扒几个 3D 模型备用
- 2021 年 2 月 23 日
- 筆記
- [04]高性能计算和3D视觉呈现, linux, OpenGL, 计算机图形学
前言
在上一篇中，我展示了 OpenGL 开发的基本过程，算是向 3D 世界迈出的一小步吧。对于简单的 3D 物体，比如立方体、球体、圆环等等，我们只需要简单的计算就可以得到他们的顶点的坐标。但是仅仅这样，还不是太过瘾，我们需要找一些复杂一点的 3D 模型，以便于我们体会 3D 世界的魅力。
在我学习 OpenGL 的过程中，我收集了不少的 3D 模型，主要是从 Free3D 下载的，都是 Obj 格式的文件，有的带纹理贴图，有的不带纹理贴图。比如，有一个小木屋的模型，带纹理贴图和法线贴图，是我学习贴图和光照的好素材。还有一个地球的模型，还有几辆汽车的模型。还有我从著名的 OpenGL 网络教程 LearnOpenGL 中下载得有一套 nanosuit 的模型。对于这些有着规范格式的 3D 模型，我觉得使用 Assimp 库加载是比较好的选择，至于 Assimp 库，以后再介绍。
另外，茶壶也是一个经典的模型，不过是以贝塞尔曲面的方式定义的。贝塞尔曲面其实不难，使用 16 个控制点可以描述一个曲面，并且可以根据我们需要的光滑程度选择不同的细分级别，关于贝塞尔曲面的内容留待以后再专讲，而且我觉得和曲面细分着色器一起学习效果更佳。那么这个茶壶模型的数据在哪里可以找到呢？FreeGlut 中有，可以在 github 中找到。除此之外，红宝书的源代码中也有一个茶壶的数据。这里不赘述。
我这里要扒的几个模型来自红宝书的源代码，它们分别是 armadillo.vbm、 bunny.vbm 和 ninja.vbm。这里，作者使用了他自创的 vbm 模型格式。作者还写了从 obj 格式到 vbm 格式转换的工具以及从 Maya 导出 vbm 格式的工具。但毕竟 vbm 格式不是标准的通用格式，我并不是很喜欢。但是为了把这三个模型显示出来看看，我还是认真研究了作者的源代码。
VBM 模型文件的具体细节
我是通过阅读红宝书源代码中的 vbm.h 和 vbm.cpp 文件来了解 vbm 模型文件的细节的。这是一个二进制的模型文件，一开始是个 VBM_HEADER 结构，在作者的设计中，该文件分为新版和旧版，旧版的头部结构为 VBM_HEADER_OLD，但是从我扒出的数据来看，根本就不需要考虑旧版。
在 VBM_HEADER 之后，是若干个 VBM_ATTRIB_HEADER 结构，该结构用来说明每个顶点包含哪些属性，每个属性又包含哪些分量。从我扒出的数据来看，以上三个模型，都是包含三个属性的，分别是顶点坐标，包含 4 个 GLfloat 分量，顶点法向量，包含 3 个 GLfloat 分量，纹理贴图坐标，包含两个 GLfloat 分量。这和我上一篇中对顶点格式的设计简直一模一样。
在 VBM_ATTRIB_HEADER 之后，是若干个 VBM_FRAME_HEADER，看来该作者设计该格式是可以支持动画的。不过以我扒出的数据来看，以上三个模型文件都只包含一帧。
在 VBM_FRAME_HEADER 之后就是顶点数据。从头文件中可以得到顶点的个数，以及每个顶点包含哪些属性，以及每个属性包含几个分量，就很容易算出顶点数据的长度。
顶点数据之后，就是索引数据。我读源代码，同时还发现顶点数据之后是材质信息。这两组数据是有点混淆的。好在，以我扒出的数据来看，以上三个模型文件既没有使用索引，也没有包含任何材质，那倒是让我省事了不少。
编写我自己的 VbmObject 类
参考我之前写的 Mesh 类，就很容易写一个能在我的 App 框架中非常容易使用的 VbmObject 类。在 VbmObject 类中，写一个 loadFromVBM() 方法，以从文件中加载顶点数据，同时获取顶点个数的信息。然后写一个 setup() 方法，用来创建相应的 VAO 和 VBO，并向缓存中存入数据，并启用顶点属性。这里需要特别注意的是，该模型文件中的数据，是每一个属性集中存放的，所以调用 glVertexAttribPointer() 方法时要特别注意。最后，写一个 render() 方法进行渲染，render() 方法很简单，就是调用 glDrawArrays()，当然，调用该方法之前需要绑定 VAO。
vbm.hpp 的完整代码如下：
#ifndef __VBM_H__
#define __VBM_H__
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <vector>
#include <string>
#include <string.h>
#include <GL/glew.h>
#include <iostream>
typedef struct VBM_HEADER_t
{
unsigned int magic;
unsigned int size;
char name[64];
unsigned int num_attribs;
unsigned int num_frames;
unsigned int num_vertices;
unsigned int num_indices;
unsigned int index_type;
unsigned int num_materials;
unsigned int flags;
} VBM_HEADER;
typedef struct VBM_ATTRIB_HEADER_t
{
char name[64];
unsigned int type;
unsigned int components;
unsigned int flags;
} VBM_ATTRIB_HEADER;
typedef struct VBM_FRAME_HEADER_t
{
unsigned int first;
unsigned int count;
unsigned int flags;
} VBM_FRAME_HEADER;
class VbmObject{
protected:
unsigned char* file_data;
unsigned char* vertex_data;
unsigned int vertex_num;
GLuint VAO, VBO;
public:
bool loadFromVBM(const char * filename){
std::cout << "File name: " << filename << std::endl;
FILE * f = NULL;
f = fopen(filename, "rb");
if(f == NULL)
return false;
fseek(f, 0, SEEK_END);
size_t filesize = ftell(f);
fseek(f, 0, SEEK_SET);
file_data = new unsigned char [filesize];
fread(file_data, filesize, 1, f);
fclose(f);
VBM_HEADER * header = (VBM_HEADER *)file_data;
vertex_data = file_data + header->size + header->num_attribs * sizeof(VBM_ATTRIB_HEADER) + header->num_frames * sizeof(VBM_FRAME_HEADER);
vertex_num = header->num_vertices;
std::cout << "Num of Vertices: " << vertex_num << std::endl;
return true;
}
void setup(){
glCreateVertexArrays(1, &VAO);
glBindVertexArray(VAO);
glCreateBuffers(1, &VBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glNamedBufferStorage(VBO, 9*sizeof(GLfloat)*vertex_num, vertex_data, 0);
glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)(sizeof(GLfloat)*vertex_num*4));
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)(sizeof(GLfloat)*vertex_num*3));
glEnableVertexAttribArray(2);
}
void render(){
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertex_num);
}
~VbmObject(){
if(file_data != NULL){
delete file_data;
}
}
};
#endif
主程序文件是 DumpVbm.cpp，其框架结构还是和前面的差不多，先是继承 App 类，在 init() 方法中初始化数据，比如调用 VbmObject 对象的 loadFromVBM() 方法，调用 setup() 方法，同时创建 shader。然后在 display() 中准备模型、视图、投影矩阵，向 shader 中传递这些矩阵数据，然后调用 VbmObject 对象的 render() 方法。
DumpVbm.cpp 的完整内容如下：
#include "../include/app.hpp"
#include "../include/shader.hpp"
#include "../include/vbm.hpp"
#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
class MyApp : public App {
private:
const GLfloat clearColor[4] = {0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f};
VbmObject armadillo;
VbmObject bunny;
VbmObject ninja;
Shader* shaderDumpVbm;
public:
void init(){
ShaderInfo shaders[] = {
{GL_VERTEX_SHADER, "dumpvbm.vert"},
{GL_FRAGMENT_SHADER, "dumpvbm.frag"},
{GL_NONE, ""}
};
shaderDumpVbm = new Shader(shaders);
armadillo.loadFromVBM("armadillo.vbm");
armadillo.setup();
bunny.loadFromVBM("bunny.vbm");
bunny.setup();
ninja.loadFromVBM("ninja.vbm");
ninja.setup();
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
glDepthFunc(GL_LEQUAL);
glPolygonMode( GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE );
}
void display(){
glClearBufferfv(GL_COLOR, 0, clearColor);
glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glm::mat4 I(1.0f);
glm::vec3 X(1.0f, 0.0f, 0.0f);
glm::vec3 Y(0.0f, 1.0f, 0.0f);
glm::vec3 Z(0.0f, 0.0f, 1.0f);
float t = (float)glfwGetTime();
glm::mat4 view_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(0.0f, 0.0f, -5.0f))
* glm::rotate(I, t, Y);
glm::mat4 projection_matrix = glm::perspective(glm::radians(45.0f), aspect, 1.0f, 100.0f);
glm::mat4 armadillo_model_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(-2.0f, 0.0f, 0.0f)) * glm::scale(I, glm::vec3(0.015f, 0.015f, 0.015f)) * glm::rotate(I, glm::radians(180.0f), Y);
shaderDumpVbm->setModelMatrix(armadillo_model_matrix);
shaderDumpVbm->setViewMatrix(view_matrix);
shaderDumpVbm->setProjectionMatrix(projection_matrix);
shaderDumpVbm->setCurrent();
armadillo.render();
glm::mat4 bunny_model_matrix = glm::scale(I, glm::vec3(10.0f, 10.0f, 10.0f));
shaderDumpVbm->setModelMatrix(bunny_model_matrix);
bunny.render();
glm::mat4 ninja_model_matrix = glm::translate(I, glm::vec3(2.0f, -1.0f, 0.0f)) * glm::scale(I, glm::vec3(0.015f, 0.015f, 0.015f));
shaderDumpVbm->setModelMatrix(ninja_model_matrix);
ninja.render();
}
~MyApp(){
if(shaderDumpVbm != NULL){
delete shaderDumpVbm;
}
}
};
DECLARE_MAIN(MyApp)
shader 文件和之前没有区别。编译运行，命令如下：
g++ DumpVbm.cpp -o DumpVbm -lGL -lglfw -lGLEW
./DumpVbm
就可以看到效果了。如下：
版权申明
该随笔由京山游侠在2021年02月23日发布于博客园，引用请注明出处，转载或出版请联系博主。QQ邮箱：[email protected]
