● 摘要
随着图像获取设备和三维扫描硬件的快速发展和广泛应用，三维虚拟场景的制作越来越精良，这对三维模型及其对应的纹理图像的处理有了更高要求。但纹理合成是一个大计算量过程，因而大尺寸高质量纹理合成所需的计算时间与交互所需要的绘制效率在一定程度上限制了纹理合成技术的发展和应用范围。
本论文以国家863课题“多源密集型动态运行数据呈现技术与服务系统”为背景，研究可并行的交互式纹理合成方法，在保证高质量纹理合成结果的同时，对如何有效降低纹理合成所用时间，提高用户对纹理合成过程的可控性进行了深入研究。主要研究内容如下：
（1）基于并行归约匹配的纹理合成方法。随着三维扫描硬件的快速发展和广泛应用，三维模型精度不断提高，数据量不断增大，这使得与之对应的纹理数据同样需要更高的分辨率来进行模型细节的表现。但过大的数据量会导致处理时间的增加，影响绘制效率。提出一种在样图中并行归约查找最优匹配纹理块的纹理合成方法，以保证在较短处理时间内高质量平面纹理的合成：首先对空白纹理进行初始化，形成随机纹理，以增加结果纹理的随机性；然后使用固定邻域顺序定位纹理块，并行执行最优匹配纹理块的查找和归约，快速得出最优匹配块，拼接形成初始合成纹理；最后逐步减小邻域范围，对初始合成纹理进行迭代全局优化，平滑纹理块之间边界，实现高质量的纹理合成。
（2）三维模型表面并行纹理合成方法。纹理映射方法将平面纹理图像通过纹理坐标绑定到模型顶点上，但由于三维模型表面是曲面，直接将平面纹理映射到曲面上容易造成纹理的扭曲和拉伸。提出一种三维模型表面纹理合成方法，根据样图直接在模型表面生成连续的纹理图像：首先使用网格化简和细分方法对模型顶点分布进行调整，使其能够应用固定邻域进行采样；然后根据顶点位置，为每个顶点构建局部方向场，以确定邻域采样顺序；随后使用广度优先方式，按照方向场移动邻域遍历模型顶点，使得采样过程能够连续地覆盖整个模型表面，以保证每个纹理块的匹配都包含已确定数据的约束；最后使用并行最优匹配纹理块的查找匹配，并进行全局优化，确定模型顶点最终纹理颜色。
（3）基于网格的并行交互式纹理合成。常规基于样图的纹理合成只需用户指定样图纹理，无需用户干涉合成过程，也不允许用户参与设计，虽然减少了用户的输入，但同时也降低了用户对纹理合成结果的控制性。虚拟场景的多样化发展使得用户能够以越来越多的形式与场景交互，按照用户意图约束纹理合成的方式，使其符合用户的设计。提出一种基于网格的交互式纹理合成方法：首先对用户输入网格进行提取和优化，找出适合大范围拼接的网格块，调整并生成初始的约束封闭网格，以保证网格风格与用户输入一致；然后在网格内植入种子点，将网格内像素到网格边界的距离作为特征度量像素颜色与样本颜色的匹配程度；最后以网格为独立单元，并行计算像素纹理颜色，以对网格内容进行快速填充，并确保填充结果与样本纹理风格的一致性。
（4）半规则纹理合成与交互方法。传统的纹理合成方法适用于结构性纹理与随机纹理，对于自然界广泛存在的半规则纹理处理结果存在不确定性，而为提高虚拟场景真实感，会大量使用自然界的真实纹理。为了能够提高对半规则纹理的真实感和可控性，提出一种针对半规则纹理的交互式合成方法：首先提取并分析样图纹理的边界信息，并据此对用户输入的信息进行扰动，形成指导纹理合成结构的控制图；根据控制图的分布，使用逐像素纹理合成的方法，根据像素与控制图边界的距离作为特征度量，以并行方式计算像素颜色对待合成纹理进行填充，实现用户输入信息约束纹理结构，纹理内容则存在随机分布的半随机纹理效果。