng)景構(gòu)建中的應(yīng)用

圖6　三維場(chǎng)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(chǎng)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(shí)環(huán)境，增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感。下圖是使用紋理映射技術(shù)的三維場(chǎng)景其中兩幀。

4　結(jié)束語

在三維場(chǎng)景構(gòu)建中場(chǎng)景復(fù)雜度的提高、大量紋理庫存的使用，也會(huì)影響系統(tǒng)顯示運(yùn)行的速度、占用大量CPU內(nèi)存和處理時(shí)間，這對(duì)場(chǎng)景的可視化效果有很大影響，也會(huì)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。

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P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-7-296-2

張培培（1989～），女，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。