一種基于gpu加速的幾何紋理合成方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紋理合成領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GPU加速的幾何紋理合成方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 紋理合成和紋理映射是計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的主要技術(shù)，它能夠在不增加場(chǎng)景繪制復(fù) 雜度、不顯著增加計(jì)算量的前提下模擬物體表面的顏色細(xì)節(jié)或幾何細(xì)節(jié)，從而大幅度提高 場(chǎng)景的真實(shí)感。二維紋理合成是采用圖像紋理來(lái)表示物體的表面細(xì)節(jié)，這類(lèi)方法能夠取得 較快的合成速度，并且內(nèi)存占用較小。但是，二維紋理合成不支持遮擋、陰影、輪廓等重要的 效果。因此，近幾年研究者們提出了采用幾何紋理代替圖像紋理來(lái)表示物體的表面細(xì)節(jié)，從 而進(jìn)一步提尚繪制的精度。
[0003] 幾何紋理相較于二維紋理，具有更豐富、細(xì)致的表現(xiàn)能力，隨著顯卡硬件的提升， 幾何紋理在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中得到了大量應(yīng)用。然而，幾何紋理比圖像紋理具有復(fù)雜的幾何 結(jié)構(gòu)信息，其是由不規(guī)則拓?fù)溥B接的網(wǎng)格構(gòu)成的。因此，幾何紋理合成過(guò)程是高計(jì)算量、高 存儲(chǔ)占用和高耗時(shí)的，這使得需要考慮如何突破幾何紋理合成過(guò)程中的計(jì)算瓶頸，減小內(nèi) 存占用等的問(wèn)題。
[0004] 現(xiàn)有的幾何紋理合成方法中首先在用戶(hù)指定大小的合成輸出空間中找到種子區(qū) 域(待合成區(qū)域）；然后，通過(guò)元素匹配在種子區(qū)域中確定樣本幾何紋理的最佳放置位置;其 次，通過(guò)元素對(duì)應(yīng)使得放置在種子區(qū)域的樣本幾何紋理能夠和該區(qū)域周?chē)押铣蓞^(qū)域建立 對(duì)應(yīng)關(guān)系;再次，通過(guò)元素變形將建立對(duì)應(yīng)關(guān)系的區(qū)域在保持局部幾何細(xì)節(jié)的同時(shí)進(jìn)行幾 何對(duì)齊;最后，通過(guò)元素合并將元素對(duì)齊區(qū)域進(jìn)行無(wú)縫拼接，從而使得幾何紋理合成結(jié)果是 平滑自然的。該方法在進(jìn)行幾何紋理合成時(shí)，該算法以輸入的整個(gè)樣本幾何紋理作為每次 拼接基本單位。因此，對(duì)于元素匹配及對(duì)應(yīng)，塊與塊之間則需要在較大區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行幾何 結(jié)構(gòu)對(duì)齊。而當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)無(wú)法對(duì)齊時(shí)，這些區(qū)域都將被刪除，這將造成大量原始幾何數(shù)據(jù)的 丟失，使得樣本幾何紋理無(wú)法在合成過(guò)程中得到充分的利用。此外，由于樣本幾何紋理具有 復(fù)雜的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因而在進(jìn)展樣本塊最佳位置放置，以及樣本塊之間的對(duì)應(yīng)、變形和拼 接處理的計(jì)算量大，這使得幾何紋理合成過(guò)程是非常耗時(shí)的。
[0005] 現(xiàn)有的另外一種幾何紋理合成方法包括兩個(gè)主要過(guò)程:并行紋理塊匹配過(guò)程和多 通道優(yōu)化過(guò)程。該方法使用方便，僅需要提供一幅小尺寸的皮膚紋理作為輸入，即可在人體 模型表面上快速地生成足任意夠大尺寸的新的皮膚紋理，且能夠獲得高質(zhì)量的紋理合成結(jié) 果。該方法適用于合成人體模型表面的皮膚紋理，因而該方法的局限性較大；另一方面，由 于映射到三維模型表面上的樣本仍是二維紋理圖像，因此，合成的三維表面紋理結(jié)果不支 持遮擋、陰影、輪廓等重要的效果，因而無(wú)法真實(shí)地模擬物體表面的幾何細(xì)節(jié)。
[0006] 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，圖形處理單元(Graphics Processing Unit，GPU)的計(jì)算能力呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，這促使通用工程計(jì)算軟件由CPU中央處理向CPU/ GPU協(xié)同處理的方向發(fā)展。GPU具有出色圖元運(yùn)算能力、浮點(diǎn)計(jì)算能力、低能耗高帶寬、可靠 的并行架構(gòu)以及靈活的可編程性，這為解決幾何紋理合成中的計(jì)算瓶頸提供了可靠的現(xiàn)實(shí) 基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:現(xiàn)有的幾何紋理合成技術(shù)中紋理合成效率低及紋 理合成質(zhì)量差的問(wèn)題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一方面提出了一種基于GHJ加速的幾何紋理合成方 法，該方法包括：
[0009] 對(duì)樣本幾何紋理UP輸出幾何紋理Mcmt進(jìn)行網(wǎng)格化處理；
[0010] 確定待合成的幾何紋理區(qū)域；
[0011] 采用GPU并行處理方法在所述樣本幾何紋理Μιη中查找最佳匹配幾何子塊πι_;
[0012] 采用GPU并行處理方法對(duì)所述待匹配區(qū)域P?t與重疊區(qū)域Pine mcmt?行幾何對(duì)齊；
[0013] 采用GPU并行處理方法對(duì)所述匹配區(qū)域P〇ut與重疊區(qū)域Pinemcmt?行幾何變形；
[0014] 對(duì)經(jīng)過(guò)所述幾何變形后的所述待合成區(qū)域與所述匹配區(qū)域Ρ。#與重疊區(qū)域Pine m?t進(jìn)行幾何合并；
[0015] 其中，Pin(t) emmjt為最佳匹配子塊mmjt中的重疊區(qū)域Pin(t)。
[0016] 可選地，所述對(duì)樣本幾何紋理1"和輸出幾何紋理1_進(jìn)行網(wǎng)格化處理，包括：
[0017] 按樣本幾何紋理Min的長(zhǎng)度lin和寬度《^將樣本幾何紋理Min等分為網(wǎng)格Grid in = {Xin,Yin,Cell}；
[0018] 按輸出幾何紋理Mcmt的長(zhǎng)度lcmt和寬度Wcmt將輸出幾何紋理Mcmt等分為網(wǎng)格Gridcmt = {X〇ut,Y〇ut,Cell}；
[0019] 其中XiJPYin為Cell在Gridin的位置;Cell = {V，F(xiàn)}為網(wǎng)格元內(nèi)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和面片的 集合，即為樣本幾何子塊;樣本幾何紋理Min={Vin，F(xiàn)in}，其中V in是頂點(diǎn)集合;Fin是面片集 合;lin，Wir^Phin表示分別表示Min的長(zhǎng)度、寬度和高度;Xca^PYcmt為Cell在GricUt的位置;輸 出幾何紋理Mcmt = { Vcmt，F(xiàn)cmt}，其中Vcmt是頂點(diǎn)集合;Fcmt是面片集合；1 表示分別 表示M?t的長(zhǎng)度、寬度和高度。
[0020 ]可選地，所述確定待合成的幾何紋理區(qū)域包括：
[0021]所述待合成的幾何紋理區(qū)域?yàn)檩敵鰩缀渭y理1#中所有未占用的樣本幾何子塊 Cel 1且周?chē)噜徱颜加玫臉颖編缀巫訅KCel 1數(shù)最多的樣本幾何子塊Cel 1。
[0022] 可選地，所述采用GPU并行處理方法在所述樣本幾何紋理Min中查找最佳匹配幾何 子塊m?t包括：
[0023] 確定所述輸出幾何紋理M?t中的匹配區(qū)域Pout;
[0024] 將匹配區(qū)域PQUt沿水平方向或垂直方向以匹配區(qū)域PQUt的寬度為單位在樣本幾何 紋理Μιη進(jìn)行平移，匹配區(qū)域每次平移后與樣本幾何紋理Μιη重疊的區(qū)域標(biāo)記為重疊區(qū)域 Pin ⑴；
[0025] 采用GPU并行處理方法確定匹配區(qū)域與重疊區(qū)域Pin(t)的相似度誤差E(t)最小 的樣本幾何子塊為最佳匹配幾何子塊;
[0026] 111。1^是?^(〇和與其相鄰且與〇611同大小的樣本幾何子塊組成。
[0027] 可選地，所述采用GPU并行處理方法確定匹配區(qū)域與重疊區(qū)域Pin(t)的相似度 誤差E (t)最小的樣本幾何子塊為最佳匹配幾何子塊m?t包括：
[0028] 分別構(gòu)建匹配區(qū)域P〇ut的頂點(diǎn)矩陣和面片矩陣
[0029] 采用GPU并行處理方法獲取頂點(diǎn)矩陣Mv和面片矩陣Mf乘積后得到相似度誤差矩陣 Me,
[0030] 對(duì)相似度誤差矩陣Me每行中具有最小值的元素進(jìn)行累加求和，確定匹配區(qū)域Ρ。# 與重疊區(qū)域Pin(t)的相似度誤差E(t)最小的樣本幾何子塊為最佳匹配幾何子塊πι_;
[0031] 其中，m表示為匹配區(qū)域PQU沖頂點(diǎn)的個(gè)數(shù);η表示為重疊區(qū)域Ριη⑴中面片的個(gè)數(shù)， Me中的第i行第j列元素即為匹配區(qū)域P?t的頂點(diǎn)&到重疊區(qū)域Ριη⑴中面片.以的相似度誤 差。
[0032] 可選地，所述采用GPU并行處理方法對(duì)所述匹配區(qū)域P〇ut與重疊區(qū)域P in(t)已!!1_進(jìn) 行幾何對(duì)齊包括：
[0033]建立Pin(t)已血的與所述匹配區(qū)域?。的的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)齊關(guān)系集S;
[0034]根據(jù)所述相似度誤差矩陣Me構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)對(duì)齊矩陣Ms;
[0035] 采用CPU并行處理方法根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)對(duì)齊矩陣Ms對(duì)所述幾何結(jié)構(gòu)對(duì)齊關(guān)系集S進(jìn) 行優(yōu)化；
[0036] 根據(jù)優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)齊關(guān)系集對(duì)所述匹配區(qū)域與重疊區(qū)域?1"(〇6111_進(jìn) 行幾何對(duì)齊。
[0037] 可選地，所述采用GPU并行處理方法對(duì)所述匹配區(qū)域P〇ut與重疊區(qū)域P in(t)已!!1_進(jìn) 行幾何變形包括：
[0038] 計(jì)算匹配區(qū)域?。1^吧1^々111。 11洛個(gè)頂點(diǎn)的形變坐標(biāo)，采用6?1]并行處理方法對(duì)匹 配區(qū)域P?t與重疊區(qū)域pin(t)emcmt內(nèi)各頂點(diǎn)進(jìn)行變形處理。
[0039] 可選地，所述對(duì)經(jīng)過(guò)所述幾何變形后的所述待匹配區(qū)域與重疊區(qū)域Pin(t)e m?t進(jìn)行幾何合并包括：
[0040] 采用基于GPU的二維Graph Cut算法獲取匹配區(qū)域P〇ut和重疊區(qū)域Pin(t) emcmt之間 的最優(yōu)拼接路徑，將匹配區(qū)域和重疊區(qū)域?111(〇6111_進(jìn)行無(wú)縫平滑的合并。
[0041] 本發(fā)明另一方法提出了一種基于GPU加速的幾何紋理合成系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0042]網(wǎng)格化處理單元，用于對(duì)樣本幾何紋理Μιη和輸出幾何紋理進(jìn)行網(wǎng)格化處理； [0043]待合成區(qū)域確定單元，用于確定待合成的幾何紋理區(qū)域；
[0044] 最佳匹配幾何子塊查找單元，用于采用GPU并行處理方法在所述樣本幾何紋理Μιη 中查找最佳匹配幾何子塊;
[0045] 幾何子塊對(duì)齊單元，用于采用GPU并行處理方法對(duì)所述匹配區(qū)域和重疊區(qū)域Ριη (t) em〇ut進(jìn)行幾何對(duì)齊；
[0046] 幾何子塊變形單元，用于采用GPU并行處理方法對(duì)所述匹配區(qū)域和重疊區(qū)域Ριη (〇6!!1_進(jìn)行幾何變形；
[0047] 幾何子塊合并單元，用于對(duì)經(jīng)過(guò)所述幾何變形后的所述匹配區(qū)域Ρ。#和重疊區(qū)域 pin(t) emmjt進(jìn)行幾何合并。
[0048]可選地，所述網(wǎng)格化處理單元包括樣本幾何紋理網(wǎng)格化模塊和輸出幾何紋理網(wǎng)格 化模