3D图形学课纹理映射技术

2020-03-01 162浏览

1.3D 游戏图形学第六章真实感图形绘制 —— 纹理映射技术浙江理工大学数字媒体技术系
2.• 提出问题 – 真实感图形绘制： • 计算机图形输出设备上绘制出能够以假乱真的景象。 – 如何表现物体表面的丰富细节 ? •更精细的几何； •更精确的光照计算；计算量太大 ! 可以采用纹理映射技术 ! 纹理映射技术是真实感图形的重要绘制技术之一 .
3.“All it takes is for the rendered image to look right” —— Jim Blinn
4.Example
5.Example
6.提要 • 纹理映射的基本理论 – 基本概念 – 实现纹理映射的基本过程 – 纹理几何映射关系处理 • 纹理映射的实现 – 纹理映射的 OpenGL 实现 • 高级纹理映射技术介绍 – 纹理优化处理技术 – 多层纹理映射 – 凸凹纹理映射 – 环境映照技术
7.What is texture mapping? 纹理是指包含组成图像的所有像素信息的集
8.“All it takes is for the rendered image to look right” —— Jim Blinn • 纹理贴图是一个用图像、函数或其它数据源来改变表面在每一处的外观的过程。 • 例如，我们不必用精确的几何去表现一块砖墙，而只需把一幅砖墙的图像贴到一个多边形上。 • 除非观察者非常靠近墙，否则我们并不会觉得缺少几何细节。 • 既节省了大量的造型工作量，也节省了内存空间，加快了绘制速度。
9.基本原理
10.如何映射 ? • 纹理映射方法 – – – – 纹理坐标系 (s,t) 物体表面的表示在 (u,v) 坐标系投影平面上的像素显显示在显 (x,y) 笛卡儿坐标系两种映射方法 • 将纹理模式映射至物体表面，然后再进行投影变换映射至投影平面，称为纹理扫描 • 将投影平面的像素区域映射至物体表面，再映射至纹理空间，称为像素次序扫描纹理空间： (s,t) 数组坐标 M MT-1T 逆纹理映射变换纹理映射变换对象空间： (u,v) 表面参数 Mvp-1 逆观察投影变换观察投影变换图像空间： (x,y) 像素坐标
11.如何映射 ? • 纹理映射方法 – 纹理扫描通常用显显性函数显显显显行显显理映射显显显显显，显显显显理空显显显到物体空显显显显显的 u  fu ( s, t )  au s  bu t  cu v  f v ( s, t )  av s  bvt  cv 不利因素：显显中的显显显理表面常常与像素显显显显显显显显显界不匹配，显显显显需要显显行像素分割计算。显显显显显显显因此像素次序扫描方法成为最常用的纹理映射方法。
12.如何映射 ? • 纹理映射方法 – 像素次序扫描投影像素区 MT Mvp-1 -1 像素区纹理数组物体表面
13.思考？ • 图像与几何体的尺寸不一致怎么办？ • 纹理重复怎么办？  几何物体本身有颜色怎么办 ?
14.问题 1: 纹理图像缩放 ( 纹理采样方式 ) • 在硬件图形加速卡中，纹理图像的大小经常为 2m×2n ( 或者 2m×2m) 的纹素，其中 m 和 n 为非负整数。 • 但是几何尺寸不一定正好是 2 的倍数 , 另外几何尺寸可能与纹理图像尺寸差别很大 ; • 若投影得到的象素数目比原始纹理大，则需要把纹理图像放大 (magnification) ； • 若投影得到的象素数目比原始纹理小，则需要把纹理图像缩小 (minification) ；
15.纹理放大块状效果明显，质量差锯齿状消失一幅 32×64 的纹理应用，质量好到一矩形，非常近看。左图采用最近邻域滤波，即对每个象素选择最近的纹素。右图采用最近四个纹素的双线性插值
16.如 : 双线性插值 (Bi-lnear Interpolation)
17.纹理缩小 • 当纹理图像缩小时，多个纹素可能覆盖一个象素单元。为了得到每个象素正确的颜色，应该综合考虑影响该象素的那些纹素。棋盘格纹理多边形通过一行象素，显示多个纹素可影响单个象素
18.• 最近邻域法： – 选择在象素中心可见的纹素。但会引起严重的走样现象，见上图。当这类表面相对视点移动时，走样现象更加明显，称为时间走样 (temporal aliasing) 。 • 双线性插值： – 效果仅比最近邻域法稍好，也会引起较严重的走样现象。 • Mipmap 方式： – 对纹理进行预处理，建立多个纹素覆盖单个象素的快速逼近计算的数据结构。这样，一个采样点可以检索出一个或多个纹素的效果。
19.1. 点采样 (Nearest neighbor) 2. Mipmapping
20.问题 2: 纹理重复方式 • wrap ortile:纹理图像在表面重复。例子：地上的大理石贴图 •mirror:纹理图像在表面重复 , 但每隔一幅进行翻转 (flipped) 。这样在纹理的边界处，纹理可以保持连续。 • clamp : 把 [0,1) 范围之外的进行截断。截断到 [0,1) 内的半个纹素。 • border : 参数范围在 [0,1) 之外的用单独定义的边界颜色或把纹理的边作为边界。用于在表面上印花样，地形绘制中相邻纹理的缝合。截断到 [0,1) 外的半个纹素。
21.例子 repeat mirror clamp border
22.问题 3: 纹理与背景的叠加融合 • Replace ：把原来表面的颜色替换为纹理的颜色 • Decal( 印花 ) ：与替换类似，但是若纹理中包含 Alpha 值，则用它与表面的颜色进行混合。 • Modulate( 调节 ) ：把表面的颜色与纹理颜色相乘 .
23.提要 • 纹理映射的基本理论 – 基本概念 – 实现纹理映射的基本过程 – 纹理几何映射关系处理 • 纹理映射的实现 – 纹理映射的 OpenGL 实现 • 高级纹理映射技术介绍 – 纹理优化处理技术 – 多层纹理映射 – 凸凹纹理映射 – 环境映照技术
24.OpenGL 纹理映射过程 • 定义纹理映射 void glTexImage1D(GLenum target, GLint level, GLint components, GLsizei width, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels); void glTexImage2D(GLenum target, GLint level, GLint components, GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels); void glTexImage3D(GLenum target, GLint level, GLint components, GLsizei width, GLsizei height, GLsizei depth, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *texels);
25.• 启用纹理 glEnable(GL_TEXTURE_1D); glEnable(GL_TEXTURE_2D); glEnable(GL_TEXTURE_3D);
26.• 在启用纹理之后，需要建立物体表面上的点与纹理空间的对应关系。 • 在绘制基本图元时，在 glVertex 函数调用之前调用 glTexCoord 函数明确指定当前顶点所对应的纹理坐标。
27.• 纹理获取 – 直接创建，利用函数直接设置各纹理像素点的 RGB 值 – 读取外部文件载入位图： auxDIBImageLoad(LPCTSTR filename);
28.• 对于这种超出纹理图范围的情况，可用 : – glTexParameter*(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_S/T,GL _REPEAT/GL_CLAMP); – 选择： • GL_REPEAT ：当纹理比表面小时重复使用纹理以填满每个点。 • GL_CLAMP ：比 1 大的当作 1 ，比 0 小的当作 0 。 • 对纹理的缩放等 , OpenGL 提供了滤波函数 : – glTexParameter*(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG/MIN_FI LTER,GL_NEAREST/GL_LINEAR); 。 – 放大和缩小的处理参数 : • GL_NEAREST ：取比较接近的那个像素。 • GL_LINEAR ：以周围四个像素的平均值做为纹理。 • bilinear ：二次插值，精度更高，但需要自己动手计算。
29.提要 • 纹理映射的基本理论 – 基本概念 – 实现纹理映射的基本过程 – 纹理几何映射关系处理 • 纹理映射的实现 – 纹理映射的 OpenGL 实现 • 高级纹理映射技术介绍 – 纹理优化处理技术 – 多层纹理映射 – 凸凹纹理映射 – 环境映照技术
30.• 高级纹理映射技术 – 纹理优化处理技术 • Mipmapping • Texture Caching • 纹理压缩 – 多层纹理映射 – 凸凹纹理映射 – 环境映照技术
31.纹理优化处理技术
32.1. Mipmapping 技术 -------- 根据不同的材质精度要求选择不同精度的纹理进行贴图的技术，即根据需要更换纹理，避免图像的过度放大或缩小金字塔结构 Level 2 Level 1 Level 0 1/16 1/4 1 d轴
33.• Mipmapping 是纹理反走样最受欢迎的方法。目前，很多图形加速卡支持该功能 ; • 根据几何的大小 , 调整纹理的大小 , 以避免拉伸和缩小 ; • 等比性地缩放 , 图片大小必须为 2 的 n 次。
34.• image pyramid, precompute averaged versions Without MIP-mapping With MIP-mapping
35.2. Texture Caching( 纹理缓存) • 复杂的应用需要相当多的纹理 , 不一定把所有的纹理都一次性送到显存 ; • 有多种纹理高速缓存技术 : – 在速度和内存中的纹理数目之间取得平衡。例如：当贴了纹理的多边形离视点较远时，可只载入需要的子纹理。
36.使用纹理内存的一般原则 : • 尽量使用较小的纹理； • 尽量使相同的纹理多边形成组； • 采用 Tiling 或者 Mosaicing 技术：把一些小纹理拼成一块大纹理，这样可以避免纹理的切换，加快存取的速度。
37.3. 纹理压缩 • 一个直接针对纹理内存和带宽的解决方法是固定速率的纹理压缩 (fixed-rate texture compression) 。 • 通过硬件即时对压缩的纹理进行解压，所需的纹理内存可减少，从而增加了有效 Cache 的大小，同时减少了带宽需要。
38.多重纹理绘制 • 图形学光照方程的各部分可以在不同的步骤分别计算，每个步骤是对前一个步骤结果的修改 , 并最终得到一采样颜色。 • 多重绘制技术是指将图形绘制的每个步骤绘制出的中间结果存成纹理 , 一层层地映射到几何物体上 , 这种技术称为多重绘制技术 (multipass rendering) 。 • 多重绘制的基本思路是：每重绘制计算光照明方程的一部分，并采用 frame buffer 存贮中间结果。通过图像合成等技术，可以计算得到任意复杂的光照方程。 • 有很多效果可通过多重绘制来得到的，如：运动模糊、平面反射等等。 • 目标：用更多精致的表面光照方程。
39.过程
40.凹凸纹理贴图 (Bump Mapping)
41.凹凸纹理贴图 (Bump Mapping) • 凹凸纹理贴图最早由 Blinn 于 1978 年提出，是一种模拟不平表面 ( 凹凸、皱纹、波浪起伏等 ) 的一种方法。
42.基本思想 • 凹凸纹理的基本思想是：用纹理去修改物体的法向而不是颜色。 • 物体表面的几何法向保持不变，我们仅仅改变光照明模型计算中的法向。
43.凹凸纹理贴图 (Bump Mapping) • create illusion of complex geometry model
44.• 凸凹纹理映射 – 由三张纹理映射图完成效果 : • 原始纹理图（ 0 ），用来表示物体本来的表面效果 • 凸凹纹理（ 1 ），用来对物体表面法向进行修改 • 环境映射图（ 2 ）
45.• 对于每个象素，我们把单位化后的光矢量与凹凸纹理中的法向进行点积。 Normal map • 由于点积正好是漫反射分量，因而使得结果呈现凹凸状。采用 Normal Map 得到的凹凸纹理贴图效果
46.环境映照
47.• cheap way to achieve reflective effect – generate image of surrounding – map to object as texture
48.Sphere Mapping • 最早由 Williams 在 1983 年提出，是第一个商用图形卡支持的 EM （ Environment Mappin g ）方法。 • 纹理图像通过正投影观察一个纯反射球面的外形来得到，故得到的纹理称为球面图 (sphere map) 。 • 将几何体参数化到一个球上 , 然后进行映射。
49.立方体环境映照 (Cubic Environment Mapping) • 立方体环境映照由 Greene 于 1986 年提出，该方法速度快、适用性强，是图形硬件中最受欢迎的方法。 • 立方体环境映照通过把摄像机置于立方体的中心，然后把环境投影到立方体的面上。立方体上的图像作为环境图。 • 在实用中，场景需要绘制 6 次（立方体的每个面一次），摄像机置于立方体的中心，以 90 度的视角看立方体的面。
50.Greene 环境映照示意图左边的立方体展开为右边的环境图
51.一幅典型的环境图
52.例子 Xbox 游戏的一幅静态图像， Project Gotham Racing 。为了模拟车身上的动态反射效果，在车位置处逐帧建立一立方体环境映照。
53.采用环境映照的光照明 (Lighting Using Environment Mapping) • 环境映照的一个重要用途为生成镜面反射和折射。我们前面讲过，因为 Gouraud Shading 只在顶点处计算光照效果，所以会丢失高光。环境映照可以通过纹理上的光照来克服该问题。通过该方法，我们可以用固定的花费模拟任何数量光源的高光，而且光源也可以不一定是点，可以是有大小和形状的。 Per-pixel 的镜面高光光照环境映照整个周围场景的环境映照。
54.其他效果环境的平面反射加入环境图凹凸纹理
55.水面反射天空的效果采用环境图凹凸纹理技术
56.The End!