專利名稱：一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一般的圖像數(shù)據(jù)處理或產(chǎn)生，尤其涉及一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法。
背景技術(shù)：
在繪制系統(tǒng)中，紋理映射可以不通過增加物體的復(fù)雜性，而使得場景細(xì)節(jié)顯得更加豐富，使得場景更真實(shí)。對于大規(guī)模地形的繪制，需要一個(gè)好的紋理映射方式，實(shí)現(xiàn)紋理的實(shí)時(shí)映射，解決大規(guī)模地形場景的實(shí)時(shí)漫游的技術(shù)問題，包括解決紋理數(shù)據(jù)的存儲和傳輸問題，紋理走樣問題，提高繪制畫面的質(zhì)量。
David Cline采用紋理四叉樹來表示大規(guī)模紋理，可參考[Cline 1998]DavidCline and Parris K.Egbert，“Interactive Display Of Very Large Textures，”inProceedings of IEEE Visualization′98，October 1998，pp.343-350，每個(gè)紋理采用固定分辨率表示，不同層次的紋理表示覆蓋的區(qū)域不同，在幾何繪制時(shí)，需要根據(jù)繪制的多邊形的大小選取四叉樹中合適的紋理。若沒有合適的紋理，則暫選取粗糙的紋理，并把該紋理插入一個(gè)隊(duì)列，進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。這樣，雖然利用了視域的連貫性，但是可能無法滿足當(dāng)前所需要的顯示精度，影響顯示質(zhì)量。并且對每一個(gè)紋理結(jié)點(diǎn)，沒有采用Mipmap的方式，由于多邊形不可能剛好對應(yīng)于紋理四叉樹中的某個(gè)層次，從而導(dǎo)致紋理走樣現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)的調(diào)度上，該方法也沒有利用四叉樹父子結(jié)點(diǎn)之間的重復(fù)信息，來進(jìn)行數(shù)據(jù)的累進(jìn)調(diào)度。
Dollner在地形繪制中采用幾何和紋理的多分辨繪制，可參考[Dollner2000]Jurgen Dollner，Konstantin Baumann，and Klaus Hinrichs，“Texturing Techniques forTerrain Visualization”，IEEE Visualization 2000，207-234，Oct.2000，在幾何上采用離散的層次細(xì)節(jié)樹，同樣對紋理也建立層次樹，在繪制時(shí)，根據(jù)屏幕的顯示要求，選取不同層次的幾何和紋理進(jìn)行繪制。
Blow在高細(xì)節(jié)的地形繪制中也采用紋理四叉樹，可參考[Blow2000]Jonathan Blow，“Terrain Rendering at High Levels of Detail”，Proceedings of the2000 Game Developers Conference，Mar.2000，并結(jié)合幾何的二叉樹表示，進(jìn)行紋理的選擇。該方法需要基于每個(gè)三角形的幾何選取所需要的紋理，有可能會在多個(gè)紋理之間切換，而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法。本方法可以將紋理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地映射到相應(yīng)的地形上，提高大規(guī)模地形漫游時(shí)的顯示畫面質(zhì)量，而且還能利用硬件的金字塔反走樣技術(shù)，解決大紋理映射時(shí)產(chǎn)生走樣現(xiàn)象的問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下包括以下四個(gè)步驟1)紋理的金字塔四叉樹表示將紋理圖像數(shù)據(jù)表示成紋理四叉樹，把紋理四叉樹的每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示的紋理數(shù)據(jù)組織成紋理金字塔，建立了紋理圖像數(shù)據(jù)的紋理金字塔四叉樹表示；2)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮利用紋理圖像相鄰的紋理象素之間的連貫性，對紋理金字塔進(jìn)行壓縮，使得紋理數(shù)據(jù)的傳輸和存儲量減少；3)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的選取對于每個(gè)地形網(wǎng)格根據(jù)三角形在屏幕上的投影面積來確定相應(yīng)的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)；4)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的裝載對于已經(jīng)選取而且不在紋理內(nèi)存中的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照一定的策略從硬盤或系統(tǒng)內(nèi)存中裝載到紋理內(nèi)存，完成地形場景的繪制。
紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮就是將原紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，減少數(shù)據(jù)的存儲量，同時(shí)保證變換后的紋理數(shù)據(jù)可以使用逆變換得到原數(shù)據(jù)。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明采用紋理金字塔四叉樹映射方法，可以有效地利用有限的紋理內(nèi)存，減少紋理數(shù)據(jù)的傳輸量，實(shí)現(xiàn)從硬盤到系統(tǒng)內(nèi)存，再從系統(tǒng)內(nèi)存到紋理內(nèi)存的數(shù)據(jù)調(diào)度，能有效地提高大規(guī)模地形帶紋理繪制的畫面質(zhì)量，并且能利用硬件的金字塔反走樣技術(shù)，解決大紋理映射產(chǎn)生走樣現(xiàn)象的問題。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明方法的流程圖；圖2是紋理四叉樹表示；圖3是紋理金字塔表示；圖4是紋理的降低分辨率過程表示；圖5是紋理的提高分辨率過程表示；圖6是紋理的區(qū)域矢量化表示。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提出的一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法，包括紋理的金字塔四叉樹表示、紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮、紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的選取和紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的裝載四個(gè)步驟。流程如圖1所表示首先讀取紋理數(shù)據(jù)，將紋理數(shù)據(jù)表示成紋理的金字塔四叉樹，然后對紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)進(jìn)行壓縮；對于每個(gè)地形網(wǎng)絡(luò)選取相應(yīng)的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)，把不在紋理內(nèi)存中的紋理結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)裝載入紋理內(nèi)存，最后完成帶紋理的地形場景的繪制。
現(xiàn)具體介紹本方法的四個(gè)步驟1)紋理的金字塔四叉樹表示對于大規(guī)模紋理圖象，其圖象大小可以定義為2n×2n，其中n為正整數(shù)。首先將大規(guī)模紋理圖象表示成紋理四叉樹。紋理四叉樹的構(gòu)建過程如下紋理四叉樹的根結(jié)點(diǎn)對應(yīng)覆蓋整個(gè)地形方形區(qū)域，其大小為2n×2n，它的四個(gè)子結(jié)點(diǎn)分別表示它的四分之一地域，其大小均為2n-1×2n-1，而這四個(gè)子結(jié)點(diǎn)的分辨率與根結(jié)點(diǎn)相同，根結(jié)點(diǎn)是四個(gè)子結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)。對這四個(gè)子結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同樣的操作，每個(gè)結(jié)點(diǎn)均產(chǎn)生四個(gè)子結(jié)點(diǎn)，該過程不斷進(jìn)行，直到原始紋理的最精細(xì)分辨率，即結(jié)點(diǎn)的大小為1×1。因此在紋理四叉樹中，父子結(jié)點(diǎn)覆蓋的地形區(qū)域重疊，每個(gè)結(jié)點(diǎn)與其四個(gè)子結(jié)點(diǎn)覆蓋的地域相同。圖2給出了最初三層的四叉樹結(jié)點(diǎn)，圖2a表示了原始紋理圖象(0，0)，由它進(jìn)行四叉樹剖分，如圖2b有四個(gè)子結(jié)點(diǎn)(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)，這四個(gè)子結(jié)點(diǎn)和圖2a覆蓋的區(qū)域是相同的；對每個(gè)子結(jié)點(diǎn)再進(jìn)行剖分，就得到了圖2c。
對于以上面方法產(chǎn)生的紋理四叉樹的每個(gè)結(jié)點(diǎn)存儲的紋理，再組織成紋理金字塔。
紋理金字塔的組織方式如下假設(shè)紋理四叉樹結(jié)點(diǎn)紋理圖象大小為固定大小2m×2m，m為非負(fù)整數(shù)。紋理從原始圖象開始，不斷地從高分辨率圖象中取多個(gè)象素求其紋理顏色值的平均，生成低分辨率圖象的一個(gè)象素，構(gòu)成分辨率從高到低的一組圖象。原始分辨率圖象及各級低分辨圖象被存儲到多個(gè)表中。這樣該紋理四叉樹結(jié)點(diǎn)存儲著同一紋理圖象，分辨率為1×1到2m×2m的紋理數(shù)據(jù)的紋理金字塔。如圖3所示的紋理金字塔，圖象的分辨率為8×8，4×4，2×2，1×1，分辨率不斷下降，紋理圖象越來越模糊。
按照如上方法，就可以實(shí)現(xiàn)紋理圖象的紋理的金字塔四叉樹表示。
1)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮對于大規(guī)模紋理數(shù)據(jù)的處理，減少紋理的存儲量是很重要的。由步驟1所表示的紋理金字塔數(shù)據(jù)量是原紋理數(shù)據(jù)的16/9倍。
由于紋理圖象相鄰的紋理象素之間具有某種連貫性，所以可以對紋理金字塔進(jìn)行壓縮有效地減少數(shù)據(jù)冗余，使得紋理的表示更為緊湊。
假設(shè)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)存儲分辨率為1×1到2m×2m的一系列紋理數(shù)據(jù)。對這些紋理數(shù)據(jù)，分辨率為1×1到32×32的數(shù)據(jù)不進(jìn)行壓縮，對64×64到2m×2m的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化壓縮，壓縮的方法如下所述如圖4所示，gm(i，j)為原始紋理圖象，分辨率為2m×2m，fm(i，j)是gm通過一濾波算子生成的結(jié)果圖象。然后對濾波產(chǎn)生的圖象進(jìn)行重新采樣，采樣頻率是原來的1/2，產(chǎn)生下一層次的圖象gm-1(i，j)，這個(gè)變換過程是降低分辨率的過程。通過對圖象gm(i，j)不斷執(zhí)行該過程，一直到最后所生成分辨率為1×1的圖象g0，這一系列的g(i，j)組成紋理金字塔。迭代過程可以用以下式子表示gl-1＝REDUCE(gl)其中層數(shù)0＜l≤m，m是紋理金字塔總的層數(shù)，REDUCE為降低分辨率的過程。圖4給出這個(gè)過程的一個(gè)圖示，gm執(zhí)行了兩次降低分辨率的過程，從gm變成gm-1，又由gm-1變成gm-2，分辨率變成了原圖的1/4。
如圖5所示，這個(gè)操作的逆過程為提高分辨率的過程EXPAND，對M×N的圖象作用生成2M×2N的圖象。圖5給出了一個(gè)提高分辯率的過程，gm執(zhí)行了兩次提高分辨率的過程，從gm變成gm+1，又由gm+1變成gm+2，分辨率提高到原圖的4倍。但是在執(zhí)行REDUCE變換將高分辨率圖象降為低分辨圖象過程中有部分紋理細(xì)節(jié)損失，用EXP AND函數(shù)生成的紋理很難完全恢復(fù)到原有的信息，它與原有的高一級分辨率紋理之間存在誤差，它們之間的誤差定義為Ll＝gl-EXPAND(gl-1)其中0＜1＜m，最后一層1×1的圖象g0，由于沒有粗糙分辨率的圖象，記L0＝g0。
假設(shè)該紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)在上述操作之前存儲的紋理金字塔為(g0，g1，…，gm)，在執(zhí)行了上述操作之后存儲的紋理金字塔可表示為(g0，g1，g2，g3，g4，g5，L6，…，Lm)。
本發(fā)明進(jìn)一步對誤差圖象lk進(jìn)行壓縮編碼，可以采用任何圖象壓縮方法。我們使用LBG矢量化壓縮方法對誤差圖象lk進(jìn)行壓縮編碼。LBG算法是一個(gè)常用的方法，可參考[Linde1980]Y.Linde，A.Buzo，and R.M.Gray，“An Algorithmfor Vector Quantizer Design”.IEEE Transactions on Communications，1702--710，1980，該方法可以應(yīng)用于多維數(shù)據(jù)，LBG矢量化算法從初始的碼本出發(fā)，初始的編碼值是所有需要編碼的數(shù)據(jù)平均值，這個(gè)編碼值加減一個(gè)微小擾動分裂成兩個(gè)初始的編碼值，再對原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練生成新的編碼值，采用這種迭代方式，每一次的編碼數(shù)據(jù)增加一倍，直到編碼個(gè)數(shù)達(dá)到所指定的個(gè)數(shù)。
取一定大小的圖象子區(qū)域進(jìn)行矢量量化，這些圖象子區(qū)域使用相同的編碼索引。如圖6所示，選取4×4的圖象子區(qū)域編碼512×512的RGB紋理，子區(qū)域的各象素RGB共有4×4×3＝48bytes。采用256個(gè)不同取值的編碼本，取同一碼值的子區(qū)域各象素使用同一個(gè)索引值，每個(gè)索引值用1byte表示，則總共需要的索引值為512×512/(4×4)，可以達(dá)到48∶1的壓縮率。由于還需要記錄編碼本的信息，總共需要4×4×256個(gè)RGB的值，實(shí)際的壓縮率為27.4∶1，這是對單一紋理的壓縮值。對于最精細(xì)分辨率為512×512的紋理金字塔，每個(gè)象素用RGB表示，需占用紋理空間為512×512×3×4/3＝1024K，通過對金字塔紋理進(jìn)行逐層遞歸矢量化，就可以有效地壓縮所需要的紋理空間，為了防止累進(jìn)壓縮時(shí)誤差的累積，本發(fā)明計(jì)算誤差圖象的方法是，將EXPAND恢復(fù)的圖象與正確的紋理圖象對應(yīng)象素作差運(yùn)算。當(dāng)紋理分辨率小于32×32時(shí)，矢量化壓縮方法無效，因此，本方法對紋理金字塔中分辨率為32×32到1×1的紋理不進(jìn)行矢量化。這樣壓縮后紋理的數(shù)據(jù)總量為74K，壓縮率可達(dá)到13.8∶1。
在圖象解碼時(shí)，對于層次多分辨率的紋理，當(dāng)需要導(dǎo)入高一層分辨率的紋理數(shù)據(jù)gk，可以通過低一層的紋理數(shù)據(jù)gk-1拉伸到圖象fk，在通過gk＝fk+codebook(index)來恢復(fù)數(shù)據(jù)。codebook是指誤差圖象lk矢量量化后的顏色值。
2)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的選取在進(jìn)行地形三角形網(wǎng)格繪制時(shí)，需要根據(jù)地形三角形網(wǎng)格在屏幕上的投影面積來確定紋理分辨率，然后確定相應(yīng)的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)。為了能保證紋理映射的質(zhì)量，按照金字塔繪制的策略，所取的屏幕象素和紋理象素的比例接近1∶1。通過公式計(jì)算屏幕空間的半徑為rs=λ×rcosφd,]]>其中 w是視域廣角的象素個(gè)數(shù)，r為物體空間的包圍球半徑，d為視點(diǎn)到包圍體的最近距離，φ為法向與視點(diǎn)到頂點(diǎn)方向的夾角。
為了提高紋理映射的效率，當(dāng)相近區(qū)域的地形三角形網(wǎng)格在屏幕空間的象素和紋理象素比例相近時(shí)，可以使用同一紋理四叉樹結(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。這些地形三角形網(wǎng)格稱為同一族地形三角形網(wǎng)格，它們在屏幕空間的最大半徑通過下式rs=λ×rcos(max(0,φ-v))d]]>進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算地形三角形網(wǎng)格在紋理空間的半徑rt，可用以下式子rt2＝Area(T)/Area(Q)×rQ2。其中Area(T)為地形三角形T的面積，Area(Q)為紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)Q覆蓋區(qū)域的面積，rQ為紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的象素分辨率。當(dāng)rt≤rs并且2rt＞rs時(shí)，該紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)剛好是所需要的紋理，否則需要往上遍歷父結(jié)點(diǎn)(若rt＞rs)，或者往下遍歷子結(jié)點(diǎn)(若2rt＜rs)，尋找合適的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)。
3)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的裝載為了保證實(shí)時(shí)獲取紋理，紋理金字塔四叉樹的根結(jié)點(diǎn)始終保存在紋理內(nèi)存中。在紋理映射的過程中，當(dāng)?shù)匦稳切尉W(wǎng)格所選的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)不在紋理內(nèi)存時(shí)，向上搜索紋理金字塔四叉樹得到其在紋理內(nèi)存中的父結(jié)點(diǎn)，進(jìn)行紋理映射，而把該結(jié)點(diǎn)放到一數(shù)據(jù)調(diào)度隊(duì)列，從硬盤和系統(tǒng)內(nèi)存調(diào)度數(shù)據(jù)。當(dāng)紋理數(shù)據(jù)從硬盤裝載到內(nèi)存中時(shí)，需要對壓縮的紋理進(jìn)行解碼。當(dāng)裝載數(shù)據(jù)超出規(guī)定的存儲空間時(shí)，需要釋放內(nèi)存和紋理內(nèi)存中原存儲的部分?jǐn)?shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)采用最近最少使用策略，即根據(jù)上一次數(shù)據(jù)調(diào)度數(shù)據(jù)使用的時(shí)間最早的先釋放，而對紋理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，使用改進(jìn)的最近最少使用策略，紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級由下式給出pd＝f/(l+1)其中，f是紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)最近一次調(diào)用的幀序號，l是紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的層數(shù)，pd越小的紋理結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)最先剔除。
在實(shí)施時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存和紋理內(nèi)存開辟固定大小的容量，紋理內(nèi)存大小設(shè)為總的圖形硬件支持大小的1/2，而系統(tǒng)內(nèi)存開辟大小為總的1/3。
權(quán)利要求
1.一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法，其特征在于包括以下四個(gè)步驟1)紋理的金字塔四叉樹表示將紋理圖像數(shù)據(jù)表示成紋理四叉樹，把紋理四叉樹的每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示的紋理數(shù)據(jù)組織成紋理金字塔，建立了紋理圖像數(shù)據(jù)的紋理金字塔四叉樹表示；2)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮利用紋理圖像相鄰的紋理象素之間的連貫性，對紋理金字塔進(jìn)行壓縮，使得紋理數(shù)據(jù)的傳輸和存儲量減少；3)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的選取對于每個(gè)地形網(wǎng)格根據(jù)三角形在屏幕上的投影面積來確定相應(yīng)的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)；4)紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的裝載對于已經(jīng)選取而且不在紋理內(nèi)存中的紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)按照一定的策略從硬盤或系統(tǒng)內(nèi)存中裝載到紋理內(nèi)存，完成地形場景的繪制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法，其特征在于，紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮就是將原紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，減少數(shù)據(jù)的存儲量，同時(shí)保證變換后的紋理數(shù)據(jù)可以使用逆變換得到原數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于金字塔四叉樹的紋理映射方法。該方法包括紋理的金字塔四叉樹表示、紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的壓縮、紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的選取和紋理金字塔四叉樹結(jié)點(diǎn)的裝載四個(gè)步驟。本發(fā)明很好地結(jié)合了紋理四叉樹和紋理金字塔的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還對紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，可以有效地利用有限的紋理內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形紋理數(shù)據(jù)從硬盤到系統(tǒng)內(nèi)存，再從系統(tǒng)內(nèi)存到紋理內(nèi)存的數(shù)據(jù)調(diào)度，由于紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮和對系統(tǒng)內(nèi)存和紋理內(nèi)存進(jìn)行最近最少使用的調(diào)度方式，減少了各存儲之間的傳輸量。故本方法可以將紋理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地映射到相應(yīng)的地形上，提高大規(guī)模地形漫游時(shí)的顯示畫面質(zhì)量，而且還能利用硬件的金字塔反走樣技術(shù)，解決大紋理映射時(shí)產(chǎn)生走樣現(xiàn)象的問題。
文檔編號G06T1/00GK1547162SQ20031010917
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者華煒, 陸艷青, 周棟, 鮑虎軍, 華 煒 申請人:浙江大學(xué)