OBJ模型文件的结构、导入与渲染Ⅰ

在[3DS文件结构的初步认识]中提及了3DS格式模型文件。固然3DS格式很常用，但OBJ格式的模型也是很常见的，于是咔嚓了一下心，熟悉了一下格式，并写了一个导入OBJ格式模型的类，顺便有此文。——ZwqXin.com

先总体说一下两种格式的不同处。比起二进制文件为主、连每个块的用途也得试探来试探去的3DS，文本文件为主的OBJ对我们更友好。与3DS文件的树状[块结构]不同，OBJ文件只是很单纯的字典状结构，没有块ID来表征名字而是简单地用易懂的表意字符来表示。总之看上去是赏心悦目的样子，而苦处也就只有实际写导入代码的时候才知道了-
-。OBJ文件优化了存储但劣化了读写，接下来慢解^^……





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1.  OBJ，从格式到读入

背景介绍一下吧，它的创始公司是Wavefront Technologies，最早的母体软件是Advanced Visualizer（8认识~），目前版本好像3.0，不含动画。由于有良好的移植性能，3dsMax、Maya一连串建模软件都可以随便导入和导出（印象记得自己唯一系统学过的建模软件ProE也有类似的选项？不过不太确定了）。反正通用性好网上提供的直接资源多，招人欢喜，不像.max那种深闺女，不像.x那种自宠儿……（我没有别的意思.obj您别误会。）换句话说，只要写好一个导入obj文件的工具类，就不用像之前那样到3dsMax里转成3ds再导入OpenGL了。

作为一种文本文件，什么文本查看器都能看，不像3DS那种乱麻麻的乱码。格式说明网上也有很详细的，这里随便找一篇写得挺好的：【ZT】3D中的OBJ文件格式详解（擦~这链接里的转帖不附原文链接实在是卑鄙无耻的行为！）。

#...（#是注释符）
mtllib pCube.mtl
g default
v -0.500000 -0.500000 0.500000
v 0.500000 -0.500000 0.500000
v 0.500000 -0.500000 -0.500000
....
vt 0.000000 0.000000
vt -1.000000 1.000000
.....
vn 0.000000 0.000000 1.000000
vn 0.000000 0.000000 -1.000000
.....
 
g pCube1
s off
usemtl initialShadingGroup
f 1/1/1 2/2/2 4/4/3
f 3/3/5 4/4/6 6/6/7
f 5/5/9 6/6/10 8/8/11 7/7/12
f 7/7/13 8/8/14 1/9/16
 
g pCube2
usemtl DefferShadingGroup
.....

整个OBJ文件可以分成三个部分：第一部分是文件前半部的“顶点数据”部分——指定了模型所用到的全部顶点(v)、顶点纹理坐标(vt)、顶点法线(vn)。（括号里是数据的行头标识）其中顶点（位置）数据是必须的，纹理坐标只在对应的物件处有纹理时才必须，法线也是非必须的但是要注意的，也许你还记得在[一个读取3DS文件的类CLoad3DS浅析Ⅰ/一个读取3DS文件的类CLoad3DS浅析Ⅱ]两篇文章中提及3DS是不包含法线信息需要我们自己去计算，这就是OBJ文件相对3DS第一个大特点——

a.可能包含顶点法线信息而不需自行计算。

当然了如果文件中没有法线信息那还是同样要计算的，不然在OpenGL里渲染起来会悲剧，至于这项数据存在的理由你自己列举吧，但是起码是不再需要相邻面法线取平均这种粗糙的手段，嘛不过储存量大了些；文件的第二部分是后半部的"面数据"，与3DS类似的是每个面(f)利用索引指示的顶点属性来表示，但是——
b.索引指向整个数据区，且连同纹理坐标和法线，一个顶点的属性可能需要3个索引。
c.一个面至少要3组顶点属性，但3组以上组成一个面（多边形而非三角形）也是可能的。

前者引入导入时的一堆麻烦事，后面讲解。后者表示如果我们要用3D渲染系统渲染（目前主流是三角面片化，连四角面片也要慢慢不太溶于显卡了），就要在导入时切割面片人为三角面化。其实除了面还可能有点线曲线曲面之类的，此时只能无视之。另外这里还有几个标识符，组(g)标识一个独立物件(也就是3DS文件里的Object概念)，每个组有其自己的材质(usemtl指定)，如果几个组想共用一种材质的话，只需要改改顺序好了，因为usemtl也类似状态机会一直作用于后面的组直到下一句usemtl。标识s绝对可以选择性无视因为随便找个OBJ文件看上去就知道是个光滑组的概念了，我们没必要理会；第三部分是上面没显示的，它不属于obj后缀的文件但是OBJ文件的一部分——mtl材质库文件。在前面指定材质usemtl后也就简单的一个名字，它代表的东西可以在obj文件附带的mtl文件中找到。这个mtl文件在obj文件中mtllib指定，上面一段，就是pCube.mtl了，注意要在使用材质前指定。相对来说，mtl文件的格式更加复杂：

 
newmtl InitialShadingGroup
illum 4
Kd 0.50 0.50 0.00
Ka 0.10 0.10 0.10
Tf 1.00 1.00 1.00
map_Kd -s 1 1 1 -o 0 0 0 -mm 0 1 desertHouse_details_color.tga
bump  -bm desertHouse_details_normal.tga
Ni 1.00
Ks 0.00 0.00 0.00
map_Ks desertHouse_details_specular.tga
Ns 18.00
 
newmtl DefferShadingGroup
....

通常mtl文件和纹理文件要和联系的obj文件放在一起。看上面，这里newmtl指定新材质的名称，以供obj文件中对应查询，后面一列会是材质属性，全部属性实在太多了，详情请看这篇文章，很详细：Alias/WaveFront Material (.mtl) File Format。这里挑几个重点的，也是我后面的导入程序主要关心的部分：环境光反射材质（Ka）、漫反射光材质（Kd）、镜面反射材质（Ks）、镜面反射的Exponent（Ns，即常说的Shinness），OpenGL同学们记得吗，以上可以用glMaterialf(v)可指定，只是其中Ns要做个转换从[0,1000]到OpenGL一般光照模型的[0,128]。d/Tr是指透明度（alpha通道），map_Kd是我们最关心的纹理，map_Ks是镜面纹理（SpecularMap）、bump是法线纹理（Bump Map/Normal Map，见【shader复习与深入：Normal Map(法线贴图)Ⅰ/shader复习与深入：Normal Map(法线贴图)Ⅱ】）。（另外提一下资料中提及的map_Ka是环境光纹理，map_Ns是Shinness纹理，map_d是透度纹理，decal是贴花纹理，disp不清楚[说是指示表面粗糙度]，这些都相对在3d程序中少用，如果实在需要再重载我的导入类好了。）

d.Obj模型中各对象都可能包含多种纹理贴图类型

好了，格式解释好，就要开始解析（parsing）了。

首先是要定下导入数据的数据结构。以CLoad3DS类[一个读取3DS文件的类CLoad3DS浅析Ⅰ]中3DS的数据格式为基础，在实际导入代码编写过程中增减数据成员，是比较稳妥的。按照模型对象数据（obj文件）+ 材质数据（mtl）的分法，将模型确定为：

//模型信息结构体
typedef struct tag3DModel 
    {
        bool  bIsTextured;                        //是否使用纹理
        std::vector<tMaterialInfo> tMatInfoVec;   // 材质信息
        std::vector<t3DObject>     t3DObjVec;     // 模型中对象信息
    }t3DModel;

其中材质数据体直接按照所需的材质属性据在mtl材质库中找到对应项，并以名称为标识。绝大多数情况下obj文件里要引用所有的材质（当然是不一定但是为了导入方便就这么假定好了），我的策略是当读obj文件读到mtllib标识的时候就马上打开对应的mtl文件把所有材质读入里面tMatInfoVec，再返回obj文件。当后面读到usemtl的时候再按名称查找tMatInfoVec。遇到纹理文件的时候，直接生成纹理ID并保存，另外每种纹理会有一个对应的nTexObjX*数据变量指示该纹理在使用过程中所在的纹理对象（毕竟同一材质的这些纹理基本是要多重贴图[MultiTexture]的），在读入的时候只给DiffuseTex默认GL_TEXTURE0，其他置0，这些值一般是需要的时候再由应用层去设置的，我们的导入类单纯生成所有纹理但只会在渲染的时候使用DiffuseTex（我对是否该在应用层指定的时候才生成其他对应的纹理，留个问号，毕竟实际场合下如果材质中有，我们多半是要用的，而延后生成纹理就很被动了。空间与效率的争夺啊。）：

// 材质信息结构体
typedef struct tagMaterialInfo
{
    char      strName[MAX_NAME];   // 纹理名称
    GLfloat   crAmbient[4];
    GLfloat   crDiffuse[4];
    GLfloat   crSpecular[4];
    GLfloat   fShiness;
    GLuint    nDiffuseMap;
    GLuint    nSpecularMap;
    GLuint    nBumpMap;
    GLuint    TexObjDiffuseMap;
    GLuint    TexObjSpecularMap;
    GLuint    TexObjBumpMap;
}tMaterialInfo;

然后就是对象数据了——或者我应该在下篇中再详细结合导入过程讲，先给出数据结构一览：

// 对象信息结构体
typedef struct tag3DObject 
{
    int                         nMaterialID;       // 纹理ID
    bool                        bHasTexture;       // 是否具有纹理映射
    bool                        bHasNormal;        // 是否具有法线
    std::vector<Vector3>        PosVerts;          // 对象的顶点
    std::vector<Vector3>        Normals;           // 对象的法向量
    std::vector<TexCoord>       Texcoords;         // 纹理UV坐标
    std::vector<unsigned short> Indexes;           // 对象的顶点索引
    unsigned int                nNumIndexes;       // 索引数目
    GLuint                      nPosVBO;
    GLuint                      nNormVBO;
    GLuint                      nTexcoordVBO;
    GLuint                      nIndexVBO;
}t3DObject;

纹理ID是用来指涉tMatInfoVec的，对象名字就免去了，减少储存。值得注意的是，我这里没有使用任何跟“面”有关的数据，但是导入过程是读“面”无误，这里头有个转化关系。不然什么是”OBJ文件优化了存储但劣化了读写“呢？——很明显我要动用VBO（顶点缓存对象，见【学一学，VBO】），而且还是Indexed VBO！