紋理過濾與反走樣.doc

紋理過濾與反走樣朱元偉 計(jì)算機(jī)應(yīng)用09研 2110912097進(jìn)行紋理過濾時，正在使用的紋理通常也正在被進(jìn)行放大或縮小。換句話說，這個紋理將被映射到一個比它大或小的圖元的圖象上。紋理的放大會導(dǎo)致許多像素被映射到同一個紋理像素上。那么結(jié)果看起來就會使矮矮胖胖的。紋理的縮小會導(dǎo)致一個像素被映射到許多紋理像素上。其結(jié)果將會變得模糊或發(fā)生變化。 另外將一張黑白的世界象棋圖映射到物體表面, 當(dāng)物體表面小到接近單位像素時, 表面只能顯示黑色或白色, 當(dāng)物體位移或旋轉(zhuǎn)時, 會出現(xiàn)黑白閃爍現(xiàn)象要解決這些問題，我們可以將一些紋理像素顏色融合到一個像素顏色上。沒有反走樣正弦濾波器 1.雙線性過濾1.1 雙線性過濾的工作原理 其工作原理是將一個像素分成2X2的紋理元素區(qū)域塊這樣我們就擁有A、B、C、D 4個紋理元素區(qū)域了，然后以目標(biāo)紋理的像素點(diǎn)為中心，對該點(diǎn)附近的這個4個像素顏色值求平均值。再將這個平均顏色值貼至目標(biāo)圖像素的位置上。雙線性過濾的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算量少，效果也很不錯.上圖中顯示出一條直路你可以看到左邊的斜線標(biāo)志在某個距離外，會出現(xiàn)一些環(huán)狀失真的現(xiàn)象這是未采用雙線性過濾的效果，可以看見很明顯的馬賽克現(xiàn)象。 這是采用了雙線性過濾后的效果，馬賽克沒有了。 1.2雙線性過濾的問題 雙線性過濾是最基本的3D紋理過濾技術(shù)，通過使用雙線性過濾，不同像素間的過渡會變得比較圓滑，不過經(jīng)過雙線性處理后的圖像會顯得有些模糊，比較適用于有一定景深的靜態(tài)影像，不適合非常小的三維物體，也不適用于移動中的物件。因?yàn)闀a(chǎn)生如條紋和紋理變形等，當(dāng)視角發(fā)生變化時，就可能感覺到閃爍感等的問題。圖中鐵絲網(wǎng)應(yīng)該是均勻的，但在這里成了不均勻的分布，在移動的時候，這些地方就會感到有閃爍。注意圖中箭頭所指之處。 這是應(yīng)用了mipmap后的效果2. MIP-MAP2.1 MIP-MAP思想與算法當(dāng)一個物體離觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的時候，并不需要這樣高分辨率的紋理。mipmapping是在紋理緩存里面裝載不同分辨率的紋理位圖，當(dāng)物體里觀察點(diǎn)較近的時候采用高分辨率的紋理，離開觀察點(diǎn)較遠(yuǎn)的時候采用低分辨率的紋理位圖，就可以在很大程度上消除遠(yuǎn)端物體紋理的閃爍感。mipmapping的實(shí)現(xiàn)是以需要更大的紋理緩存為代價的，因?yàn)榧y理緩存里面需要為場景中的物體保存不同分辨率的幾套位圖1。 Mip-Map圖映射方法是對前置濾波法的一種加速辦法，是一種犧牲精度來提高速度的紋理映射方法。 它采用一個適當(dāng)大小的正方形區(qū)域近似表示圖象空間一個象素在紋理空間的映射區(qū)域，用該正方形區(qū)域的樣本平均值近似作為圖象空間一個象素的紋理計(jì)算值。 Mip-Map圖映射方法預(yù)先將紋理函數(shù)值按照不同的分辨率記錄在紋理數(shù)組中，作為紋理查找表。其中低分辨率的函數(shù)值由比它高一級分辨率的函數(shù)值取平均得到。 設(shè)t(u,v)是紋理函數(shù)，給定的分辨率是NN（如512512），將紋理空間劃分成NN個小正方形區(qū)域，取每個小正方形區(qū)域中的紋理函數(shù)平均值即得NN個紋理值，按紅、綠、藍(lán)3個分量分別存放于3個NN的二維數(shù)組中，即為Mip圖的第一級數(shù)據(jù)（在設(shè)定的NN分辨率下的最高分辨率紋理值）。 設(shè)屏幕空間一象素對應(yīng)到紋理空間的4個角點(diǎn)構(gòu)成的四邊形的最大邊長d，按照分辨率由高向低往上分層存放Mip-Map圖映射表：如果選取最高分辨率，即屏幕空間一象素幾乎對應(yīng)紋理空間的1（20）個正方形。此時壓縮倍數(shù)是20，正方形的邊長是1，應(yīng)選取1層。如果屏幕空間一象素幾乎對應(yīng)紋理空間的22個正方形，此時壓縮倍數(shù)是21，正方形的邊長是2，應(yīng)選取2層。 如果屏幕空間一象素幾乎對應(yīng)紋理空間的2N個正方形，此時壓縮倍數(shù)是2N-1，正方形的邊長是N，應(yīng)選取N層。mip-map在確定屏幕上可見表面的紋理過程如下2(1). 計(jì)算屏幕上可見表面的中心在紋理空間上的映射點(diǎn)坐標(biāo)(u, v).(2). 確定紋理空間中以(u, v)為中心, 邊長為d的正方形, 要求正方形能覆蓋表面在紋理空間中映射的區(qū)域.(實(shí)際這樣算d太復(fù)雜, 一般d為表面在紋理空間中映射的區(qū)域的最大邊長)(3). 根據(jù)d的大小確定使用哪一級的紋理map.因?yàn)閙ip-map中的紋理圖案存儲的是特定的圖案, 即只有邊長d = 2k, k = 0, 1, ., log2S的圖案, 對于在2k d 2(k + 1)的邊長d, mip-map通過線性插值第k層的紋理和第k + 1層的紋理得到2.2 MIP-MAP出現(xiàn)的問題在mipmapping中，由于采用了不同分辨率的紋理，在這些不同分辨率的紋理交界的地方，我們就有可能看見一個明顯的邊界,這顯然是不符合實(shí)際情況的。另外，在場景中移動的時候，當(dāng)顯示的物體由一個分辨率的紋理切換到另一個分辨率的紋理的時候，我們就會看見紋理突然發(fā)生了變化。 使用三線性過濾，幾乎看不出界限的存在了 紋理突然發(fā)生了變化3.三線性過濾3.1 三線性過濾原理三線性過濾技術(shù)主要是解決雙線性過濾與Mip Mapping相配合使用時所出現(xiàn)的不同紋理層接縫的突發(fā)變化失真問題。三線性過濾的原理同雙線性過濾一樣，只不過三線性過濾的采集范圍更大：它主要是在雙線性過濾的基礎(chǔ)之上增加了4個的紋理元素采樣參考，也就是三線性過濾必須使用兩次雙線性過濾，即必須計(jì)算2X4=8個像素的值3。三線性過濾可以比雙線性過濾更有效地解決不同LOD細(xì)節(jié)等級紋理過渡時出現(xiàn)的組合交叉重疊現(xiàn)象。從上圖可以以看到，在使用三線性過濾后，雖然接縫現(xiàn)象不見了，但存在有過渡模糊的現(xiàn)象從上圖可以以看到，在使用三線性過濾后，雖然接縫現(xiàn)象不見了，但存在有過渡模糊的現(xiàn)象 3.2三線性過濾的問題當(dāng)物體消失的方向(透視方向)和我們的視角有一定夾角時，三線性過濾仍然存在失真現(xiàn)象。為什么會出現(xiàn)過渡模糊的現(xiàn)象呢?這是因?yàn)檫@條路相對于觀察者來說，是相當(dāng)“扁平”的，所以一個像素在貼圖上的圖元像素會變得很扁。由于形狀的不規(guī)則，顯示芯片在選擇不同分辨率的Mip Mapping時會選較低分辨率的Mip Mapping，這樣就會造成在某個方向下分辨率是適當(dāng)?shù)?，但是在另一個方向則會過渡模糊。我們可以強(qiáng)迫顯示芯片使用較高分辨率的貼圖來解決這個問題。不過，這個方法只能用在方向是固定的情形，如果視角常常會轉(zhuǎn)動(Z軸旋轉(zhuǎn)表面)，那它可能反而會變得更為模糊。當(dāng)然，對于一般視角變化不大的情形，如一般的賽車游戲，效果還是不錯的4。 不過，對于像是第一人稱射擊、飛行仿真等視角變化較大的游戲來說，這個方法就不見得這么有用了。針對這個問題，人們又推出了各向異性過濾技術(shù)。4. 各向異性過濾各向異性過濾主要作用通過增加更多的貼圖模型來消除Z軸旋轉(zhuǎn)表面的鋸齒狀線條、而達(dá)到更好的畫面效果。它融合了雙線性過濾和三線性過濾的一些特點(diǎn)。但從各向異性過濾又不同于傳統(tǒng)的雙線性和三線過濾：后兩者都是各向同性的過濾，各方向上矢量值是一致的，在渲染時各個圖元像素的尺寸、形狀都是固定的；各向異性過濾正好相反，它主要處理矢量方向上值不一致的數(shù)據(jù)，在渲染時使用尺寸可變的圖元像素。啟用各向異性過濾后可以看到幾乎所有的失真包括過渡模糊的現(xiàn)象，都已經(jīng)消失了不過在顯卡實(shí)際工作中，上面幾種過濾模式是相輔相承的5。各向異性過濾一般都配合雙線性過濾或三線性過濾來運(yùn)行的。不過，它的缺點(diǎn)也是很明顯的：對每個貼圖來說，使用三線性過濾的情形下，最多會需要讀取128個像素。這會占用很多顯存的帶寬，因此會造成性能降低。不過，這個問題在今天已經(jīng)不再是問題了目前主流的顯示芯片在設(shè)計(jì)時就考慮了對各項(xiàng)異性過濾的硬件支持并提供了相當(dāng)高采樣率如Radeon9500、Radeon9700。參考文獻(xiàn) ：1 杜穎，吳保國，武玉國 全球虛擬地形環(huán)境中mip-map研究J 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào) 第5卷，第23期 2006.102 孫芳，戴卿，周太平 Mipmap應(yīng)用于紋理繪制的新算法及實(shí)現(xiàn)J 應(yīng)用科技 第3