计算机图形学高级主题：纹理映射

"这篇文档是关于计算机图形学中的高级主题——纹理映射，由Steve Olivieri撰写。纹理映射是让材质表面颜色随位置变化的一种技术，它影响材质对光的反应，包括反射、散射、透射、发射和吸收等特性。文中提到了几种不同的纹理类型和实现方式，如凹凸贴图、位移贴图和剪裁贴图。通过`Texture`类的声明，可以看到纹理的基本接口，要求实现根据给定的着色记录返回颜色的方法。文档还给出了两种示例纹理：常量颜色纹理和图像纹理。常量颜色纹理无论在何处都返回指定的颜色，适用于创建高光、反射系数等效果；而图像纹理则依据图像文件（如JPEG、TIFF、PPM）来返回颜色，是增加表面细节的经济高效方法。" 纹理映射是计算机图形学中的核心技术，它允许我们在虚拟场景中为物体表面添加真实感和细节。在3D建模和渲染中，纹理可以模拟各种材料的外观，如木材、金属、布料等。通过对每个像素位置应用不同的颜色值，纹理可以使模型看起来更生动，更接近于真实世界。 1. **纹理的基本概念**：纹理是一种随位置变化的颜色模式，它可以改变物体表面在光照下的表现，如反射、散射、透射、发射和吸收等。这些属性决定了物体在不同光线条件下如何呈现。 2. **纹理类型**： - 凹凸贴图（Bump Map）：通过模拟表面的高度变化，改变光线在表面的反射和阴影效果，增加物体的质感。 - 位移贴图（Displacement Map）：不仅改变表面的视觉效果，还会实际改变物体的几何形状。 - 剪裁贴图（Clip Map）：用于在物体表面创建开口或局部覆盖的效果。 3. **纹理接口**：在示例中，`Texture` 类作为所有纹理类型的基类，定义了一个纯虚函数 `get_color(const ShadeRec &sr)`，这个函数根据给定的着色记录（通常包含像素的位置和光照信息）返回相应的颜色。 4. **常量颜色纹理**：`ConstantColor` 类实现了恒定颜色的纹理效果，无论在模型上的哪个位置，都会返回设定的颜色，这对于创建特定的视觉效果非常有用，如高光、纯色背景等。 5. **图像纹理**：`ImageTexture` 类则从外部图像文件中读取颜色信息，提供了丰富的表面细节。这种纹理类型广泛应用于游戏开发、电影特效和可视化设计中，因为它可以轻松地导入复杂的图案和图像，且效率较高。 6. **纹理坐标**：在纹理映射中，通常需要将3D空间中的点映射到2D的纹理坐标系统上，以便查找对应的纹理颜色。这可以通过UV坐标或其他坐标系统来实现。 7. **纹理过滤与mipmap**：为了处理纹理缩放时的模糊问题，通常会使用纹理过滤技术，如最近邻插值、双线性插值或三线性插值。Mipmapping是预生成一系列不同分辨率的纹理层次，以优化不同距离下的渲染质量。 8. **纹理坐标变形**：为了实现非均匀拉伸、扭曲或其他复杂的表面效果，可以对纹理坐标进行变换，如使用纹理矩阵或顶点着色器进行动态处理。 9. **纹理合成**：通过混合多个纹理，可以创建更复杂、更有趣的表面效果，例如使用阿尔法通道进行透明度控制，或者通过混合不同纹理来模拟混合材质。 10. **硬件加速**：现代GPU提供了高效的纹理处理能力，能够在大量像素上快速执行纹理采样和混合操作，极大地提高了渲染速度。 纹理映射是计算机图形学中提升视觉效果的关键技术，通过巧妙地应用各种纹理和技巧，可以创造出高度逼真的虚拟环境。