一种动态纹理生成方法 技术领域
本发明属于虚拟现实领域，具体涉及一种动态纹理生成方法。
背景技术
纹理是一类复杂的自然表面，其表达的关键在于对纹理的数学建
模。目前，人工生成纹理主要为基于FBM模型产生的纹理，FBM模
型假设纹理具有理想的自相似性，其增量服从高斯分布，并且具有各
向同性的特点。
但是，在对实际自然纹理分析过程中，发现很多类型的纹理并不
具有FBM模型的统计特性，如岩石表面、带有气泡的海水背景等，仅
有少数如热液纹理符合FBM模型。问题的根源在于FBM模型中假设：
纹理的增量服从高斯分布，这使得其对纹理的描述局限在一定的范围
内，不能对更广泛的纹理进行描述。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种动态纹理生成方法，能够
生成丰富的动态纹理。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种动态纹理生成方法，该方法包括如下步骤：
S1.定义生成纹理图像的大小x*y及图像数n；
S2.随机生成若干个服从alpha稳定分布Sα(σ,β,μ)的平稳增量X，
其中α为特征因子、σ为尺度参数、β为偏斜因子、μ为中心位置偏移
参数；
S3.从随机生成的平稳增量X中选取x*y个变量写入预先设置的2
维矩阵中，利用随机中点置换法对该矩阵进行处理，得到大小为x*y
的各向同性纹理图像；
S4.重复步骤S2-S3，直到生成n帧各向同性纹理图像；
S5.将步骤S4得到的n帧图像写入视频文件，生成各向同性动态纹
理。
其中，所述利用随机中点置换法对该矩阵进行处理，得到大小为
x*y的各向同性纹理图像为：
取矩阵中四个端点像素值的平均值再加上预先设置的随机位移量
作为中心点像素值，对矩阵中的所有点按上述方式进行处理，即得到
大小为x*y的各向同性纹理图像，其中预先设置的随机位移量服从
alpha稳定分布。
其中，在步骤S4之后包括对n帧图像做归一化处理，使其像素值
为[0,255]。
其中，在步骤S5之前包括对n帧图像做相关性处理。
进一步，该方法还包括:
S6.将步骤S4生成的每帧各向同性纹理图像输入结构滤波器，得到
n帧各向异性纹理图像；
S7.将步骤S6得到的n帧图像写入视频文件，生成各向异性动态纹
理。
其中，所述步骤S6包括：
设结构滤波器的系统函数为：
Hφ(ωx,ωy)＝(1+α-2αcos2(ωθ-θ0))-1，
其中θ0为方向角参数，α为强度参数；
利用2维FFT变换将步骤S4生成的n帧各向同性纹理图像依次变
换到频域，并记为SI(ωx,ωy)；
将每帧各向同性纹理图像输入到结构滤波器，得到各向异性纹理
图像SA(ωx,ωy)，其中SA(ωx,ωy)＝SI(ωx,ωy)Hφ(ωx,ωy)；
将SA(ωx,ωy)通过2维的IFFT变换，得到时域的各向异性纹理图像。
其中，在步骤S6之后包括对n帧图像做归一化处理，使其像素值
为[0,255]。
其中，在步骤S7之前包括对n帧图像做相关性处理。
本发明至少具有如下的有益效果：
本发明提供的动态纹理生成方法，能够生成更为丰富和细腻的自
然纹理，诸如岩石表面或带有气泡的海水背景等各向同性或各向异性
的自然纹理，对于传统的基于FBM模型不能生成的纹理，本发明提供
了一种新的方式进行复杂纹理的生成，满足了人们的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面
将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而
易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通
技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。
图1是本发明实施例中动态纹理生成方法的流程图；
图2是本发明实施例所述动态纹理生成方法生成的各向同性纹理
示意图；
图3是本发明实施例所述动态纹理生成方法生成的各向异性纹理
示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结
合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、
完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有
作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护
的范围。
本发明实施例提出了一种动态纹理生成方法，参见图1，包括以下
步骤：
步骤101：定义生成纹理图像的大小x*y及图像数n。
在本步骤中，定义生成纹理图像的大小x*y及图像数n，例如定义
生成的纹理图像大小为128*128，一共129帧。
步骤102：随机生成若干个服从alpha稳定分布Sα(σ,β,μ)的平稳增
量X。
一般地，alpha稳定分布的概率密度函数除少数特例外，不存在闭
式表达，一般用特征函数来描述其分布特性。随机变量X服从alpha稳
定分布，则其特征函数形式为：
EexpiθX = exp { - σ α | θ | α ( 1 - iβ ( signθ ) tan πα 2 ) + iμθ } , α ≠ 1 exp { - σ | θ | ( 1 + iβ π 2 ( signθ ) ln | θ | ) + iμθ } , α ≠ 1 ]]>
其中，signθ是符号函数，0＜α≤2，σ≥0，-1≤β≤1以及实数μ。
符合此特征函数表达的四个参数，称之为alpha稳定分布的标准参数
系。其中，四个参数分别是：特征因子α、尺度参数σ、偏斜因子β、
中心位置偏移参数μ，alpha稳定分布简记为Sα(σ,β,μ)。
在本步骤中，随机生成若干个服从alpha稳定分布Sα(σ,β,μ)的平稳
增量X。这里以均值（尺度参数）为0，离散程度（中心位置偏移参数）
为1的alpha稳定分布为例，其还具有两个参数，分别是特征因子α，
偏斜因子β，记为Sα(1,β,0)，具体生成方式如下：
令γ是(-π/2,π/2)上的均匀分布的随机变量，W是一个均值为1的
指数分布随机变量，并且γ和W相互独立，当α≠1时，服从alpha稳定
分布Sα(0,β,1)的平稳增量X可描述为：
X = sin α ( γ - γ 0 ) ( cos γ ) 1 / α ( cos ( γ - α ( γ - γ 0 ) ) W ) ( 1 - α ) / α ]]>
X服从Sα(1,β,0)分布，其中K(α)为符号函数，
当α＞1时，K(α)＝α；当α＜1时，K(α)＝α-2。
当α＝1时，服从alpha稳定分布Sα(0,β,1)的平稳增量X可描述为：
X = ( π 2 + βγ ) tan γ - β log ( W cos γ π 2 + βγ ) . ]]>
在本实施例中，取alpha稳定分布的参数为α＝1.7，β＝0，因此生
成服从alpha稳定分布S1.7(1,0,0)的平稳增量，由于当α≠1时，
X = sin α ( γ - γ 0 ) ( cos γ ) 1 / α ( cos ( γ - α ( γ - γ 0 ) ) W ) ( 1 - α ) / α ]]>
其中K(α)为符号函数，当α＞1时，K(α)＝α，
按照上述X的表达式计算出若干个平稳增量，这里计算出的平稳增量
个数要大于x*y。
步骤103：从随机生成的平稳增量X中选取x*y个变量写入预先
设置的2维矩阵中，利用随机中点置换法对该矩阵进行处理，得到大
小为x*y的各向同性纹理图像。
在本步骤中，从随机生成的平稳增量X中选取x*y个变量写入预
先设置的2维矩阵中，然后取矩阵中四个端点像素值的平均值再加上
预先设置的随机位移量作为中心点像素值，对矩阵中的所有点按上述
方式进行处理，即得到大小为x*y的各向同性纹理图像，其中预先设
置的随机位移量服从alpha稳定分布。最后对生成的纹理数据进行尺度
变化，将所有像素值变化到[0,255]。
步骤104：判断是否需要生成各向异性纹理，若需要，执行步骤
105，否则执行步骤106。
步骤105：将各向同性纹理图像通过结构滤波器生成各向异性纹理
图像。
在本步骤中，所述结构滤波器为表征各向异性的结构滤波器，完
全刻画了纹理的各向异性特征，从各向同性纹理映射到各向异性纹理，
可等价于将各向同性纹理通过一个满足特定结构函数的结构滤波器。
各向异性纹理FA(x,y)可视为各向同性纹理FI(x,y)通过滤波器h(u,v)得
到，即：
FA(x,y)＝∫FI(x-u,y-v)h(u,v)d(u,v)；
相应的频谱表示为：
SA(ωx,ωy)＝SI(ωx,ωy)Hφ(ωx,ωy)，
其中，Hφ(ωx,ωy)为滤波器的频域表示，结构滤波器具体形式为：
Hφ(ωx,ωy)＝(1+α-2αcos2(ωθ-θ0))-1，其中，参数α∈[0,1]为
各向异性纹理的强度，参数θ0∈[0,π]为各向异性纹理的方向。
结构滤波器并不改变纹理的自相关性，只是改变其方向分布特性，
本实施例中设定结构滤波器的方向角参数强度参数α＝0.7。
首先利用2维FFT变换将已得到的各向同性纹理图像变换到频域，
并记为SI(ωx,ωy)。各向异性纹理可视为各向性纹理通过结构滤波器的响
应，将每帧各向同性纹理图像输入到结构滤波器，得到各向异性纹理
图像SA(ωx,ωy)，其中SA(ωx,ωy)＝SI(ωx,ωy)Hφ(ωx,ωy)；
将SA(ωx,ωy)通过2维的IFFT变换，得到时域的各向异性纹理图像；
最后，对生成的纹理数据进行尺度变化，将所有像素值变化到
[0,255]。
步骤106：判断生成的纹理图像的个数是否等于n，若等于，执行
步骤107，否则执行步骤102。
步骤107：对n帧纹理图像做相关性处理。
在本步骤中，为了使生成的纹理更具连贯性，需要增加图像序列
相互之间的相关性，具体操作为对相邻的若干帧图像求和取平均后作
为一帧图像（例如对相邻的5帧图像求和取平均），按照此方式对所有
图像依次增加相关性。
步骤108：将n帧纹理图像写入视频文件，生成动态纹理。
在本步骤中，将相关性处理后的图像写入视频文件，生成动态纹
理。
本发明实施例提供的动态纹理生成方法，能够生成更为丰富和细
腻的自然纹理，诸如岩石表面或带有气泡的海水背景等各向同性或各
向异性的自然纹理，对于传统的基于FBM模型不能生成的纹理，本发
明提供了一种新的方式进行复杂纹理的生成，满足了人们的需要。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员
应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，
或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使
相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。