第14讲 纹理及纹理映射
12纹理概念及纹理映射说课讲解
纹理映射
纹理的概念 函数纹理 几何纹理 纹理映射
纹理映射
纹理的概念 函数纹理 几何纹理 纹理映射
纹理映射
把纹理图像值映射到三维物体的表面的技术
• 问题 改变物体的属性，可以产生纹理的效果，对简单光
照明模型而言 • 改变漫反射系数来改变物体的颜色 • 改变物体表面的法向量
纹理映射
目标: 在不增加几何细节的情况下增加可见的细节 多边形 多边形
纹理示例
表面细节的基本概念
表面的分类：
1)光滑表面（理想世界） 2)细节表面（真实世界）
纹理的分类：
1)颜色纹理
二维纹理，物体表面花纹、图案 三维纹理，木材纹理
2)几何纹理
基于物体表面的微观几何形状------法向扰动 举例：凸凹不平的树皮
• 纹理映射可分为 2D 和 3D 映射 • 2D – “墙纸”，即将一个 2D 图像映射到一个物体上 • 3D – “雕刻” ，即在一块材质上刻出一个物体
2D 纹理映射
• 将一个 2D 纹理图映射到一个 3D 物体上 • 如何将物体上的点与纹理上的坐标一一对应 ?
纹理映射
所谓纹理映射，就是将一给定的纹理函数映射到物体的表面上，即在 计算物体表面光照度之前，将相应的纹理函数值作为物体表面漫反射的光亮 度Id代入光照明模型进行计算。 作纹理映射时，需要涉及纹理空间、景物空间及图像空间之间的映射， 映 射过程如图 所示。
对于一般参数曲面片，如双三次参数曲面片，通常将其沿u, v参数线划 分成四边形或三角形网格。 四边形或三角形网格内的参数值，可以由顶点处 精确的参数值求出。
在图中，参数曲面片由空间四边形B1B2B3B4近似表示，
其中: u1≤u≤u2, v1≤v≤v2。
纹理映射和阴影处理
二、 什么是半影
Occluder-遮挡物：阴影的生成是因为空间有遮挡物。这 些遮挡物把光源挡住了，所以在receivers上有些部分就很 阴暗。
阴影是本影和半影的组合。求出本影和半影的并集（union ）来绘出阴影。
PDF pdfFactory
二、 阴影
n 自身阴影：由于物体自身的遮挡而使光线照射不到它上面 的某些面；
纹理映射
一、 什么是纹理和纹理映射？
没有纹理
有纹理
二、 纹理有什么用？
n 表面可以用纹理来代替，不用痛苦地构造模型和材质细 节，节省时间和资源，让用户做其他更重要的东西。
n 可以用一个粗糙的多边形和纹理来代替详细的几何构造 模型，节省时间和资源。
二、 纹理作用
+
=
三、 纹理分类
颜色纹理：颜色或明暗度变化体现出来的表面细节，如刨光 木材表面上的木纹。
几何纹理：由不规则的细小凹凸体现出来的表面细节，如 桔子皮表面的皱纹。
四、 图形学中纹理定义
在真实感图形学中，可以用下列两种方法来定义纹理： （1）图象纹理：将二维纹理图案映射到三维物体表面，绘制物 体表面上一点时，采用相应的纹理图案中相应点的颜色值。 （2）函数纹理：用数学函数定义简单的二维纹理图案，如方格 地毯；或用数学函数定义随机高度场，生成表面粗糙纹理即几 何纹理。
PDF pdfFactory
五、 纹理映射
几何纹理使用一个称为扰动函数的数学函数进行定义。 扰动函数通过对景物表面各采样点的位置作微小扰动来改 变表面的微观几何形状。 设景物表面由下述参数方程定义：Q = Q(u,v)
则表面任一点(u,v)处的法线为：N = N (u,v) = Qu (u,v) × Qv (u,v)
纹理映射技术
• 设置纹理采样方式 – 调用函数SetSamplerState设置纹理采样方式
– 四种：
• Nearest-Point Sampling • Linear Texture Filtering • Anisotropic Texture Filtering • Texture Filtering with Mipmaps
3. 纹理压缩
• 一个直接针对纹理内存和带宽的解决方法是固定 速率的纹理压缩(fixed-rate texture compression)。
• 通过硬件即时对压缩的纹理进行解压，所需的纹 理内存可减少，从而增加了有效Cache的大小， 同时减少了带宽需要。
• 一般双线性插值;
• 从而三角形上每个象素点都可对应地到纹理图片上去 取颜色．
思考？
• 图像与几何体的尺寸不一致怎么办？
• 几何对应的纹理空间超出[0,1)纹理空间怎么办？ • 几何物体本身有颜色怎么办?
问题1: 纹理图像缩放(纹理采样方式)
• 在硬件图形加速卡中，纹理图像的大小经常为 2m×2n(或者2m×2m)的纹素，其中m和n为非负整数。
• 分配顶点纹理坐标 • 设置当前渲染纹理
– SetTexture（）
• 设置纹理渲染状态
– SetTextureStageState（）
• 渲染顶点缓冲区
– SetStreamSource( 0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX) );
– SetFVF( D3DFVF_CUSTOMVERTEX ); – DrawPrimitive( D3DPT_TRIANGLESTRIP, 0, 2);
问题2: 纹理重复方式
(1,1) (0,0)
3D建模与设计中的纹理映射方法研究
3D建模与设计中的纹理映射方法研究在3D建模与设计中，纹理映射是一个重要的技术，它可以赋予模型以更真实的外观和触感。
通过纹理映射，我们可以在模型表面上添加细节、颜色、光照效果等，使其更加生动逼真。
本文将研究3D建模与设计中常用的纹理映射方法，包括贴图映射、法线映射和置换映射。
首先，我们来介绍贴图映射（Texture Mapping）方法。
贴图是一种将图像映射到3D模型表面的技术。
它可以通过在模型表面上使用纹理图像来模拟真实世界中的细节。
贴图映射可以用来添加模型的颜色、图案、纹理等。
常见的贴图类型包括漫反射贴图、法线贴图、高光贴图等。
漫反射贴图可以给模型赋予不同的颜色和图案，法线贴图可以模拟模型表面的凹凸细节，而高光贴图可以为模型的高光区域添加亮度和反射。
其次，我们探讨法线映射（Normal Mapping）方法。
法线映射是一种通过改变模型表面的法向量来模拟细节的技术。
通常，模型表面的法向量用来计算光照效果，而法线映射可以在不改变模型几何形状的情况下，通过改变法向量来增强模型的外观。
法线映射可以用来模拟凹凸贴图效果，给模型的表面增添了细节和质感。
它可以在低多边形模型上实现高分辨率的外观效果，提高渲染速度。
最后，我们研究置换映射（Displacement Mapping）方法。
与贴图映射和法线映射不同，置换映射可以改变模型的几何形状，而不仅仅是外观效果。
通过置换贴图，模型的顶点位置可以根据纹理图像进行位移，从而产生立体、凹凸的效果。
置换映射可以用来模拟高度图、细节凹凸等效果。
它可以用于渲染真实的地形、角色模型等。
在3D建模与设计中，纹理映射方法的选择取决于设计需求和所使用的软件或引擎。
贴图映射是最常用和最简单的方法，适用于大部分场景和需求。
法线映射可以在低多边形模型中实现高分辨率的外观效果，提高渲染速度。
置换映射可以创造更加真实的凹凸细节效果，但需要更高的计算资源和渲染能力。
除了这三种常用的纹理映射方法，还有其他一些技术和算法可以用于增强模型的外观和质感。
02-配合视频讲解纹理的基本概念和纹理映射的基本方法。
让人头疼的纹理（上）：颜色纹理华中科技大学软件学院万琳提纲1纹理的概念2纹理的定义和映射3基于OpenGL的颜色纹理1纹理的概念用简单光照明模型生成真实感图象，由于表面过于光滑单调，反而显得不真实。
现实物体表面有各种表面细节，这些细节就叫纹理。
1纹理的概念用简单光照明模型生成真实感图象，由于表面过于光滑单调，反而显得不真实。
现实物体表面有各种表面细节，这些细节就叫纹理。
1纹理的概念用简单光照明模型生成真实感图象，由于表面过于光滑单调，反而显得不真实。
现实物体表面有各种表面细节，这些细节就叫纹理。
1纹理的概念纹理实例：纹理的概念1纹理：体现物体表面的细节纹理类型：◆颜色纹理物体表面（平面或者曲面）花纹、图案◆几何纹理基于物体表面的微观几何形状二维纹理几何纹理2纹理的定义和映射◆生成纹理的一般方法，是预先定义纹理模式，然后建立物体表面的点与纹理模式的点之间的对应。
◆当物体表面的可见点确定之后，以纹理模式的对应点参与光照模型进行计算，就可把纹理模式附到物体表面上。
这种方法称为纹理映射（Texture Mapping）。
像素区物体表面纹理模式2纹理的定义和映射纹理模式定义：•图象纹理：将二维纹理图案映射到三维物体表面，绘制物体表面上一点时，采用相应的纹理图案中相应点的颜色值。
•函数纹理：用数学函数定义简单的二维纹理图案，如方格地毯。
或用数学函数定义随机高度场，生成表面粗糙纹理即几何纹理。
函数纹理定义的方格地毯图像纹理2纹理的定义和映射纹理映射：•建立纹理与三维物体之间的对应关系•扰动法向量图像纹理映射到我们课程原创的动画人物帽子上纹理的定义和映射2◆纹理模式定义方法：纹理空间纹理定义在纹理空间上的函数，纹理空间通常是一个单位正方形区域0≤u ≤ 1，0≤ v ≤1之上。
纹理映射中最常见的纹理•一个二维纹理的函数表示•纹理图象V(0，1)(0，0)（1，0） U⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎩⎨⎧⨯+⨯⨯+⨯=evenv u odd v u v u g 881880),(纹理的定义和映射2◆纹理映射方法：建立物体空间表面和纹理空间之间的对应关系根据物体空间的表面坐标(x,y,z)计算其纹理空间坐标(u,v)值：对物体表面坐标(x,y,z)用u 、v 进行参数化（第一步），然后反求出参数u 、v 用物体表面坐标(x,y,z)的表达（第二步）；根据纹理空间定义的纹理(u,v)得到该处的纹理值，并用此值取代光照明模型中的相应项，实现纹理映射（第三步）。
计算机图形学课后习题答案
计算机图形学课后习题答案计算机图形学课后习题答案计算机图形学是一门研究计算机生成和处理图像的学科，它在现代科技和娱乐领域扮演着重要的角色。
在学习这门课程时，我们通常会遇到一些习题，用以巩固所学知识。
本文将提供一些计算机图形学课后习题的答案，希望能对大家的学习有所帮助。
1. 什么是光栅化？如何实现光栅化？光栅化是将连续的几何图形转换为离散的像素表示的过程。
它是计算机图形学中最基本的操作之一。
实现光栅化的方法有多种，其中最常见的是扫描线算法。
该算法通过扫描图形的每一条扫描线，确定每个像素的颜色值，从而实现光栅化。
2. 什么是反走样？为什么需要反走样？反走样是一种减少图像锯齿状边缘的技术。
在计算机图形学中，由于像素是离散的，当几何图形的边缘与像素格子不完全对齐时，会产生锯齿状边缘。
反走样技术通过在边缘周围使用不同颜色的像素来模拟平滑边缘，从而减少锯齿状边缘的出现。
3. 什么是光照模型？请简要介绍一下常见的光照模型。
光照模型是用来模拟光照对物体表面的影响的数学模型。
常见的光照模型有以下几种：- 环境光照模型：模拟环境中的整体光照效果，通常用来表示物体表面的基本颜色。
- 漫反射光照模型：模拟光线在物体表面上的扩散效果，根据物体表面法线和光线方向计算光照强度。
- 镜面反射光照模型：模拟光线在物体表面上的镜面反射效果，根据光线方向、物体表面法线和观察者方向计算光照强度。
- 高光反射光照模型：模拟光线在物体表面上的高光反射效果，通常用来表示物体表面的亮点。
4. 什么是纹理映射？如何实现纹理映射？纹理映射是将二维图像（纹理）映射到三维物体表面的过程。
它可以为物体表面增加细节和真实感。
实现纹理映射的方法有多种，其中最常见的是将纹理坐标与物体表面的顶点坐标关联起来，然后通过插值等技术将纹理映射到物体表面的每个像素上。
5. 什么是投影变换？请简要介绍一下常见的投影变换方法。
投影变换是将三维物体投影到二维平面上的过程。
常见的投影变换方法有以下几种：- 正交投影：将物体投影到一个平行于观察平面的平面上，保持物体在不同深度上的大小不变。
高级计算机图形学纹理映射
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 却是间接的方法
s
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逆映射
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
此时需要如下形式的映射
s = s(x,y,z) t = t(x,y,z)
• 从概念上说，就是映射发生的地方
• 最终图像生成的地方
屏幕坐标系 (xs,ys)
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纹理映射框架
参数坐标
纹理坐标
世界坐标
屏幕坐标
16
映射函数
基本问题就是如何定义映射 考虑从纹理坐标到曲面上一点的映射 直观地看，应当需要三个函数
x = x(s,t), y = y(s,t), z = z(s,t)
27
球面映射
半径为r的球的参数方程
x = r cos 2pu y = r sin 2pu cos 2pv , 0 ≤ u,v ≤ 1 z = r sin 2pu sin 2pv
类似于地图绘制中的映射
• 肯定有变形
用在环境映射中
28
立方体映射
适合应用于正交投影 也用在环境映射中
29
两步映射中的第二个映射
伸
25
两步映射
解决映射问题的另外一种方法 首先把纹理映射到一个简单的中间曲面上 例如：映射到圆柱上
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圆柱面映射
高为h，半径为r圆柱的参数方程是
x = r cos 2p u y = r sin 2p u , 0 ≤ u,v ≤ 1 z=hv
三维纹理映射方法
三维纹理映射方法
三维纹理映射方法是一种在计算机图形学中常用的技术，它能够将二维图像或图案映射到三维物体表面，使其表现出更加逼真的视觉效果。
在实际应用中，三维纹理映射方法被广泛应用于游戏开发、虚拟现实、建筑模拟和工业设计等领域。
一种常见的三维纹理映射方法是UV映射。
UV映射是一种将二维图像映射到三维物体表面的方法。
通过在三维模型的表面为每个顶点指定UV坐标，可以将二维图案准确地贴在物体表面。
UV坐标是由U和V两个值组成的二维坐标系，类似于二维图像的横纵坐标。
UV映射使得每个顶点可以在纹理图像中找到对应的像素值，从而在渲染过程中将纹理正确地贴在物体上。
除了UV映射，还有其他一些更高级的三维纹理映射方法，例如法线贴图和位移贴图。
法线贴图是一种通过修改表面法线的方法来模拟细节的技术。
它通过在三维模型表面上存储法线贴图，使得渲染时能够在视觉上增加细节和凹凸感。
位移贴图是一种通过修改三维物体的顶点位置的方法来实现细节效果的技术。
位移贴图在三维模型表面上保存着每个顶点的位移信息，通过在渲染过程中对顶点进行位移，实现对纹理的变形效果。
总之，三维纹理映射方法是计算机图形学中重要的技术，它能够使得三维物体表面展现出更加逼真的纹理效果。
除了常见的UV映射外，还有其他高级的方法如法线贴图和位移贴图，能够增加细节和真实感。
随着技术的不断发展，三维纹理映射方法将继续在各个领域中得到广泛的应用和进一步的发展。
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电子与信息工程学院 计算机科学与来自术系纹理概述1. 纹理的概念 纹理 （ Texture） ：把局部不规则而宏观有 规律的特性称之为纹理。 纹理图像：以纹理特性为主导的图像，常 称为纹理图像。
电子与信息工程学院 计算机科学与技术系
纹理概述
2. 纹理的分类
基于纹理的表现形式，纹理可分为___颜 色纹理、_______和_______三大类。
(u,v,w)
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三维纹理例子
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几何纹理
为了给物体表面加上一个粗糙的外观， 可以对物体的表面几何性质作微小的扰动， 产生凹凸不平的细节效果，就是几何纹理 的方法，也称为凹凸映射。
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几何纹理
映射方式
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映射方式
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三维纹理域的映射
三维物体每一个点(x,y,z)均有一个纹理值 t(x,y,z)，那么物体空间就可以映射到一 个三维纹理空间上了－三维纹理域映射
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三维纹理域的映射
纹理空间定义在三维空间上，与物体空间 是同维的 把场景中的物体变换到纹理空间的局部坐 标系中去 通过物体空间坐标(x,y,z)来计算纹理坐标
Mip映射技术
思想：
通过为同一几何模型提供多种解析度的纹理， 并随着距离变化作相应更换，避免在超出人眼 感知能力的视距上使用过于精细的贴图，以降 低系统资源浪费
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Mip映射技术
方法：是将原纹理缩小。为了计算的简便, 通常是将原纹理按2的幂次方不断的缩小。
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凹凸映射
Emboss Mapping（浮雕贴图）
Environment Mapped Bump Mapping (EMBM)环境映射凹凸贴图
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凹凸映射
Emboss（浮雕式凹凸 贴图）使用一高度图 形材质, 该材质的每一 个像素用来表达表面 凹凸高度。这种材质 通过光源转换为一个 或者多个像素，产生 凹凸贴图。这种凹凸 贴图结合基本的贴图 产生最后的效果。
提出：纹理的清晰度直接影响着图像的真实感， 要想使3D画面更加精细就必须使用更高分辨率的 纹理贴图。微机在进行3D纹理贴图处理时，要先 将纹理数据读入显存，所以高分辨率的纹理贴图 将需要更多的显存，因此显存容量成为制约纹理 精度的主要因素 。
解决方法：1.纹理压缩 2. Mip映射技术
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凹凸映射
环境映射凸凹贴图在计算一个3D 场景时，把一个纹理（环境映射） 映射到另一个纹理（基本纹理） 上。 环境映射包含反射和其它多种效 果如光源和雾化。这个经过加工 的纹理映射包含了材质。当使用 到凹凸映射的时候，第三个贴图 （凹凸映射）贴到环境映射的那 份贴图上。 这个方法非常有效，因为凹凸映 射为每一个多边形生成大量的纹 理像素的信息，因此渲染出来的 效果更为真实和漂亮。
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纹理概述
参数法定义： 用一些参数定义纹理模型，纹理模型可以用文本 性文件描述，尤其适合于对构成一个场景的各景 物定义各自的纹理模型，例如室内布臵中对沙发 定义呢质纹理、对家具定义木纹纹理、对地面定 义大理石纹理等等。 纹理使用时，由一个通用的解释程序（它再分别 调用相应的过程）对纹理先解释再映射（因此也 可以称为过程式纹理定义）。
纹理概述
几何纹理——是指基 于景物表面微观几何 形状的表面纹理，如 桔子、树干、岩石、 山脉等表面呈现的凹 凸不平的纹理细节。
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纹理概述
过程纹理——表现了各种规则或不规则的 动态变化的自然景象，如水波、云、火、 烟雾等。
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纹理概述
一般地讲，利用纹理映射可以在不增加场 景描述复杂度，不显著增加计算量的前提 下，大幅度地提高图形的真实感。
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纹理及纹理映射
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纹理及纹理映射
纹理概述 二维纹理域的映射 三维纹理域的映射 几何纹理 目前技术状况
3.纹理合成（Texture Synthesis）技术 自从70年代中期Catmull首次采用纹理映 射（Texture Mapping）技术生成景物表面 的纹理细节以来，纹理合成技术得到了广泛 的研究和应用，其发展也经历了纹理映射、 过程纹理合成和基于样图的纹理合成3个主 要阶段。
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环境映射
Cube mapping, spherical mapping, parabolic mapping
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凹凸映射
1.
2.
颜色纹理只能处理颜色，所生成的物体表面仍 然是光滑的。 在纹理映射基础上提出的Bump Mapping方法是 一种模拟物体表面粗糙纹理的技术，可以不用 对物体的粗糙表面在几何上进行建模就可以改 善物体表面的微观结构，如大理石纹理表面雕 刻的文字、混凝土墙面等效果。此外，更高级 的真实感图形效果如人脸上流淌的汗水也可以 通过随时间变化的Bump mapping来模拟。
真实感图形学 第14讲 纹理及纹理映射
解决计算机生成真实感图象缺乏 现实物体表面细节的问题
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纹理及纹理映射
用简单光照明模型生成真实感图象，由于 表面过于光滑单调，反而显得不真实 现实物体表面有各种表面细节－纹理
木材表面的木纹 建筑物墙壁上的装饰图案 桔子皮表面的皱纹
纹理概述
（1）纹理映射（Texture Mapping）
纹理映射通常只能在纹理空间和表面参 数空间进行一对一的映射。 由于采样区域的局限性，所获取的纹理样 本通常为小块纹理。 若将小块纹理映射到大的曲面上，它将导 致映射后表面纹理模糊不清，若采用重复映 射技术，则可能出现表面纹理接缝走样等问 题。
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纹理概述
2. 纹理的分类
基于纹理的表现形式，纹理可分为颜色 纹理、几何纹理和过程纹理三大类。
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纹理概述
纹理的分类
颜色纹理——通过颜 色色彩或明暗度的变 化体现出来的表面细 节。如桌面的木纹、 墙壁上的装饰图案等。
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凹凸映射
缺点： 1.这种浮雕贴图效果的逼真程度十分有限， 难以显示细微的棱角处的反光效果和复杂 的多环境光源效果，也无法表现水波和气 流等特殊效果。 2. 难以表现光滑的、明亮的或者反射的表 面，比如金属，规则表面或者液体就不行 了。 3.缺乏实时改变表面高度的灵活性。
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Mip映射技术
Mip映射的不足：
一般为了减少纹理所占的存储空间，我们只能 对原纹理进行有限次的分级，然而多边形与观 察者之间的距离却有无数种情况。 双线性过滤和三线性过滤。
解决方法：
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环境映射
Developed by Blinn and Newell (1976) Reflecting the surroundings on an object Simply map the environment array onto an object in relationship to the viewing direction. It is a fast approximation of the accurate globalillumination rendering techniques.
纹理概述
离散法定义：
用离散法定义纹理较为常用，它将纹理图象数 据定义在一个二维数组中，这个数组可以是各 种图形或图象。 用这种方法定义的纹理，方法灵活，修改也方 便，比较适合于交互式系统的纹理映射显示。
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纹理概述
连续函数法定义： 任何定义在二维空间（u∈[0,1],v∈[0,1]）的 函数均可作为纹理函数。 实际应用中常采用一些特殊函数。
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纹理概述
（3）如何进行纹理映射
建立纹理与三维物体之间的对应关系
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纹理概述
原始模型
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纹理概述
二维纹理
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纹理概述
几何纹理
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纹理概述
因此纹理映射本质上是从一个坐标系到另一个坐 标系的变换
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纹理概述
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纹理概述
(2) 纹理定义
离散法定义 连续函数法定义 参数法定义
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几何纹理模拟常用的方法大致分为两种， 一种是对景物模型进行扰动，即以纹理值 作用到物体表面的法向量上影响纹理图案， 产生凹凸纹理； 另一种是所谓的算法模型，即引入随机变 量，通过递归模式对不规则景物几何纹理 进行模拟，如分形纹理方法。