OpenGL学习:模型加载-obj模型和AssImp模型

前面介绍了光照基础内容，以及材质和lighting maps，和光源类型，我们对使用光照增强场景真实感有了一定了解。但是到目前为止，我们通过在程序中指定的立方体数据，绘制立方体，看起来还是很乏味。本节开始介绍模型加载，通过加载丰富的模型，能够丰富我们的场景，变得好玩。本节的示例代码均可以在我的github下载。

加载模型可以使用比较好的库，例如obj模型加载的库，Assimp加载库。本节作为入门篇，我们一开始不使用这些库加载很酷的模型，而是熟悉下模型以及模型加载的概念，然后我们封装一个简单的obj模型加载类，加载一个简单的立方体模型。 之后我们会使用Assimp库会加载一个酷炫的3d模型，但是首先还是注重多感受下模型加载的基础

通过本节可以了解到

• Mesh的概念
• Obj模型数据格式
• Obj模型简单的加载类和加载实验
• AssImp模型加载实验
  

模型的表达

在3d图形处理中，一个模型(model)通常由一个或者多个Mesh（网格）组成，一个Mesh是可绘制的独立实体。例如复杂的人物模型，可以分别划分为头部，四肢，服饰，武器等各个部分来建模，这些Mesh组合在一起最终形成人物模型。

Mesh由顶点、边、面Faces组成的，它包含绘制所需的数据，例如顶点位置、纹理坐标、法向量，材质属性等内容，它是OpenGL用来绘制的最小实体。Mesh的概念示意如下图所示(来自:What is a mesh in OpenGL?)：

Mesh可以包含多个Face，一个Face是Mesh中一个可绘制的基本图元，例如三角形，多边形，点。要想模型更加逼真，一般需要增加更多图元使Mesh更加精细，当然这也会受到硬件处理能力的限制，例如PC游戏的处理能力要强于移动设备。由于多边形都可以划分为三角形，而三角形是图形处理器中都支持的基本图元，因此使用得较多的就是三角形网格来建模。例如下面的图(来自:What is a mesh in OpenGL?)表达了使用越来越复杂的Mesh建模一只兔子的过程：

随着增加三角形个数，兔子模型变得越来越真实。

目前模型存储的格式很丰富，比较常用的，例如Wavefront .obj file，COLLADA等，要了解各个格式的特点，可以参考wiki 3D graphics file formats。在众多的格式中以obj格式比较通用，它内部是以文本形式表达的，接下来我们通过熟悉下obj格式，了解模型是如何定义的，以及如何加载到OpenGL中来渲染模型。

Obj模型数据格式

obj模型内部以文本存储，例如从Model loading处获取的一个立方体模型cube.obj的数据如下：

# Blender3D v249 OBJ File: untitled.blend
# www.blender3d.org
mtllib cube.mtl
v 1.000000 -1.000000 -1.000000
v 1.000000 -1.000000 1.000000
v -1.000000 -1.000000 1.000000
...
vt 0.748573 0.750412
vt 0.749279 0.501284
vt 0.999110 0.501077
...
vn 0.000000 0.000000 -1.000000
vn -1.000000 -0.000000 -0.000000
vn -0.000000 -0.000000 1.000000
...
usemtl Material_ray.png
s off
f 5/1/1 1/2/1 4/3/1
f 5/1/1 4/3/1 8/4/1
f 3/5/2 7/6/2 8/7/2
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对这个文本格式做一个简要说明：

• usemtl和mtllib表示的材质相关数据，解析材质数据稍微繁琐，本节我们只是为了说明加载模型的原理，不做讨论。
• o 引入一个新的object
• v 表示顶点位置
• vt 表示顶点纹理坐标
• vn 表示顶点法向量
• f 表示一个面，面使用1/2/8这样格式，表示顶点位置/纹理坐标/法向量的索引，这里索引的是前面用v,vt,vn定义的数据 注意这里Obj的索引是从1开始的，而不是0

模型一般通过3d建模软件，例如Blender, 3DS Max 或者 Maya等工具建模，导出时的数据格式变化较大，：将一种模型数据文件表示的模型，转换为OpenGL可以利用的数据。例如上面的Obj文件中，我们需要解析顶点位置，纹理坐标等数据，构成OpenGL可以渲染的Mesh对象。

从Obj到OpenGL可以理解的Mesh

上面说明了Obj的数据格式，那么在OpenGL中我们怎么表达Mesh呢？首先定义顶点属性数据如下所示：

 // 表示一个顶点属性
struct Vertex
{glm::vec3 position;  // 顶点位置glm::vec2 texCoords; // 纹理坐标glm::vec3 normal;  // 法向量
};
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Mesh中包含顶点属性，纹理对象等信息，本节我们定义Mesh数据结构如下所示：

// 表示一个OpenGL渲染的最小实体
class Mesh
{
public:void draw(Shader& shader) // 绘制MeshMesh(const std::vector<Vertex>& vertData, GLint textureId) // 构造一个Mesh
private:std::vector<Vertex> vertData;// 顶点数据GLuint VAOId, VBOId; // 缓存对象GLint textureId; // 纹理对象idvoid setupMesh();  // 建立VAO,VBO等缓冲区
};
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载入obj模型的过程，就是读取obj文件，并转换为上面Mesh对象的过程。这个过程的思路大致是这样的，读取文件的每一行，根据行首部的指示，确定数据类型，然后加载到mesh的vertData里面去，这个框架是这样：

std::ifstream file(objFilePath);
while (getline(file, line))
{if (line.substr(0, 2) == "vt") // 顶点纹理坐标数据{// 解析顶点纹理数据}else if (line.substr(0, 2) == "vn") // 顶点法向量数据{// 解析法向量数据}else if (line.substr(0, 1) == "v") // 顶点位置数据{// 解析顶点位置数据}else if (line.substr(0, 1) == "f") // 面数据{// 解析面数据}else if (line[0] == '#') // 注释忽略{ }else  {// 其余内容 暂时不处理}
}
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上面提供了一个读取obj文件格式的框架，例如解析纹理坐标数据如下：

if (line.substr(0, 2) == "vt") // 顶点纹理坐标数据
{std::istringstream s(line.substr(2));glm::vec2 v;s >> v.x; s >> v.y;v.y = -v.y;  // 注意这里加载的dds纹理 要对y进行反转temp_textCoords.push_back(v);
}
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其余的也类似处理。读取到数据后，在Mesh对象里面需要向前面绘制物体时一样建立缓冲数据，如下：

void setupMesh()  // 建立VAO,VBO等缓冲区
{glGenVertexArrays(1, &this->VAOId);glGenBuffers(1, &this->VBOId);glBindVertexArray(this->VAOId);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this->VBOId);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(Vertex)* this->vertData.size(),&this->vertData[0], GL_STATIC_DRAW);// 顶点位置属性glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,sizeof(Vertex), (GLvoid*)0);glEnableVertexAttribArray(0);// 顶点纹理坐标glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE,sizeof(Vertex), (GLvoid*)(3 * sizeof(GL_FLOAT)));glEnableVertexAttribArray(1);// 顶点法向量属性glVertexAttribPointer(2, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE,sizeof(Vertex), (GLvoid*)(5 * sizeof(GL_FLOAT)));glEnableVertexAttribArray(2);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);glBindVertexArray(0);
}
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建立缓冲区的同时，本节我们使用的立方体模型cube.dds纹理如下图所示： 

这与以前使用的png纹理不一样，这里我用C++重新改编了Model loading处的加载dds纹理的函数，加载纹理不是本节的重点，具体可以查看github代码。加载纹理后，可以渲染这个obj表达的立方体模型，整个过程如下：

//Section1 从obj文件加载数据
std::vector<Vertex> vertData;
ObjLoader::loadFromFile("cube.obj", vertData)// Section2 准备纹理
GLint textureId = TextureHelper::loadDDS("cube.dds");// Section3 建立Mesh对象
Mesh mesh(vertData, textureId);// Section4 准备着色器程序
Shader shader("cube.vertex", "cube.frag");// 在游戏主循环中渲染立方体
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这里我们可以看到，与以往在程序中通过数值指定立方体模型相比，我们的代码更简洁，后面介绍使用Assimp加载库后，可以加载更多丰富的模型，当然要比这个立方体好看。但是本节还是看一下最终立方体的效果吧，如下： 

说明

在使用dds纹理的时候，要注意纹理的y轴相对于OpenGL是进行反转的，因此需要使用( coord.u, 1.0-coord.v) 来访问，这可以在加载obj时做，也可以在着色器里面做。没有使用反转的v坐标将导致，无法正常渲染，这也是困住我的一个地方。后来使用数据比对格式发现了这个错误，如下图，左边是反转了的数据，右边是未反转的数据：

在使用blender软件导出模型时，即使勾选了includ UVs，输出时仍然没有纹理坐标，这是因为除了勾选这些选项外，还需要一个uv map操作，关于这一点也是容易产生错误的，详细可以参考Add UV Mapped texture coordinates to OBJ file?。uv mappring这个操作的过程比较繁琐，就不再这里介绍了，感兴趣地可以参考UV Mapping a Mesh

最后本节的加载obj程序只是一个示例，并没有解析材质mtl部分。当没有使用纹理数据绘制经典的Suzanne 模型如下图所示： 

这里缺少了纹理和光照，所以模型看起来不真实，下面节介绍使用Assimp加载库时将会改善这一点。

下载和安装AssImp

AssImp是一个模型加载库，它将不同格式的模型数据转换为统一的抽象的数据类型，因而支持较多的模型文件格式。下载和编译这个库的过程，你可以参考官方文档。在linux下可以直接apt-get安装： apt-get install libassimp-dev。

OpenGL需要的数据结构

加载模型的任务就是将抽象的模型数据转换为OpenGL可以处理的VBO,EBO,纹理数据。在程序内部我们定义了Mesh，Model结构来作为内部格式。Mesh表达是绘制的最小实体，它包含顶点属性数据、材质数据；Model则是包含1个或者多个Mesh的模型。定义Mesh结构如下：

// 表示一个顶点属性
struct Vertex
{glm::vec3 position;glm::vec2 texCoords;glm::vec3 normal;
};
// 表示一个Texture
struct Texture
{GLuint id;aiTextureType type;std::string path;
};
// 表示一个用于渲染的最小实体
class Mesh
{
public:void draw(const Shader& shader) const;// 绘制MeshMesh():VAOId(0), VBOId(0), EBOId(0){}Mesh(const std::vector<Vertex>& vertData, const std::vector<Texture> & textures,const std::vector<GLuint>& indices); // 构造一个Meshvoid final() const; // 释放VBO等空间
private:std::vector<Vertex> vertData;  // 顶点属性数据std::vector<GLuint> indices;    // 索引数据 std::vector<Texture> textures;  // 纹理数据GLuint VAOId, VBOId, EBOId;void setupMesh();  // 建立VAO,VBO等缓冲区
};
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为了简化程序，这里我们只处理了材质中的纹理数据。Model则是一个包含多个Mesh的类，定义如下：

// 代表一个模型 模型可以包含一个或多个Mesh
class Model
{
public:void draw(const Shader& shader) const{for (mesh in meshes){mesh->draw(shader);}}bool loadModel(const std::string& filePath);~Model(){for (mesh in meshes){mesh->final();}}
private:bool processNode(const aiNode* node, const aiScene* sceneObjPtr); bool processMesh(const aiMesh* meshPtr, const aiScene* sceneObjPtr, Mesh& meshObj);bool processMaterial(const aiMaterial* matPtr, const aiScene* sceneObjPtr, Material& material);
private:std::vector<Mesh> meshes; // 保存Meshstd::string modelFileDir; // 保存模型文件的文件夹路径typedef std::map<std::string, Texture> LoadedTextMapType; // key = texture file pathLoadedTextMapType loadedTextureMap; // 保存已经加载的纹理
};
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需要注意的是模型文件所在文件路径我们通过modelFileDir保存起来，因为模型中纹理数据可能使用相对路径来表示纹理，通过modelFileDir加上这个相对路径才能找到纹理图片的正确路径。

AssImp加载模型

加载模型时首先创建 Assimp::Importer的示例，然后通过它的l Assimp::Importer::ReadFile()方法加载模型，如下所示：

#include <assimp/Importer.hpp>
#include <assimp/scene.h>
#include <assimp/postprocess.h>Assimp::Importer importer;
const aiScene* sceneObjPtr = importer.ReadFile(filePath, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);
if (!sceneObjPtr|| sceneObjPtr->mFlags == AI_SCENE_FLAGS_INCOMPLETE|| !sceneObjPtr->mRootNode)
{std::cerr << "Error:Model::loadModel, description: " << importer.GetErrorString() << std::endl;return false;
}
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ReadFile函数中第二个参数就是后处理选项，它是一个枚举类型aiPostProcessSteps，可以使用位或操作包含多个选项，例如选项aiProcess_MakeLeftHanded表示将默认的右手系坐标数据转换为左手系坐标数据，aiProcess_Triangulate选项将索引数据多余3个的多边形划分为多个三角形，方便我们使用三角形进行绘制。完整的后处理选项列表，可以参考官方文档。

通过上面的加载我们获取到了模型的根结构数据aiScene，接下来的工作就是:从aiScene获取OpenGL所需要的VBO,EBO,纹理数据。

AssImp中数据通过aiNode组织父子结点，包含了层次信息，我们可以忽略这些信息，直接读取所有我们需要的VBO,EBO，纹理数据，但是这种父子结构信息在后面制作骨骼动画时会再次用到，因此这里还是按照层次的方式来解析aiScene数据。

所谓结点就是包含一个多个Mesh的部位，例如一个人物角色，可能包含头部，颈部，手臂，胸部等多个结点，每个结点也可以包含更多的细化结点。解析aiScene这种父子结点的层次数据，直观的方法就是使用递归，递归就是一个函数直接调用自己，一层一层调用下去，当遇到一个合适条件时终止调用，函数一层层返回。从aiScene解析模型数据获取OpenGL所需数据的框架大概是这样的:

bool loadModel(const std::string& filePath)
{// 加载模型 得到aiScene
const aiScene* sceneObjPtr = importer.ReadFile(filePath, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);// 递归处理结点return this->processNode(sceneObjPtr->mRootNode, sceneObjPtr);
}
bool processNode(const aiNode* node, const aiScene* sceneObjPtr)
{for (size_t i = 0; i < node->mNumMeshes; ++i) // 先处理自身结点{// 注意node中的mesh是对sceneObject中mesh的索引const aiMesh* meshPtr = sceneObjPtr->mMeshes[node->mMeshes[i]]; this->processMesh(meshPtr, sceneObjPtr, meshObj); // 处理Mesh}for (size_t i = 0; i < node->mNumChildren; ++i) // 再处理孩子结点{this->processNode(node->mChildren[i], sceneObjPtr);}return true;
}
bool processMesh(const aiMesh* meshPtr, const aiScene* sceneObjPtr, Mesh& meshObj)
{// 从Mesh得到顶点数据、法向量、纹理数据for (size_t i = 0; i < meshPtr->mNumVertices; ++i){...}// 获取索引数据for (size_t i = 0; i < meshPtr->mNumFaces; ++i){...}// 获取纹理数据if (meshPtr->mMaterialIndex >= 0){this->processMaterial(materialPtr, sceneObjPtr, aiTextureType_DIFFUSE, diffuseTexture);this->processMaterial(materialPtr, sceneObjPtr, aiTextureType_SPECULAR, specularTexture);}return true;
}
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上面的框架给出了从aiScene获取数据，建立内部格式Model和Mesh的思路，具体实现细节可以参考程序源码。

加载纳米战斗服模型

到这里，我们可以来欣赏酷炫的模型了，首先加载一个从learnopengl获取的纳米战斗服模型nanosuit，效果如下图左所示： 

这里没有使用光照，上图右是实现了一个点光源的效果. 可以从机器人胸部的高光部分看到，实现光照时的区别。

加载模型需要注意的地方

1.加载模型后，需要适当设置模型变换矩阵，否则模型显示在奇怪的位置。这个模型变换矩阵，目前还没找到合适的方法从模型数据中获取。 
2.下载的模型，有些路径是不正确的，本文统一采用绝对路径方式。路径不正确或者文件缺失时的错误提示 
3.部分纹理图片的格式，模型的格式目前并未处理，不支持加载。

还需要改进的地方

上面加载的模型，已经让人很兴奋了，但是还不够真实，高效。在实验过程中，思考还需要通过以下方面进行改进：

1.我们这里的材质只处理了纹理部分，实际上模型中如果没有通过纹理定义材质，还需要获取ambient等颜色表示的材质。而且纹理可能不止一个，本文目前只处理了一个纹理(主要原因是下载的素材里面没有找不到更多的纹理坐标)。可以通过定义下面的材质结构体，并处理这个材质数据来丰富场景：

struct Material // 表示材质属性
{glm::vec3 ambient;glm::vec3 diffuse;glm::vec3 specular;float shininess;std::vector<Texture> textures;
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2.模型中要通过光源和相机加以改善。目前在模型中通过以下方式：

if (sceneObjPtr->HasLights() 
&& !this->processLightSource(sceneObjPtr))
{
std::cerr 
<< "Error:Model::loadModel, process lights failed."<< std::endl;return false;
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获取光源数据时，大量从网络上下载的模型中并没有找到光源数据，比较可惜。

3.实际模型的材质中包含了map_Bump数据，但目前还未学习处理方法。 
4.目前通过Model加载模型时耗时非常多，效率不高，需要进一步提高模型加载和渲染的速度