大规模场景绘制中的纹理合成技术研究

论文摘要

大规模场景绘制技术是游戏编程世界中的热点技术,同时它在其它诸如GIS系统、飞行模拟系统、VR系统以及数字地球技术等领域都有着同样重要的作用。大规模场景绘制技术是虚拟现实、实时仿真以及交互三维设计等许多重要应用的底层支撑技术,也是计算机图形学本身的一个基础性研究课题。纹理合成技术是大规模场景绘制中的重要一环,可以提高场景真实感显示效果,更加细腻的显示地形;多样图纹理合成用于将鲜花,绿草,黄沙等多种元素更自然的显示在大规模地形当中;曲面纹理合成则用于将二维真实纹理合成于凹凸不平的三维场景中;这两项技术直接影响到大规模场景绘制中的渲染质量。本文在对传统基于马尔可夫模型纹理合成理论进行深入研究的基础上,以加快纹理合成速度,提高输出纹理质量为目的,针对曲面纹理合成和多样图纹理合成,提出了相应的算法:针对传统的基于顶点上色曲面纹理合成方法合成速度慢,合成曲面纹理分辨率过分依赖于网格大小等问题,提出了网格拼接块的概念,将点合成与块拼接相结合,提出了一种网格内点合成,网格间块拼接的新的曲面纹理合成方法,并对拼贴块优化计算进行了深入探讨。应用粒子群优化算法作为像素寻优策略,应用于多样图纹理合成算法中,将群智能中经典的粒子群优化算法引入到纹理合成领域。应用粒子群优化多样图纹理合成方法是传统的基于像素纹理合成方法和基于块的纹理合成方法的折衷,除了大大提高了多样图纹理合成的速度,样图的质量也得到了很大改善;经实验证明,该算法有效解决了徐晓刚混合纹理合成中输出纹理出现的条痕问题。最后,本文通过将以上算法应用于HUST Fly3D引擎之中,实现了一个大规模场景漫游系统,对上述算法进行了验证,证明了算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及其意义
• 1.1.1 纹理合成综述
• 1.1.2 纹理合成在大规模场景绘制中的应用
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 典型算法分析与实现
• 2.1 问题描述
• 2.1.1 纹理的定义
• 2.1.2 基于样图的纹理合成
• 2.1.3 基本数学模型
• 2.1.4 优化问题及求解方法
• 2.2 MRF 模型分析
• 2.2.1 马尔可夫随机场理论
• 2.2.2 MRF 模型优缺点分析
• 2.3 动态特征匹配算法分析
• 2.4 基于像素的纹理合成方法分析
• 2.4.1 基本思想
• 2.4.2 Wei-Levoy 算法
• 2.4.3 多种子快速纹理合成算法
• 2.5 基于块的纹理合成方法分析
• 2.5.1 基本思想
• 2.5.2 Efros 块缝合算法
• 2.5.3 基于不规则块的纹理合成
• 2.5.4 基于块纹理合成优缺点分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于网格拼贴的曲面纹理合成
• 3.1 网格拼贴块模型描述
• 3.2 算法流程及理论依据
• 3.2.1 算法流程
• 3.2.2 理论分析
• 3.3 网格层次模型的建立
• 3.3.1 拼贴块参数设置
• 3.3.2 建立网格层次模型
• 3.4 建立网格矢量场
• 3.5 曲面表面网格块匹配搜索
• 3.6 拼贴面片纹理
• 3.7 拼贴块的优化
• 3.7.1 纹理块尺寸的确定
• 3.7.2 度量值的计算
• 3.7.3 纹理块重叠区域宽度的确定
• 3.8 实验结果与分析
• 3.9 本章小结
• 第4章 应用粒子群的多样图纹优化理合成
• 4.1 引言
• 4.2 粒子群优化算法
• 4.2.1 基本原理及演化
• 4.2.2 数学描述
• 4.2.3 粒子群优化算法描述
• 4.2.4 算法分析
• 4.3 粒子群优化算法在多样图纹理合成中的应用
• 4.3.1 样图粒子属性定义
• 4.3.2 样图内匹配值选取
• 4.3.3 样图间匹配点选取
• 4.3.4 算法流程描述
• 4.4 基于约束的多样图纹理合成
• 4.4.1 基本方法
• 4.4.2 关键问题及解决
• 4.5 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 纹理合成在大规模场景绘制中的应用与实现
• 5.1 引言
• 5.2 HUST Fly3D 设计与实现
• 5.2.1 Direct3D 简介
• 5.2.2 HUST Fly3D 引擎构架设计
• 5.3 大规模场景漫游系统实现
• 5.3.1 设置场景显示流水线
• 5.3.2 生成随机地形
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢