基于过程的纹理技术研究
纹理技术是计算机图形学领域的重要研究内容，在影视业和游戏业方面有着十分广泛的应用背景。为了追求更加唯美的视觉影像，计算机图形学领域相关算法和图形显示技术在不断地改进，纹理技术的提高更是极大地丰富了人类的视觉感官。纹理技术的目标是实现场景的实时性和真实性，前者需要实现展示的流畅性，需要系统具有超强的性能和足够的缓冲存储空间，后者着重在场景的宜人性上下功夫，此两者是一对矛盾体。目前常用的纹理映射技术和基于样图的纹理合成技术在真实性上取得了一定的成果，但这是一种同一场景纹理始终不变的静态的真实，且耗费巨大内存空间的特点始终是难以攻克的难题。为了实现动态逼真的且占据空间尽量小的纹理，Perlin等人提出了利用噪声函数来模拟空间纹理，从而开启了过程纹理技术研究的先河。过程纹理技术(procedural texture)采用代码段或算法来编码抽取模型细节，用数学计算的方法描绘自然材质，并且允许高层控制和规范。
本文研究主要包括如下几个方面内容:
1.系统研究了过程纹理技术，从过程纹理技术研究的背景出发，分析了目前计算机视觉发展中研究过程纹理技术的重大意义，比较了常用的纹理映射和纹理贴图等纹理技术手段，明确了过程纹理技术在模拟自然纹理中有着不可替代的优势。
2.深入探讨了过程纹理的数学模型，特别是Perlin噪声函数，同时分析和研究了分形函数、三维噪声函数、湍流函数、木纹函数，以及粒子系统等过程纹理函数的数学模型。通过这些理论的研究，明确了过程纹理技术的内在本质。
3.利用C++平台，结合OpenGL纹理处理技术，深刻的分析探讨了过程纹理技术的应用实例。编写了Perlin噪声函数生成算法，实现了只需要调节相关参数，如背景和噪声层的颜色、噪声值的大小、噪声持续度、振幅、频率以及平滑度等，就可以生成需要的噪声纹理，为其他过程纹理的研究奠定了坚实的基础。通过改变噪声函数图像中的颜色，得到类似植被和云彩的图形，然后将两个图层经过必要的高斯模糊、去色以及锐化等一系列操作后，对所有图层进行合并，实现了空间大气层的模拟。用噪声函数模拟出空间云朵的形状，结合蓝天、太阳光及其光晕效果、天空穹庐形状等，模拟出了蓝天白云效果图。提出了将不同频率的噪声图像进行置换，产生动态效果的纹理，从而为场景的动态纹理生成提供了切实可行的方法。通过对大理石纹理加入湍流函数，生成不同带状的纹理，对纹理不同密度赋予不同颜色，再进行一定的平滑操作，得到了大理石纹理的模拟。通过对噪声纹理图进行分形扰动等处理，得到了类似火焰的纹理，在纹理上加入一定的光晕，模拟了火焰效果，改变火焰上升时的路径和颜色，对不同频率的火焰进行置换产生了动态火焰效果。还应用类似方法生成了水纹、星球表面纹理、结合粒子系统生成了水龙头喷射水滴的效果等等。
总之，本文通过对纹理技术和过程纹理技术的分析与应用，成功地模拟了大气、云彩、火焰、水滴等自然纹理，体现了过程纹理技术在自然纹理模拟中具有强大的优越性。旨在从理论和实践两个方面充分说明过程纹理技术的重要意义和实际应用价值，从而为进一步推广过程纹理技术在模拟自然场景中的应用做出应有的贡献。
过程纹理;Perlin噪声函数;分形函数;纹理映射;自然纹理模拟;计算机图形学
浙江师范大学
硕士
计算机应用技术
苗兰芳
2012
中文
TP391.41;TP301.6
84
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）