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1、高级计算机图形学中国科学技术大学计算机学院黄章进zhuang@ustc.edu.cn回顾òOpenGL的明暗处理ò缓冲区•指定法向量•颜色、深度、累加、•启动明暗处理，设置模板光照模型参数•写入模式：XOR•观察点、双面光照、òOpenGL位图和像素全局环境光•操作指定光源属性•颜色、位置、距离衰•像素流水线减项、聚光灯参数•位图•指定材料属性•像素•发射光、光洁度、各种反射率2第八章之第二节纹理映射3基本内容ò介绍各种映射方法•纹理映射(texturemapping)•环境映射(environmentalmapping)•凹凸映射(bumpmapping)ò考虑基本策略•正向映射
2、和逆向映射•点采样与区域平均4几何建模的局限ò虽然图形显示卡可以每秒钟显示多达一千万个多边形，但这个速度仍不能满足模拟许多自然现象和天然物质的要求•云•草•地貌•树皮•毛发•水波与火焰5橙子的模型ò考虑如何建立橙子的模型ò用橙色的球表示橙子•太简单ò用更复杂形状代替球•没有表示出表面的特性(微凹,dimples)•为了模拟所有的微凹，需要相当多的多边形6橙子的模型(续)ò获取真实橙子的照片，扫描后把结果“粘贴”到简单的几何模型上•这个过程就是纹理映射ò可能结果仍然不令人满意，因为所得曲面是光滑的•需要改变局部形状•凹凸映射7三种映射方法ò纹理映射•利用图像填充多边形ò环境映射(反射
3、映射)•利用环境的图像进行纹理映射•可以模拟高度镜面曲面ò凹凸映射•在生成显示结果的过程中可以改变法向量8纹理映射几何模型纹理映射后9环境映射10凹凸映射11三种映射的共同点ò作为片段处理的一部分，改变单个片段的明暗值ò都与存储为一维、二维或三维数字图像的贴图有关ò保持低的几何复杂性，但能产生复杂几何的视觉效果ò都可能产生走样误差12映射在什么地方进行？ò映射技术是在绘制流水线的最后阶段实现的•非常有效，因为在经过所有的操作后，减少了许多不必要的映射13二维纹理ò纹理：以数组形式存储在处理器内存里的二维图像，此时数组元素称为纹素(texel)•由应用程序生成或照片扫描输入ò把离散数
4、组看成一个连续的二维矩形区域纹理图案T(s,t)，独立变量s和t是纹理坐标•一般把纹理坐标缩放到[0,1]区间14很容易吗？ò虽然映射的想法很简单，即把图像映射到曲面上，但由于这时要用到三、四个坐标系，因此实现起来并不容易二维图像三维曲面15坐标系ò参数坐标系•可以用来建立曲线、曲面ò纹理坐标系•用来识别要被映射的图像上的点ò世界坐标系•从概念上说，就是映射发生的地方ò屏幕坐标系•最终图像生成的地方16纹理映射框架参数坐标纹理坐标世界坐标屏幕坐标17映射函数ò基本问题就是如何定义映射ò考虑从纹理坐标到曲面上一点的映射ò直观地看，应当需要三个函数x=x(s,t),y=y(s,t),z
5、=z(s,t)(x,y,z)ò虽然从概念上讲，最终必定用到上述的函t数，但实际采用的是s却是间接的方法18逆映射ò我们需要的是逆向操作•给定一个像素，我们想知道它对应于对象上的哪个点•给定对象上的一个点，我们想知道它对应于纹理中的哪个点ò此时需要如下形式的映射s=s(x,y,z)t=t(x,y,z)ò这样的函数一般是很难求出来的19实际困难ò假设要计算中心在(x,y)的一个矩形像素的颜ss色，中心点对应于对象上的点(x,y,z)ò如果对象是弯曲的，那么矩形像素的原像是一个曲边四边形ò这个曲边四边形在纹理上的原像才是对当前矩形像素的颜色有贡献的纹理元素20走样现象ò先不管如何定义逆映
6、射，只考虑如何确定当前像素的颜色(或者说明暗效果)ò一种方法是用当前像素块的原像的中心对应的纹理元素的颜色•走样(aliasing)21Moiré效果ò当不考虑像素是有一定的大小时，在图像中会导致moiré效果，即出现波纹22“更好”的方法ò用在纹理原像上对应区域的明暗效果的平均值赋给当前像素•很难实现•也不是完美的•右图经上述处理后也得不到所需要的结果•但这个问题来自于低分辨率的局限•对于规则纹理，这种效果非常明显23映射的确定ò考虑由参数方程定义的曲面p(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))ò此时通常采用如下形式从纹理元素对应到曲面上的点u=as+bt+c,v
7、=ds+et+f•只要ae≠bd,上述映射是可逆的24s−sminu=u+(u−u)minmaxmins−smaxmint−tminv=v+(v−v)minmaxmint−tmaxmin25方法的特点ò很容易应用ò没有考虑曲面的弯曲•为了填充曲面，纹理在不同方向进行了不同拉伸26两步映射ò解决映射问题的另外一种方法ò首先把纹理映射到一个简单的中间曲面上ò例如：映射到圆柱上27圆柱面映射ò高为h，半径为r圆柱的参数方程是x=rcos2πuy=rsin2πu,0≤u,v≤
