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在计算机图形学中,常需要给几何模型增加丰富而真实的细节,纹理被普遍认为是最有效的手段。纹理合成可以生成任意大的所需要的纹理,解决了纹理映射中的接缝和扭曲问题。但传统的过程纹理合成(Procedural Texture Synthesis,PTS)方法每合成一种纹理都需要繁琐的参数选取过程,且对于某些纹理找不到有效的参数。基于样本的纹理合成(Texture Synthesis from Sample,TSFS)避免了这一问题,合成过程更加简便,适用范围更广,同时能用于图像修复、特殊效果生成等其他应用,因此成为计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉领域的一个研究热点。
本文主要进行基于样本的图像纹理合成(Image Texture Synthesis from Sample,ITSFS)技术的研究。首先,介绍了纹理合成的相关概念,回顾了纹理合成技术的发展,概述了TSFS的研究内容以及ITSFS的研究意义。然后对ITSFS的研究进行了全面综述,对现有方法进行了分类整理,并指出存在的问题与不足。本文研究成果主要包括：
1.提出了一种基于实时模式匹配的快速多分辨率逐点纹理合成算法：(1)提出了一种快速多分辨率合成算法,可以实时地从低分辨率图像合成出高分辨率图像；(2)设计了一种新的纹理合成算法用于合成最低分辨率图像,使得可以采用基于投影核的实时模式匹配算法对邻域搜索进行加速；(3)对最低分辨率图像采用迭代合成的方法提高合成质量。该算法取得了较高的合成质量,合成速度快,且无需任何预处理操作。
2.提出了一种基于Graph Cut的快速纹理合成算法：(1)将样本纹理每次以选定的位移放置到输出图中,由Graph Cut来决定最终的输出区域,避免了块参数的设置；(2)由于两个相同样本之间的理想匹配位置是有限的,在预处理中通过一次FFT计算得到所有理想匹配位移,组成优选位移集合,合成时的相对位移仅从此集合中选取,大大提高了算法速度；(3)通过引入边界图辅助纹理合成,提高了纹理边界的连续性；(4)改进了Graph Cut建图方法,使得能量函数在不满足“规则性”时的误切割可能性得到降低。该算法合成过程简便,预处理速度快,无需块参数设置,合成质量高,速度达到接近实时。
3.在基于Graph Cut的快速纹理合成算法的基础上,提出了一种运行时的纹理合成算法并将其用于纹理画刷——一种交互式图像编辑工具。该算法预处理速度快,能够在用户控制下实时生成出与样本相似的纹理,且无论按何种顺序,都能生成出光滑一致的纹理。
4.传统的Graph Cut方法采用的是累积距离度量,这使得由其得到的块间切割路径趋于走捷径而穿过高误差区域。针对此问题,提出了一种基于非标量距离度量的Graph Cut方法：(1)提出了一种基于此度量的最小割算法,并证明了其最优性；(2)讨论了基于非标量距离度量的Graph Cut所带来的建图问题,并给出了解决方法。改进的Graph Cut方法能够最小化切割路径上的最大误差,得到的切割路径更加平滑和曲折,隐蔽性更强,块间过渡更加平滑。
论文最后对研究工作进行了总结,并对今后的研究方向进行了展望。