CN110120089B - 一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，包括：在待裁剪纹理图片上绘制四边形作为初始边界；对所述初始边界进行变形，得到若干个随机边界；分别对若干个随机边界通过透视变换变形为其AABB包围盒矩形，计算平铺结果评估值，并按评估值排序形成优先队列Q，记录已计算评估值的随机边界至已处理列表M；从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，偏移得到新边界，若所述新边界不在已处理列表M中，计算所述新边界的平铺结果评估值，并根据评估值大小插入优先队列Q中，记录所述新边界至已处理列表M；当优先队列Q为空或取出次数大于预设值n时，退出搜索计算；得到当前最优裁剪边界，展示纹理无缝平铺的结果。
Description
技术领域
本发明涉及计算机三维图形纹理贴图技术领域，具体涉及一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法。
背景技术
计算机三维图形纹理贴图是一种增强三维图形渲染真实感和表现力的技术。三维图形纹理贴图技术由计算机科学家Edwin Catmull在1974年提出，它把二维图片映射到计算机三维物体的表面，使三维物体表面呈现出色彩、凹凸不平、高光反射、粗糙磨损、透明等效果，为三维物体提供了丰富的细节，用简单的方式模拟出了精细复杂的三维物体外观。三维图形纹理贴图技术应用非常普遍，已经成为三维图形渲染的必需，几乎没有不用到纹理贴图的三维图形渲染场景。
纹理中最基本的颜色贴图可以在三维图形表面绘制出花纹图案；后面随着计算机三维图形技术的发展出现的法线贴图、视差贴图、置换贴图等可以在不提升三维模型面数的同时，使光滑的三维表面产生凹凸不平的效果；此外还有可以精细控制三维图形渲染效果的粗糙度贴图、金属度贴图、高光贴图等。三维图形纹理贴图技术使视觉真实、富有表现力的计算机三维图形渲染成为可能，推进了计算机三维图形渲染在数字游戏、电影、医学影像、军事模拟、虚拟现实、计算机辅助设计、古迹重建等多领域的应用。
纹理图片的分辨率大小和数量直接影响程序资源占用，纹理分辨率越大、纹理数量越多，三维图形渲染程序需要的存储空间越大，资源传输时间越长，运行时需占用的内存的越高。所以用于贴图的纹理分辨率不能无限大，纹理数量也不能无限多。为了在纹理表现高清的墙体、地板、面料等细节，需要重复使用同一张纹理进行贴图，即在三维物体表面对纹理进行平铺。
纹理平铺后可以清晰地展示三维物体表面连续接近的材质。未经处理的纹理因为边界颜色不连续，在平铺后的接缝处会形成明显的颜色跳变，影响三维图形渲染效果，使渲染图像看上去明显失真。以矩形纹理为例，纹理的上边界与下边界颜色一致，左边界与右边界颜色一致，才能达到无缝循环平铺的效果。
艺术家在制作新的平铺纹理时，需要考虑图片边界颜色一致性的问题。对于任意的纹理图片，如果要通过裁剪手段直接得到一块用于无缝平铺的纹理区域，需要手工多次调整，非常麻烦。手工调整仍然很难得到符合边界颜色连续要求的结果，艺术家往往还需要对裁剪后的图片进行额外的修正，增加数字美术资源的制作时间和生产成本。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，基于启发式搜索和颜色差异评估等技术，首次实现了纹理无缝平铺边界的自动优化。
一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，包括步骤：
(1)在待裁剪纹理图片上绘制四边形作为初始边界；
(2)对所述初始边界进行变形，得到若干个随机边界；
(3)分别对若干个随机边界通过透视变换变形为其AABB包围盒矩形，计算平铺结果评估值，并按评估值排序形成优先队列Q，记录已计算评估值的随机边界至已处理列表M；
(4)从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，偏移得到新边界；
(5)若所述新边界在已处理列表M中，回到步骤(4)；
若所述新边界不在已处理列表M中，计算所述新边界的平铺结果评估值，并根据评估值大小插入优先队列Q中，记录所述新边界至已处理列表M，然后回到步骤(4)；
当优先队列Q为空或步骤(4)的取出次数大于预设值n时，进入下一步骤；
(6)将评估值最优的边界作为最优边界对待裁剪纹理图片进行裁剪后，平铺得到无缝纹理。
作为优选，所述步骤(1)的具体步骤为：在待裁剪纹理图片上框取矩形，通过调整矩形的顶点、边和/或中心点的位置得到四边形，读取所述四边形作为初始边界。
通过调整矩形的顶点、边和/或中心点的位置可以得到不同形状和位置的四边形，系统可读取所述四边形的四个顶点位置，确定初始边界作为输入，并展示按照该初始边界对待裁剪纹理图片进行裁剪后的平铺效果。
作为优选，步骤(2)中，所述变形采用以下三种方法中的至少一种：
(a)以所述四边形的中点为锚，随机偏移整个四边形，得到若干个随机边界；
(b)随机偏移所述四边形的顶点，得到若干个随机边界；
(c)随机偏移所述四边形的边，得到若干个随机边界。
作为优选，步骤(3)中，采用如下公式计算平铺结果评估值：
其中，abs函数为绝对值函数，C(pxui)、C(pxdi)、C(pxli)和C(pxri)分别为上边界、下边界、左边界和右边界的第i个像素处的颜色估计，可使用灰度值或RGB三通道值的加和，Npx为矩形边界的x轴方向边像素数，Npy为y轴方向边像素数。
步骤(3)中，所述评估值越小，评估值越优，平铺结果越好。
作为优选，所述步骤(4)的具体步骤为：从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，计算得到该随机边界分别向上、下、左、右四个方向偏移设定步长后的四个新边界。
作为优选，所述优先队列Q中的每一存储项包括边界偏移值和评估值。
作为优选，按评估值从小到大将所述优先队列Q中的存储项从前到后排列。优先队列Q的队头为待处理边界中评估值最小的边界，保证每一次搜索都朝着当前最优的方向。
已处理列表M用于记录已计算过的边界，避免重复计算。作为优选，所述已处理列表M为哈希表，可减少查找时间。
预设值n即最大迭代次数，可根据偏移区域大小确定。为保证合理的运行时间和系统可用性，作为优选，所述预设值n不大于150，避免优化结果搜索计算时间过长，影响用户使用体验。
作为优选，步骤(6)中所述最优边界的确定采用如下方法：分别初始化当前最优评估值为无限大以及当前最优边界为空，根据随机边界和新边界的评估值计算结果，实时更新当前最优评估值和对应的最优边界。
本发明还提供了一种纹理贴图调整系统，采用了所述的纹理无缝平铺边界自动优化的方法，包含了用户自定义兴趣裁剪边界，自动优化裁剪边界并展示平铺结果的交互系统。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)基于启发式搜索、颜色差异评估，首次为纹理无缝平铺实现了裁剪边界自动优化的技术。
(2)本发明利用简易的鼠标交互操作，优化用户自定义的裁剪边界，使裁剪后的纹理可以实现无缝平铺，极大方便了三维模型贴图渲染的前期工作。
附图说明
图1为实施例的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法的流程示意图；
图2为实施例的步骤(1)的用户输入裁剪边界(上图)以及按此边界对图片裁剪后进行平铺的结果(下图)；
图3为实施例的步骤(2)的三种变形方法，分别为偏移中心点(上图)、偏移顶点(中图)、偏移边(下图)；
图4为实施例的优先队列Q(上图)、已处理列表M(中图)、当前最优边界及其评估值(下图)；
图5为实施例的步骤(6)的最优边界(上图)及其平铺得到的无缝纹理(下图)。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法的流程如图1所示，包括用户绘制兴趣裁剪边界、规划合理搜索区域、对区域内随机边界的评估值排序、按顺序对边界的邻近边界评估优化边界、展示最优结果等步骤，具体步骤如下：
(1)如图2所示，用户向系统导入一张待裁剪纹理图片，在二维图片操作区域，使用鼠标在纹理图片上框取矩形，调整顶点、边、中点的位置得到一个四边形。系统读取用户输入的兴趣四边形，作为初始裁剪边界。系统依据该初始裁剪边界对纹理图片进行裁剪，并平铺贴图在三维方形面片上，展示在三维纹理展示区域。
(2)如图3所示，对步骤(1)的初始裁剪边界进行偏移变形，偏移变形的方法有：
(a)以四边形的中心点为锚，在图片内以一定的偏移上限，随机偏移整个四边形；
(b)对于四边形的四个顶点，分别在每个顶点附近以一定的偏移上限，偏移该顶点；
(c)对于四边形的四条边，分别在每条边附近以一定的偏移上限，偏移该边。
应用以上三种偏移方法，共生成9组随机边界集合，每组随机边界集合内含有100个随机边界。
(3)对生成每个的随机边界，计算其AABB包围矩形，通过透视变换将边界映射到其包围矩形上，实现边界矩形化。
采用如下公式计算平铺结果评估值：
其中，abs函数为绝对值函数，C(pxui)、C(pxdi)、C(pxli)和C(pxri)分别为上边界、下边界、左边界和右边界的第i个像素处的颜色估计，使用灰度值或RGB三通道值的加和，Npx为矩形边界的x轴方向边像素数，即上、下边界像素数，Npy为y轴方向边像素数，即左、右边界像素数。
如图4所示，分别将每个边界的评估值和偏移值组合作为一个存储项，并按评估值从小到大排列形成优先队列Q，记录已计算评估值的随机边界至已处理列表M。已处理列表M为哈希表，利用已处理列表M可快速查询某项边界是否已经被计算过纹理平铺结果评估值，避免重复计算评估值和影响边界优化方向。
(4)从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，偏移得到新边界，具体步骤为：从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，计算得到该随机边界分别向上、下、左、右四个方向偏移设定步长后的四个新边界。
(5)若所述新边界在已处理列表M中，回到步骤(4)；
若所述新边界不在已处理列表M中，计算所述新边界的平铺结果评估值，并根据评估值大小插入优先队列Q中，记录所述新边界至已处理列表M，然后回到步骤(4)；
当优先队列Q为空时，进入下一步骤；
(6)分别初始化当前最优评估值为无限大以及当前最优边界为空，根据随机边界和新边界的评估值计算结果，实时更新当前最优评估值和对应的最优边界。如图5所示，将最终得到的评估值最优的边界作为最优边界对待裁剪纹理图片进行裁剪后，平铺得到无缝纹理。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，包括步骤：
(1)在待裁剪纹理图片上绘制四边形作为初始边界；
(2)对所述初始边界进行变形，得到若干个随机边界；
(3)分别对若干个随机边界通过透视变换变形为其AABB包围盒矩形，计算平铺结果评估值，并按评估值排序形成优先队列Q，记录已计算评估值的随机边界至已处理列表M；
(4)从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，偏移得到新边界；
(5)若所述新边界在已处理列表M中，回到步骤(4)；
若所述新边界不在已处理列表M中，计算所述新边界的平铺结果评估值，并根据评估值大小插入优先队列Q中，记录所述新边界至已处理列表M，然后回到步骤(4)；
当优先队列Q为空或步骤(4)的取出次数大于预设值n时，进入下一步骤；
(6)将评估值最优的边界作为最优边界对待裁剪纹理图片进行裁剪后，平铺得到无缝纹理。
2.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤为：在待裁剪纹理图片上框取矩形，通过调整矩形的顶点、边和/或中心点的位置得到四边形，读取所述四边形作为初始边界。
3.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，步骤(2)中，所述变形采用以下三种方法中的至少一种：
(a)以所述四边形的中点为锚，随机偏移整个四边形，得到若干个随机边界；
(b)随机偏移所述四边形的顶点，得到若干个随机边界；
(c)随机偏移所述四边形的边，得到若干个随机边界。
4.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，步骤(3)中，采用如下公式计算平铺结果评估值：
其中，abs函数为绝对值函数，C(pxui)、C(pxdi)、C(pxli)和C(pxri)分别为上边界、下边界、左边界和右边界的第i个像素处的颜色估计，使用灰度值或RGB三通道值的加和，Npx为矩形边界的x轴方向边像素数，Npy为y轴方向边像素数。
5.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体步骤为：从优先队列Q中取出评估值最优的随机边界，计算得到该随机边界分别向上、下、左、右四个方向偏移设定步长后的四个新边界。
6.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，所述优先队列Q中的每一存储项包括边界偏移值和评估值。
7.根据权利要求4所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，按评估值从小到大将所述优先队列Q中的存储项从前到后排列。
8.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，所述已处理列表M为哈希表。
9.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，所述预设值n不大于150。
10.根据权利要求1所述的基于裁剪边界优化的无缝纹理自动生成方法，其特征在于，步骤(6)中所述最优边界的确定采用如下方法：分别初始化当前最优评估值为无限大以及当前最优边界为空，根据随机边界和新边界的评估值计算结果，实时更新当前最优评估值和对应的最优边界。
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