CN102147927B - 一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置，通过根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型，计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图，所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素，通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量，根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理图的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像，从而提高了贴图的立体感和真实感。

Description

一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置

技术领域

本发明涉及图文包装技术领域，特别是涉及一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置。

背景技术

贴图是计算机图形学和计算机可视化中的重要技术。通过贴图可以构造形态各异的物体表面的纹理特征。

在计算机图形学中，如何使物体具有相片级别的真实感，一直是一个重要的研究方向。其中纹理映射技术可以实现对物体细节的描述。但是由于普通的纹理技术实际上只考虑了物体表面的颜色纹理，即只能在光滑的表面上描绘各种事先定义的花纹图案，不能表现由于表面的微观几何形状凹凸不平而呈现出来的粗糙感。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种贴图的处理方法，用以提高图片的真实感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置，用以提高地形纹理贴图的真实感。

为了解决上述问题，本发明公开了一种地形纹理贴图的处理方法，所述方法包括：

根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像。

优选的，所述方法还包括：

对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿。

优选的，所述亮度补偿采用灰度拉伸的方式完成。

更为优选的，所述灰度拉伸通过以下子步骤完成：

通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。

本发明还公布了一种地形纹理贴图的处理装置，所述装置包括：

光照模型确定模块，用于根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

灰度图获取模块，用于计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

法向量获取模块，用于通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

图像生成模块，用于根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像。

优选的，所述装置还包括：

亮度补偿模块，用于对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿。

优选的，所述亮度补偿模块采用灰度拉伸的方式完成亮度补偿。

更为优选的，所述亮度补偿模块包括以下子模块：

灰度直方图统计子模块，用于通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

灰度变换子模块，用于根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明所提供的一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置，通过根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型，计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图，所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素，通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量，根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像，从而提高了贴图的立体感和真实感。

其次，本发明通过灰度拉伸对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿，更进一步的提升了地形纹理图像的逼真度。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的一种地形纹理图的处理方法流程图；

图2是本发明实施例一所述的一种处理前的地形纹理贴图的原始图像的示例图；

图3是本发明实施例一所述的一种处理后的具有凹凸纹理的图像的示例图；

图4是本发明实施例二所述的一种地形纹理图的处理装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

视频及多媒体技术的不断发展，促使图文包装的应用越来越广泛，制作效果的要求也越来越高，在图文包装特别是天气预报等节目的图文包装中常常需要用到地形纹理贴图来形象具体的进行说明，如果能够找到一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置，那么将大大提高图像的真实感和立体感，更到位的完成图文包装工作。

因此，本专利发明人创造性地提出了本发明实施例的核心构思之一，即提供一种地形纹理贴图的处理方法，根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型，计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素，通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量，根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像。

具体的来说，本发明采用一种无需修改表面几何模型即能模拟表面凹凸不平效果的有效方法---几何凹凸纹理映射技术(BumpMapping)，实现了三维地球系统地形纹理贴图的立体化，使得地表更具真实感。

其中，Bumpmapping技术是以改变法向量，从而改变光亮度的一种映射技术。对平面而言，所有点法向量相同，应用简单的光照模型后，所有点光亮度将保持一致。反之，若各个点的光亮度发生改变，就会给人以错觉，认为表面不再平滑，而呈现粗糙感。其原理如下：

若景物表面的参数方程为，Q＝Q(u，v)，Qu，Qv(没有单位化)为表面上任意点在该点的偏导矢量，则表面上在任一点(u，v)的单位法向量为：N＝N(u，v)＝Qu*Qv/|Qu*Qv|

在表面每一采样点处沿其法线方向附加一个扰动因素，为便于理解这里扰动因素以扰动函数P(u，v)为例，从而得到新的表面Q′(u，v)＝Q(u，v)+P(u，v)N，则扰动后的表面法向量为：

N′＝Q′u*Q′v＝Qu*Qv+Pu(N*Qv)+Pv(Qu*N)＝N+PuA-Pv*B

设其中A＝N*Qv，B＝N*Qu，令D＝PuA-PvB，则扰动后的法向量为：N′＝N+D。

扰动因素可任意选择，可以是简单的网格团，字符位映射，Z缓存图案以及随手描图案又或其他形式的扰动因素。

实施例一：

参照图1，示出了本发明的一种地形纹理图的处理方法流程图，本实施例主要是通过对原始图像处理，得到灰度图，用其作为扰动因素，来计算新的表面的法向量，从而改变图像光亮度，使图像产生凹凸感。所述方法具体包括：

S101，根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

通常光照模型是通过提供一系列的库函数形成的，使用中可以十分方便的根据场景建立所需的光照模型，实际使用中所涉及到的光照模型可以有环境光、漫射光、镜面反射光等组成，还可以通过设置光线衰减因子来模拟真实的光照效果。本实施例中所涉及到的光照模型需要定义光源照射原始图像的方向角以及光源的高度来完成，其中所述光源可以是点光源、线光源和面光源，所述原始图像为图文包装中所用到的地形纹理贴图，具体可参照图2进行示例，对照到上文所述的原理中也就是表面参数方程Q＝Q(u，v)所对应的图像。

S102，计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

其中，所谓灰度值是指色彩的浓淡程度，把白色与黑色之间按对数关系分为若干等级，称为灰度，灰度分为256阶。用灰度表示的图像称作灰度图。除了常见的卫星图像、航空照片外，许多地球物理观测数据也以灰度表示。以位场图像为例，把位场表示为灰度图，需要将位场观测值灰度量化，即将场的变化范围转换成256阶的灰度范围。由于位场的动态变化范围非常大，磁场可达数万个纳特，重力场也可能在数百个重力单位内变化，所以在显示为图像前通常需要对位场观测值进行拉伸或压缩。

任何颜色都有红、绿、蓝三原色组成，实际使用中可以按照某种计算方法，对原始图像进行计算将其转换为灰度图。假如原始图像中某点的颜色为RGB(R，G，B)，其中，R、G、B分别代表红red、绿green、蓝blue，那么将其转换为灰度图的计算方法有：

浮点算法：Gray＝R*0.3+G*0.59+B*0.11；

整数方法：Gray＝(R*30+G*59+B*11)/100；

移位方法：Gray＝(R*28+G*151+B*77)＞＞8；

平均值法：Gray＝(R+G+B)/3；

仅取绿色：Gray＝G。

通过上述任一种方法求得Gray后，将原始图像中RGB(R，G，B)中的R，G，B统一用Gray替换，形成新的颜色RGB(Gray，Gray，Gray)，用它替换原始图像的RGB(R，G，B)就得到原始图像的灰度图了。本实施例中优选的采用移位方法来完成灰度图的转换，对照前面所述的原理，这里所提到的灰度图就是原始图像的一种扰动因素。

S103，通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

其中，所述的地形高度值是通过灰度高度关系对照换算得到的，一般来说，大约灰度83＝海平面，灰度乘以3后减去250m即约等于高度，通常取灰度83＝海拔0m，灰度117＝100m，灰度150＝200m，灰度183＝300m。这里通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算得到当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量，对照前面所述的原理也就是扰动因素扰动后的法向量。

S104，根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像。

通过步骤S101所确定的光照模型以及S103计算所得的具有凹凸纹理图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像，从而得到更为逼真的图像，提高了图像的真实感和立体感。

优选的，所述方法还包括：

S105，对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿。

对原始图像进行运算处理之后，图像的亮度会有所损失，这里通过对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿得到更为逼真的地形纹理图像。

更为优选的，所述亮度补偿采用灰度拉伸的方式完成，灰度拉伸又叫对比度拉伸，它的主要思想是提高图像处理时灰度级的动态范围。

优选的，所述灰度拉伸通过以下子步骤完成：

S1，通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

S2，根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。

这里通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图的统计，对应每一个灰度值统计出具有该灰度值的像素数，从而找到对图像进行灰度拉伸的两个拐点，假设两个拐点分别为：x₁和x₂，将所求得的拐点代入灰度拉伸的变换函数，得到当前灰度变换的变换函数：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}{y}_1/x_1*x,x<x_1\\ (y_2-y_1)/(x_2-x_1)*(x-x_1)+y_1,x_1\&le;x\&le;x_2\\ (255-y2)/(255-x_2)*(x-x_2)+y_2,x\&GreaterEqual;x_2\end{array}\right.$

其中，y₁和y₂分别为拐点x₁和x₂所对应的灰度值，f(x)代表变换后的灰度变换后的灰度值，利用变换函数对像素灰度值进行映射得到，依据灰度变换后的灰度值对计算生成具有凹凸纹理的图像做相应的调整，最终处理后的效果图可参照图3，从而更进一步的提升了地形纹理图像的逼真度。

需要说明的是，本实施例所述的方法不是真正改变了物体表面的几何外观，而是在通过扰动物体表面的法向量来实现具有凹凸感的假象。扰动物体表面的法向量是通过一个扰动因素来实现，通过扰动因素可以改变物体表面原来的法向量，使物体表面的法向量达到预期的要求，然后借助于光照模型，根据亮的地方看起来向上凸，而暗的地方看起来下凹的原理，便实现表面具有凹凸的假象。所述的方法是使用一个只有灰度的贴图来模拟表面褶皱，通过灰度图的表面纹理坐标和地形高度值得到扰动后的法向量，如果所得法向量的数值很高，则意味着所计算的这个像素的斜率很大，在纹理上表现出来就是这个位置高度变化很剧烈。由上所述，扰动法向量需要带入光照模型中。这意味着光照计算是基于像素的，而不是基于顶点的。

实施例二：

参照图4，示出了本发明的一种地形纹理图的处理装置结构图，所述装置具体包括：

光照模型确定模块401，用于根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

灰度图获取模块402，用于计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

法向量获取模块403，用于通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

图像生成模块404，用于根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像。

优选的，所述装置还包括：

亮度补偿模块405，用于对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿。

更为优选的，所述亮度补偿模块405采用灰度拉伸的方式完成亮度补偿。

更为优选的，所述亮度补偿模块405包括以下子模块：

灰度直方图统计子模块4051，用于通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

灰度变换子模块4052，用于根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。

本实施例中通过光照模型确定模块401根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型，灰度图获取模块402计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图，所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素，法向量获取模块403通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量，图像生成模块404根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像，并且通过亮度补偿模块405对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿，从而提高了贴图的立体感和真实感，表现了因表面的微观几何形状凹凸不平而呈现出来的粗糙感，得到了更为逼真的地形纹理图像。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种地形纹理贴图的处理方法和处理装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种地形纹理贴图的处理方法，其特征在于，所述方法包括：

根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

通过移位方法计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像；

对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿；

其中，所述亮度补偿采用灰度拉伸的方式完成；

所述灰度拉伸通过以下子步骤完成：

通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。

2.一种地形纹理贴图的处理装置，其特征在于，所述装置包括：

光照模型确定模块，用于根据光源照射原始图像的方向角以及光源的高度，确定光照模型；

灰度图获取模块，用于通过移位方法计算原始图像中各个像素点的灰度值，得到原始图像的灰度图；所述灰度图作为对原始图像进行处理的扰动因素；

法向量获取模块，用于通过灰度图的表面纹理坐标以及地形高度值计算当前扰动因素作用下具有凹凸纹理的图像的法向量；

图像生成模块，用于根据所确定的光照模型以及计算所得的具有凹凸纹理的图像的法向量和原始图像计算生成具有凹凸纹理的图像；

亮度补偿模块，用于对所生成的具有凹凸纹理的图像进行亮度补偿；

其中，所述亮度补偿模块采用灰度拉伸的方式完成亮度补偿；

所述亮度补偿模块包括以下子模块：

灰度直方图统计子模块，用于通过对生成的具有凹凸纹理的图像进行灰度直方图统计，获取对图像进行灰度拉伸的两个拐点；

灰度变换子模块，用于根据所确定的拐点确定灰度拉伸的变换函数，并依据所述变换函数对所述具有凹凸纹理的图像进行灰度变换。