扒幾個 3D 模型備用
- 2021 年 2 月 23 日
- 筆記
- [04]高性能計算和3D視覺呈現, linux, OpenGL, 電腦圖形學
前言
在上一篇中，我展示了 OpenGL 開發的基本過程，算是向 3D 世界邁出的一小步吧。對於簡單的 3D 物體，比如立方體、球體、圓環等等，我們只需要簡單的計算就可以得到他們的頂點的坐標。但是僅僅這樣，還不是太過癮，我們需要找一些複雜一點的 3D 模型，以便於我們體會 3D 世界的魅力。
在我學習 OpenGL 的過程中，我收集了不少的 3D 模型，主要是從 Free3D 下載的，都是 Obj 格式的文件，有的帶紋理貼圖，有的不帶紋理貼圖。比如，有一個小木屋的模型，帶紋理貼圖和法線貼圖，是我學習貼圖和光照的好素材。還有一個地球的模型，還有幾輛汽車的模型。還有我從著名的 OpenGL 網路教程 LearnOpenGL 中下載得有一套 nanosuit 的模型。對於這些有著規範格式的 3D 模型，我覺得使用 Assimp 庫載入是比較好的選擇，至於 Assimp 庫，以後再介紹。
另外，茶壺也是一個經典的模型，不過是以貝塞爾曲面的方式定義的。貝塞爾曲面其實不難，使用 16 個控制點可以描述一個曲面，並且可以根據我們需要的光滑程度選擇不同的細分級別，關於貝塞爾曲面的內容留待以後再專講，而且我覺得和曲面細分著色器一起學習效果更佳。那麼這個茶壺模型的數據在哪裡可以找到呢？FreeGlut 中有，可以在 github 中找到。除此之外，紅寶書的源程式碼中也有一個茶壺的數據。這裡不贅述。
我這裡要扒的幾個模型來自紅寶書的源程式碼，它們分別是 armadillo.vbm、 bunny.vbm 和 ninja.vbm。這裡，作者使用了他自創的 vbm 模型格式。作者還寫了從 obj 格式到 vbm 格式轉換的工具以及從 Maya 導出 vbm 格式的工具。但畢竟 vbm 格式不是標準的通用格式，我並不是很喜歡。但是為了把這三個模型顯示出來看看，我還是認真研究了作者的源程式碼。
VBM 模型文件的具體細節
我是通過閱讀紅寶書源程式碼中的 vbm.h 和 vbm.cpp 文件來了解 vbm 模型文件的細節的。這是一個二進位的模型文件，一開始是個 VBM_HEADER 結構，在作者的設計中，該文件分為新版和舊版，舊版的頭部結構為 VBM_HEADER_OLD，但是從我扒出的數據來看，根本就不需要考慮舊版。
在 VBM_HEADER 之後，是若干個 VBM_ATTRIB_HEADER 結構，該結構用來說明每個頂點包含哪些屬性，每個屬性又包含哪些分量。從我扒出的數據來看，以上三個模型，都是包含三個屬性的，分別是頂點坐標，包含 4 個 GLfloat 分量，頂點法向量，包含 3 個 GLfloat 分量，紋理貼圖坐標，包含兩個 GLfloat 分量。這和我上一篇中對頂點格式的設計簡直一模一樣。
在 VBM_ATTRIB_HEADER 之後，是若干個 VBM_FRAME_HEADER，看來該作者設計該格式是可以支援動畫的。不過以我扒出的數據來看，以上三個模型文件都只包含一幀。
在 VBM_FRAME_HEADER 之後就是頂點數據。從頭文件中可以得到頂點的個數，以及每個頂點包含哪些屬性，以及每個屬性包含幾個分量，就很容易算出頂點數據的長度。
頂點數據之後，就是索引數據。我讀源程式碼，同時還發現頂點數據之後是材質資訊。這兩組數據是有點混淆的。好在，以我扒出的數據來看，以上三個模型文件既沒有使用索引，也沒有包含任何材質，那倒是讓我省事了不少。
編寫我自己的 VbmObject 類
參考我之前寫的 Mesh 類，就很容易寫一個能在我的 App 框架中非常容易使用的 VbmObject 類。在 VbmObject 類中，寫一個 loadFromVBM() 方法，以從文件中載入頂點數據，同時獲取頂點個數的資訊。然後寫一個 setup() 方法，用來創建相應的 VAO 和 VBO，並向快取中存入數據，並啟用頂點屬性。這裡需要特別注意的是，該模型文件中的數據，是每一個屬性集中存放的，所以調用 glVertexAttribPointer() 方法時要特別注意。最後，寫一個 render() 方法進行渲染，render() 方法很簡單，就是調用 glDrawArrays()，當然，調用該方法之前需要綁定 VAO。
vbm.hpp 的完整程式碼如下：
#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
主程式文件是 DumpVbm.cpp，其框架結構還是和前面的差不多，先是繼承 App 類，在 init() 方法中初始化數據，比如調用 VbmObject 對象的 loadFromVBM() 方法，調用 setup() 方法，同時創建 shader。然後在 display() 中準備模型、視圖、投影矩陣，向 shader 中傳遞這些矩陣數據，然後調用 VbmObject 對象的 render() 方法。
DumpVbm.cpp 的完整內容如下：
#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 文件和之前沒有區別。編譯運行，命令如下：
g++ DumpVbm.cpp -o DumpVbm -lGL -lglfw -lGLEW
./DumpVbm
就可以看到效果了。如下：
版權申明
該隨筆由京山遊俠在2021年02月23日發佈於部落格園，引用請註明出處，轉載或出版請聯繫部落客。QQ郵箱：[email protected]
