生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究.doc
《生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究.doc(49页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、 本科毕业设计论文毕业任务书一、 题目:生物器官三维模型的色彩及纹理映射技术研究二、 指导思想和目的要求:(1) 指导思想通过了解OpenGL技术中纹理映射的相关方法,熟悉纹理映射的过程,能够在心脏三维网格模型的基础上,添加纹理,表现人体心脏外形的色彩及特征。(2) 目的要求掌握纹理映射技术的相关方法,熟悉映射的过程。做到对心脏的三维模型添加色彩,并表现出心脏的细节。在VC+中构建OpenGL环境,并编写相应的程序。三、 主要技术指标:1. 掌握纹理映射的相关函数及方法;2. 熟悉VC+环境中编程的思想;3. 熟悉纹理映射的过程;4. 设计实现纹理映射的程序;5. 软件原型系统实现:实现语言为
2、基于VC+基础上的OpenGL。四、 进度与要求:5-6周 查阅与翻译资料,纹理映射的概念及相关算法,熟悉纹理映射的过程,熟悉编程语言。7-9周 完成纹理映射程序的设计。10-13周 编程实现算法。14-16周 完成论文撰写。17-18周 论文答辩。五、 主要参考书及参考资料:1 Bruno Levy and Jean-Laurent Mallet. Non-Distorted Texture Mapping For Sheared Triangulated Meshes2 Greg Turk. Texture Synthesis on Surfaces3 Dave Shrener, Maso
3、n Woo ,Jackie Neider, Tom Davis著,邓郑祥译.OpenGL编程指南(第四版).人民邮电出版社.20004 和平鸽工作室.OpenGL三维图形系统开发与实用技术(基础编程篇).清华大学出版社.重庆大学出版社5 孙家广,杨长贵编著.计算机图形学(第三版).北京:清华大学出版社,19956王雪莉 李宗民.Visual C+下OpenGL开发框架与应用.电脑学习第5期.2004.10.学 生 张 婕 指导教师 张树生 系主任 苑伟政43摘 要三维建模是当前计算机视觉与计算机图形学领域的一个研究热点,在多媒体、人机交互、通讯等方面具有广泛的应用。三维建模一般包括几何建模和纹
4、理建模两个方面。本论文着重论述三维心脏建模中的纹理映射问题。在采集好的心脏几何数据以及建立好的心脏网格模型的基础上,进一步研究如何对心脏网格模型实现色彩和纹理映射。我们的基本方法是应用程序读入心脏的二维图片,再将三维心脏网格模型经过平移、旋转等坐标变换,投影到二维平面上,使心脏网格模型的位置与图像中心脏的位置相对应,然后用视图区与窗口区的坐标转换公式求解图像中的点坐标与模型中的三维坐标之间的对应关系,应用程序对心脏进行纹理映射。在完成几何模型与指定图像间的纹理映射之后,通过进一步合成心脏的局部纹理,从而完成心脏纹理模型的构建。所有的工作是在VC+基础上构建的OpenGL环境中完成的。论文中也给
5、出了相关实验结果,并且就仍然存在的问题进行分析,最后提出了对下一步工作的展望。关键字:纹理映射,坐标变换,纹理坐标,OpenGLABSTRACT3D modeling is an active topic in computer vision and computer graphics, which has broad applications in multimedia, human-machine interaction, communication, etc. Generally, 3D modeling techniques can be classified into two cat
6、egories: geometry modeling and texture modeling. In this thesis, we focus on the topic about how to estimate the texture mapping between the heart mesh model and a color image. We utilize the acquired heart geometry images and the heart mesh model from the geometry images. After that, we generate he
7、art texture models by the registration between the constructed mesh model and one color image. The image of the color photo of heart model is firstly read by application program. And then the 3D heart mesh model is preprocessed by using translation and rotating transformations to map it into 2D plan
8、e, in order to make the model to match the heart in the image. After all the transform of coordinate and projection, we use the coordinate transforms formula between view area and window area to evaluating corresponding relation of the coordinate between the model and image. Then write mapping progr
9、am in OpenGL to finish the work. With the estimated parameters, a part texture map is synthesized from the texture mapping corresponding to the image, and then come into being a part of heart with texture. All of the work are finished in the surroundings of OpenGL on the base of VC+. Experimental re
10、sults are given to demonstrate the performance of our method. Some existed problems are also analyzed and the future work to be done is discussed.Key words: texture mapping, coordinate transform, texture coordinate, OpenGL目 录摘 要IABSTRACTII第一章绪 论11.1毕业设计的意义11.2纹理映射技术的研究背景和发展现状21.2.1研究背景21.2.2 发展现状31.
11、3论文主要工作及本文结构41.3.1 本文的主要工作41.3.2 研究内容和目标51.3.3 本文的结构5第二章三维图形概论及基础平台简介62.1 3D图形概述62.2 OpenGL82.2.1 OpenGL的基本功能与操作82.2.2 OpenGL的体系结构102.2.3 OpenGL绘制几何图元112.2.4 在OpenGL中使用颜色122.2.5 在OpenGL中使用光照122.2.6 在OpenGL中使用材质132.2.7 在 OpenGL中使用纹理映射132.3 VC+面向对象技术142.3.1 面向对象技术的内容142.3.2 面向对象技术的特征142.3.3 面向对象技术的应用1
12、5第三章纹理映射技术及映射思路173.1 纹理函数的定义及控制173.1.1纹理函数的定义173.1.2纹理数据的获取183.1.3纹理映射的反走样处理193.1.4纹理控制193.1.5光照函数213.2 心脏模型在窗口区和视图区中的坐标变换213.3 心脏模型纹理坐标的获取233.4心脏模型的映射思路25第四章心脏模型上的纹理映射264.1 VC+下OpenGL环境的构建264.2 心脏模型数据来源294.2.1 心脏模型数据的采集294.2.2 STL文件及心脏网格模型304.2.3 添加色彩的心脏模型324.3 心脏模型的纹理映射程序334.4 心脏模型重现结果及分析354.5本章小结
13、37第五章结论与展望385.1本文完成的工作385.2研究展望38致 谢40参考文献41毕业设计小结42第一章 绪 论1.1毕业设计的意义 在计算机图形学中,最引人注目的研究方向就是图形的真实感问题。所谓图形的真实感,是指计算机所生成的图形反映客观世界的程度。长期以来,图形真实感问题一直是计算机图形学研究的一个主要课题。这主要有两个原因,其一是由于计算机技术的飞速发展,其应用愈来愈广,某些应用领域(计算机艺术、计算机制片,计算机娱乐和广告等)把高度真实感的图形作为其发展的最终目标;其二是因为计算机所能显示图形的真实程度也是对我们目前技术水平的一个度量,如果我们不能生成比较真实的图形,那么,对图
14、形进行艺术加工和控制更无从谈起。然而,要用计算机生成一个比较逼真的模型并不是一件容易的事情,要解决各种各样的问题。目前,围绕真实感图形的显示问题,主要涉及以下几方面问题: 画面绘制(rendering) 明暗处理(shading) 图形反混淆(antialising) 光线跟踪(ray tracing) 纹理映射(texture mapping) 阴影(shadow) 隐藏线、隐藏面消除(hidden line、 hidden surface culling)几何造型(Geometric modeling)早期的研究主要集中在基本算法上,由于当时的计算机只能生成一些简单的图形,还不具备交互功能
15、。随着大规模集成电路(LSI)的飞速发展,硬件成本迅速下降,尤其是大容量存储器的出现,光栅扫描显示器的问世,为真实感图形显示提供了坚实的物质基础,从而真实感的图形显示也成为人们的研究热点。在过去的十几年中,人们一直在通过建模的方法仿真客观世界,由于客观世界千变万化、错综复杂,要把客观世界的各种细微结构直接用几何模型表示出来,不仅模型难以建立,而且计算量庞大,难以满足实时显示的要求。例如,一个曲面可以用许多微小多边形(或曲面片)表示其表面细节,每个微小多边形(或曲面片)具有自身的表面特性,要显示这个曲面,必须对这些小多边形(或曲面片)进行分别处理,这将要求大量的存储空间和计算时间,因此,在实际应
16、用中,为了获得比较高的显示速度,往往以牺牲图形的真实感为代价。尽管这样,显示一幅较复杂的图形往往需要好几个小时,并且能满足实时要求的几何模型一直没有找到。于是,人们就想象是否可以用“贴”墙纸的方法将反映物体表面细节的图案贴到物体表面上,从而开辟了一个新的研究领域纹理映射(texture mapping),与建造模型的方法相比,在模拟物体表面细节方面,纹理映射是一个较有效的方法。实际上,真实的景物表面存在着丰富的纹理细节。人们正是依据这些纹理细节来区别各种具有相同形状的景物,因此景物表面纹理细节的模拟在真实感图形合成技术中起着非常重要的作用,我们将景物表面纹理细节的模拟称为纹理映射技术。这种技术
17、已在三维动画软件(如3DMAX)及图形处理软件中得到广泛应用。1.2纹理映射技术的研究背景和发展现状1.2.1研究背景纹理映射技术最早是由Catmull在1974年率先提出的, Catmull1首先找到了以(u,v)表示的双变量实数空间(纹理空间)和以参数(s,t)表示的三维曲面之间的对应关系(映射关系)。为了计算三维曲面上每一点的彩色值,Catmull使用了一个二维矩形数组,该数组的位置表示(u,v)的参数值,数组的值表示(u,v)点对应的彩色值;接着,应用上面找到的映射函数将每一点(u,v)及其对应的彩色值映射到相应的三维曲面上,代替了只用一种色彩表示曲面的情况,在三维曲面上得到了彩色图案
18、。但是在Catmull的算法中,被映射的值仅限制为纹理图案的彩色值。为此,Blinn和Newell在1976年提出了“反射映射”技术,他们在光照模型中考虑了纹理映射后的图形质量。在1978年,Blinn又提出了另一种纹理映射技术凹凸映射(bump mapping),利用一个扰动函数扰动物体的表面法矢来模拟有随机法矢的粗糙表面纹理,实现了在光滑的物体表面附上粗糙纹理的方法。Gardner使用纹理函数控制物体的透明性,在模拟自然界景物方面,取得了良好的效果。Kajiya扩展了Blinn的方法,利用扰动函数扰动物体表面的其它参数,很好地模拟了头发、衣服之类的物体。与此同时,国外大量的学者通过实验手段
19、在多边形表面生成了许多逼真的纹理图案。但不幸的是,这些方法非常低效,只适用一些简单的场景。我们知道,要将一幅纹理图案映射到一张曲面上,需对纹理图案进行拉伸或压缩以适应曲面的形状。一般来说,随着纹理图案的压缩,增加了纹理图案高频成分,在图像空间中容易引起图形混淆(aliasing),这主要是由于欠采样(undersampling)引起的。因为图形显示器是由许多图像元素(简称象素pixel)组成的,一个象素并不是理想中的无穷小量,而占据一定的区域,对纹理图案的采样频率取决于图形显示器的分辨率(即相邻两象素中心的间距),因此,对某个图形显示器来说,采用通常的显示方法,其采样频率是恒定的。关于纹理映射
20、中的反混淆问题,国外学者已做了大量的工作,提出了许多反混淆方法。1.2.2 发展现状最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成,这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体,能够用三维形体来表示复杂的信息,这种技术就是可视化 ( Visualization ) 技术2。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作,和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一,这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力,这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创
21、造性的思维。机械工程师可以从二维平面图中得以解放直接进入三维世界,从而很快得到自己设计的三维机械零件模型。医生可以从病人的三维扫描图像分析病人的病灶。军事指挥员可以面对用三维图形技术生成的战场地形,指挥具有真实感的三维飞机、军舰、坦克向目标开进并分析战斗方案的效果。更令人惊奇的是目前正在发展的虚拟现实技术,它能使人们进入一个三维的、多媒体的虚拟世界,人们可以游历远古时代的城堡,也可以遨游浩瀚的太空。所有这些都依赖于计算机图形学、计算机可视化技术的发展。人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程,而且形成了许多可视化工具,其中SGI公司推出的GL三维图形库表现突出,易于使用而且功能强大。
22、利用GL开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员的喜爱,这些三维应用软件已涉及建筑、产品设计、医学、地球科学、流体力学等领域。随着计算机技术的继续发展,GL已经进一步发展成为OpenGL, OpenGL已被认为是高性能图形和交互式视景处理的标准,目前包括ATT公司UNIX软件实验室、IBM公司、DEC公司、SUN公司、HP公司、Microsoft公司和SGI公司在内的多家在计算机市场占领导地位的大公司都采用了OpenGL图形标准。纹理映射技术是近年来发展最快的3D技术之一,成为大家公认最能衡量3D图像质量的技术标准。各种图形标准都提供了对纹理映射的支持。如:OpenGL、DirectX9.0
23、等1.3论文主要工作及本文结构就本次毕业设计而言,有关生物器官的纹理映射的资料相对较少,大多数是英文资料,所以学习生物器官上的纹理映射技术在很大程度上是探索性质的。要做好纹理映射,3D图形学和OpenGL的基础知识到是必不可少的,这将为程序实现打下基础。除了需要具有相关的VC+知识,还要了解OpenGL环境的性能,熟悉各种函数也是非常必需的。因此本次毕业设计的难度较大,所需要学习的基础知识比较多。1.3.1 本文的主要工作(1)纹理函数的应用及坐标变换应用相关的纹理函数,读入图像数据,设置纹理控制函数,然后对已有的心脏网格模型数据进行处理,将三维坐标点经坐标转换成二维平面上的点,使其与心脏彩色
24、图像相对应,为下一步纹理映射打好基础。(2)OpenGL环境的搭建在熟悉VC+平台的基础上搭建OpenGL环境,为实现纹理映射打好基础。使用OpenGL中基本功能,例如颜色、光照、材质、纹理映射等编写基本程序。(3)纹理贴图网格模型与图像对应好以后,利用程序计算求得纹理坐标,将纹理映射到心脏网格模型上得到最终结果。1.3.2 研究内容和目标基于上述内容,提出本文的研究内容和目标:(1)学习OpenGL环境的搭建,以及OpenGL函数和纹理映射函数的使用。(2)为心脏网格模型添加纹理,形成一个有色彩,真实感的心脏表面模型。1.3.3 本文的结构在本次毕业设计中,由于现有的心脏网格模型与心脏模型的
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
10 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 器官 三维 模型 色彩 纹理 映射 技术研究