一種與用戶交互式結構性紋理的合成方法技術

本發明專利技術提出一種與用戶交互式結構性紋理的合成方法，首先，根據用戶輸入網格或者是從樣圖中提取出的網格生成一個跟樣圖網格模式相同的理想大小的目標網格，之后用戶可以添加各種合成模式以進行紋理設計，然后依據本發明專利技術提出的特征距離的概念對這個目標網格進行初始化，最后結合本發明專利技術提出的像素方向特征并行合成出結果紋理。本發明專利技術對于具有結構的紋理得到了很好的合成效果，而且在幀率上利用GPU的并行性實現了可交互紋理設計與合成。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及結構性紋理的交互設計與合成的
，具體涉及。
技術介紹
本專利技術主要關注了具有結構信息紋理的交互設計與合成，最近的成果包括了基于特征的紋理合成、紋元重排列、塊的拼接方法以及實時紋理合成。基于特征的紋理合成紋理中的特征多種多樣，包括了形狀、大小、方向、紋元顏色等等，所以近年來有很 多研究都著眼于此。Wu等人從樣圖中提取出小的容易獲取的結構特征如曲線、褶皺等的分布圖，然后特征的匹配及變形構建出一個大的特征分布圖從而完成整個合成過程。Hays對于近規則紋理合成提出了一種較好的方法，首先從樣圖紋理中依據近似規則的拼接由用戶參與提取出分布小格子，幾何變形場的構建可以提供幾何數據用于格子形狀的變形，從而合成結果。Dischler等人利用了一個無縫的網格以及樣圖，首先拼接出一個大的網格圖，接著依據從樣圖中提出的網格信息通過其優化方法對網格圖進行變形。特征同樣被用于加強紋理合成變化，Velho的方法就能得出這樣的結果，它將特征進行變形混合從而引入了形狀及紋元的變化，進而得出具有豐富變化的紋理結果。Zara從樣圖中提取出多個特征分布圖，再利用變形方程得出一個單一復雜的的插值結果。Ray利用一個等級集平滑方法進行特征變形，限定了利用給定樣圖進行紋理的合成。相比較于在整個特征圖上進行全局形變，Ruiters等人只是在局部進行特征的插值，然后利用塊混合的方法進行合成。紋理特征不僅僅能夠在空間上進行變換，在時間上也能進行變化得出良好效果，Narain就從動態的流體現象中提取出特征信息，然后在視頻中合成出動態的效果。本文方法同樣是基于特征的紋理設計與合成。相對于上述這些方法，本方法避免了對用戶輸入大網格的嚴格要求，同時保持了樣圖以及輸入網格的特征，在這個基礎上添加的模式。信息為紋理設計帶來了更大的靈活性。紋元重排列特征圖不僅僅是包含了形狀、大小、方向、顏色等信息，同樣包含了紋元的排列信息。Zhou Kun等人在特征圖合成時加入了紋元密度、分布等信息，此方法在模擬大自然中的紋理時獲得了很好的效果。Ray等人引入了材質坐標系用于對紋元進行重排列。相較于特征圖，控制圖則在更高的水平上加強了對于紋元排列的控制。Reng, Kwartra, Wei Liyi等人都是利用了一個輸入控制圖對紋元排列進行指導。近年來，Rosenberger自動的從給定樣圖中獲取其層次控制圖，進而進行紋理合成。除此之外，還有其他的方法用于紋元的排列。Ijiri提出了一種局部生長的過程性的方法用于紋元的生長排列得出了良好的效果。Zelinka利用了三維空間的褶皺信息用于模式的重排列。本專利技術方法，從給定樣圖中提取出的網格信息可以用于對紋元的重排列。塊拼接基于塊拼接的紋理合成方法最主要的問題便是如何去除掉拼接處的縫隙。Cohen等人提出了一個由從樣圖中提取出的Wang Tiles集合，得到連續分布的紋理合成方法。Kwatra, Efros利用誤差函數,在兩個塊的重復部分找出一條最小代價的Graphcut,進而將兩個塊放在一起。Clapworthy提出了對于非規則形狀的塊進行邊的切割，然后得出在視覺上具有最小非連續性的新圖像的方法。Praun更進一步討論了在3D表面的對非規則塊進行優化從而得出滿意效果的解決方法。 在本專利技術方法中有兩個步驟用到了塊的信息一個是紋理網格的構造，我們會首先通過一個邊匹配代價方程從樣圖網格中提取出一個無縫的網格；另一個是光柵化階段網格的初始化部分，在這里我們會通過一些變形放縮方法將從樣圖中提取出的塊放入結果網格中。實時紋理合成在計算機圖形學中，紋理合成是一個耗時工作，研究者們提出了額、各種方法試圖解決實時紋理合成的問題。其中一個想法便是預計算。Zelinka首先通過預計算分析了樣圖紋理，每個像素的鄰域信息都存儲在了 jump map中，就是通過這個jump map可以大大加快整個合成的速度。幾何空間的結構信息同樣可以幫助加快紋理合成的速度。在Michel Dischler中，首先是通過快速構建樣圖的二維幾何信息，在光柵化時結合GPU利用這些信息并行的快速得出結果紋理。另一種減少時間開銷的方法是通過塊合成方法。在方法Hays中，作者依據馬爾科夫隨機理論，摒棄了基于像素的合成而采用塊的合成大大加快了合成進程，并且取得了很好的效果。隨著GPU并行處理數據能力的增強，很多并行合成方法被提出來用于提高合成的效率。Lefebvre等人結合了傳統的多分辨率技術與并行處理方法獲得了實時合成結果的高質量的紋理。本專利技術的目標是提出一種可以跟用戶進行交互的紋理設計與合成方法。所以我們不能通過預計算加快速度。本專利技術結合了基于塊的思想跟并行合成方法，可以完成跟用戶的交互過程。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供，對于用戶提供的輸入網格或者從樣圖中提取出的樣圖網格，快速的合成出與其模式相一致的結果網格。對于結構性的紋理，結合像素的距離與方向特征快速的合成出結果紋理，完成與用戶的交互式紋理設計與合成。本專利技術解決上述技術問題的技術方案為，包括以下步驟步驟(I)、結果紋理的結構信息合成根據用戶輸入的或者是從樣圖中提取出的網格進行分析，首先得到無縫的網格塊，所述的無縫的網格指的是其上邊界與其下邊界、左邊界與右邊界分別完全重疊在一起；然后將這個無縫的網格塊進行簡單拼接形成理想大小的網格塊，最后對這個理想大小的網格塊進行優化得到最后的結果紋理的網格信息；步驟(2)、結果紋理的初始化完成對于結果紋理的邊界與非邊界區域的初始化，對于邊界的初始化，利用了像素到其最近邊的距離特征在樣圖中尋找一個與其距離特征最為相似的像素進行賦值；對于非邊界像素，將紋理劃分成兩 個大類分別進行處理第一類是對于變形不明感的紋理，對于該紋理上的每個由網格劃分出的塊，在樣圖中隨機的找到一個塊進行拉伸填充；第二類是對拉伸敏感的紋理，對于這類紋理上的塊，在樣圖中找到一個塊，根據這兩個塊半徑的比例，對樣圖塊進行整體的放縮然后填充初始化；步驟(3)、基于鄰域的并行像素合成利用了像素的方向特征對其鄰域進行旋轉從而找到更加適合的樣圖像素，提高合成質量。進一步的，所述的第一類紋理具體是石塊的形變不明感的紋理。進一步的，所述的第二類是紋理具體是花朵的拉伸等形變操作敏感的紋理。本專利技術的原理在于(I)為了從用戶輸入網格合成出理想大小的目標網格，首先需要尋找一塊無縫網格，尋找方案是隨機在輸入網格上割取網格塊，利用本專利技術提出的代價方程計算出每個塊的自匹配代價，找出代價最小的塊作為無縫候選塊。根據一定規則移動無縫候選塊的頂點使其成為無縫塊。拼接無縫塊獲取初始的目標網格，最后對目標網格進行優化得到結果網格。(2)對于邊界像素，根據其距離特征，在樣圖中選擇與其特征最為相似的像素進行初始化。對于非邊界像素，則采用對樣圖塊的拉伸或者整體塊放縮方法來填充結果紋理塊，從而完成整個初始化步驟。(3)利用方向特征，對初始化了的結果紋理中每個像素的鄰域進行旋轉，得出最佳的鄰域，然后并行的采用鄰域匹配方法在樣圖中搜索最佳的匹配像素從而合成出結果紋理。與原有方法相比，本專利技術首先能夠依據用戶輸入的網格或者是從樣圖提取的網格合成出理想大小的并且與遠網格保持同一模式的結果網格，而不用嚴格的要求用戶輸入一張大的結果網格；加入了像素的距離與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種與用戶交互式結構性紋理的合成方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟（1）、結果紋理的結構信息合成：根據用戶輸入的或者是從樣圖中提取出的網格進行分析，首先得到無縫的網格塊，所述的無縫的網格指的是其上邊界與其下邊界、左邊界與右邊界分別完全重疊在一起；然后將這個無縫的網格塊進行簡單拼接形成理想大小的網格塊，最后對這個理想大小的網格塊進行優化得到最后的結果紋理的網格信息；步驟（2）、結果紋理的初始化：完成對于結果紋理的邊界與非邊界區域的初始化，對于邊界的初始化，利用了像素到其最近邊的距離特征在樣圖中尋找一個與其距離特征最為相似的像素進行賦值；對于非邊界像素，將紋理劃分成兩個大類分別進行處理：第一類是對于變形不明感的紋理，對于該紋理上的每個由網格劃分出的塊，在樣圖中隨機的找到一個塊進行拉伸填充；第二類是對拉伸敏感的紋理，對于這類紋理上的塊，在樣圖中找到一個塊，根據這兩個塊半徑的比例，對樣圖塊進行整體的放縮然后填充初始化；步驟（3）、基于鄰域的并行像素合成：利用了像素的方向特征對其鄰域進行旋轉從而找到更加適合的樣圖像素，提高合成質量。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王莉莉，陳益，沈哲，郝愛民，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：