纹理映射、合成与替换算法研究

论文摘要

纹理指包含一定重复模式又呈现一定随机性的事件，它可以描述自然界中非常广阔的自然现象，例如：声音、图像、视频、运动及几何曲面等等。图形学中的纹理主要指位图图像。采用纹理可以有效表现景物表面的细节特征，增强绘制的真实感。由于纹理技术在影视娱乐、工业设计和虚拟仿真等方面的广泛应用，关于纹理的研究一直是计算机图形学、计算机视觉以及图像处理领域的研究热点。 本文围绕当前纹理研究中的若干热点问题：约束纹理映射、三维纹理合成、图像和视频的纹理替换及纹理技术在非真实感绘制中的应用等方面展开研究： (1)约束纹理映射。纹理映射一般指将二维纹理映射到三维景物表面的过程。可以有效地表现景物表面的纹理细节，提高景物绘制的真实感。本文提出一种基于调和映射的约束纹理映射方法，利用调和映射建立纹理平面和参数化后网格模型的对应关系，给出约束纹理映射问题的一个解析解。由于调和映射具有保持映射能量最小的性质，该方法可以最小化约束纹理映射可能导致的扭曲形变。同时我们还提出一种对映射效果实时优化的算法，有效减少了约束纹理映射的后期交互。 纹理映射的有效性是约束纹理映射的一个关键问题。本文提出一种基于分块映射的方法，把纹理图像和网格模型按照特征点进行有效剖分并建立对应关系，实现对应的映射，保持了纹理映射这个特殊参数化问题的有效性。由于该方法不需要对网格模型预先参数化，从而提高了纹理映射的效率。同样的思想应用于网格模型的形状过渡也取得了良好的效果。 (2)三维纹理合成。纹理合成指由一张给定小样本纹理生成大区域纹理的过程。本文提出一种在复杂网格模型表面生成纹理的算法。该算首先建立网格模型的基网格表示，在基网格上合成纹理，然后把合成效果映射回原始网格；在网格模型上建立的基网格可以应用于不同纹理的合成。本文还提出一种对三角形网格的附加纹理图像压缩存储的方法，节约了纹理内存。通过对纹理图像上任意点的邻域预处理编码的方法，进一步提高了合成效率。 (3)图像和视频的纹理替换。纹理替换指在图像／视频的目标区域采用新的纹理替换原有纹理，在未知原始几何和光源信息的情况下，使替换后目标区域保持原纹理依附在表面上产生的自然变形和光照效果。纹理替换在虚拟展示、影视娱乐等方面有巨大的应用前景。本文通过求解Possion方程保持替换后纹理的依附变形，通过把RGB颜色空间转换到YCbCr颜色空间以及传递Y颜色分量，保持了原纹理的光照效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 基本概念和方法
• 1.1.1 参数化
• 1.1.2 纹理映射
• 1.1.3 纹理合成
• 1.1.4 纹理替换
• 1.2 本文工作
• 第二章 约束纹理映射
• 2.1 引言
• 2.2 相关工作
• 2.3 基于调和映射的约束纹理映射
• 2.3.1 ABF参数化
• 2.3.2 调和映射
• 2.3.3 二维调和映射
• 2.3.4 调和映射在纹理映射中的应用
• 2.3.5 自适应的局部邻域调整
• 2.3.6 实验数据和结果
• 2.3.7 附录证明
• 2.4 分而治之的约束纹理映射方法
• 2.4.1 “分而治之”的纹理映射算法
• 2.4.1.1 符号标识
• 2.4.1.2 交互
• 2.4.1.3 分割和匹配
• 2.4.1.4 嵌入和优化
• 2.4.2 实验结果
• 2.4.3 分而治之的方法在网格渐变中的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于基网格映射的三维纹理合成
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.2.1 平面纹理合成
• 3.2.2 三维纹理合成
• 3.2.3 纹理合成的应用
• 3.3 基于基网格映射的纹理合成算法
• 3.3.1 基网格建立
• 3.3.2 三维纹理合成
• 3.3.3 纹理拼接直方图压缩存贮
• 3.3.4 样本纹理预处理
• 3.4 实验结果
• 3.5 本章小节
• 第四章 图像和视频的纹理替换
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.2.1 纹理替换
• 4.2.2 视频中运动物体跟踪
• 4.3 图像的纹理替换
• 4.3.1 网格生成
• 4.3.2 纹理坐标计算
• 4.3.3 光照效果保持
• 4.3.4 实验结果
• 4.4 视频的纹理替换
• 4.4.1 运动跟踪
• 4.4.2 可见性变化
• 4.4.3 视频纹理替换算法
• 4.4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于样图的风格化绘制
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.2.1 非真实感绘制
• 5.2.2 二维纹理合成
• 5.3 基于样图的风格化绘制
• 5.3.1 笔画库建立
• 5.3.2 区域分割
• 5.3.3 底色合成
• 5.3.4 方向场建立
• 5.3.4.1 交互建立方向场
• 5.3.4.2 合成方向场
• 5.3.5 笔画绘制
• 5.3.6 图像融合
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的论文