Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型
Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型
翻译自：https://www.ics.com/blog/qt-and-opengl-loading-3d-model-open-asset-import-library-assimp
By Eric Stone Wednesday, May 21, 2014
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这篇博客文章是该系列的第一篇文章，该系列文章将介绍如何将OpenGL与Qt一起使用。在本期中，我们将研究如何使用Open Asset Import Library（ASSIMP）(1)从某些常见3D模型格式加载3D模型。该示例代码需要Assimp 3.0以上版本。该代码还将使用Qt的多个便利类（QString，QVector，QSharedPointer等）。
阅读第2部分Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型
介绍
首先，我们将创建一些简单的类来保存模型的数据。结构MaterialInfo将包含有关材料外观的信息。我们将使用Phong着色模型(2)进行着色。
struct MaterialInfo
{
QString Name;
QVector3D Ambient;
QVector3D Diffuse;
QVector3D Specular;
float Shininess;
};
LightInfo结构将包含有关光源的信息：
struct LightInfo
{
QVector4D Position;
QVector3D Intensity;
};
Mesh类将为我们提供有关网格的信息。它实际上不包含网格的顶点数据，但是具有我们需要从顶点缓冲区中获取的信息。 Mesh::indexCount是网格中的顶点数，Mesh::indexOffset是缓冲区中顶点数据开始的位置，Mesh::material是网格的材质信息。
struct Mesh
{
QString name;
unsigned int indexCount;
unsigned int indexOffset;
QSharedPointer<MaterialInfo> material;
};
单个模型可能具有许多不同的网格。 Node类将包含网格以及将其放置在场景中的转换矩阵。每个节点还可以具有子节点。我们可以将所有网格存储在单个数组中，但是将它们存储在树形结构中可以使我们更轻松地为对象设置动画。可以将其视为人体，就好像身体是根节点，上臂将是根节点的子节点，下臂将是上臂节点的子节点，而手将是下臂节点的子节点。
struct Node
{
QString name;
QMatrix4x4 transformation;
QVector<QSharedPointer<Mesh> > meshes;
QVector<Node> nodes;
};
ModelLoader类将用于将信息加载到单个根节点中：
class ModelLoader
{
public:
ModelLoader();
bool Load(QString pathToFile);
void getBufferData(QVector<float> **vertices, QVector<float> **normals,
QVector<unsigned int> **indices);
QSharedPointer<Node> getNodeData() { return m_rootNode; }
此类的用法将很简单。 ModelLoader::Load()接受3D模型文件的路径，并加载模型。 ModelLoader::getBufferData()用于检索已索引图形的顶点位置、法线和索引。 ModelLoader::getNodeData()将返回根节点。
下面是ModelLoader私有的函数和变量：
QSharedPointer<MaterialInfo> processMaterial(aiMaterial *mater);
QSharedPointer<Mesh> processMesh(aiMesh *mesh);
void processNode(const aiScene *scene, aiNode *node, Node *parentNode, Node &newNode);
void transformToUnitCoordinates();
void findObjectDimensions(Node *node, QMatrix4x4 transformation, QVector3D &minDimension, QVector3D &maxDimension);
QVector<float> m_vertices;
QVector<float> m_normals;
QVector<unsigned int> m_indices;
QVector<QSharedPointer<MaterialInfo> > m_materials;
QVector<QSharedPointer<Mesh> > m_meshes;
QSharedPointer<Node> m_rootNode;
下一步是加载模型。如果没有安装Assimp 3.0，则必须安装Assimp 3.0。请注意，Assimp 2.0在此示例中不起作用。首先，我们包含必要的Assimp标头：
#include 这是ModelLoader::Load()函数的代码：
bool ModelLoader::Load(QString pathToFile)
{
Assimp::Importer importer;
const aiScene* scene = importer.ReadFile(pathToFile.toStdString(),
aiProcess_GenSmoothNormals |
aiProcess_CalcTangentSpace |
aiProcess_Triangulate |
aiProcess_JoinIdenticalVertices |
aiProcess_SortByPType
);
if (!scene)
{
qDebug() << "Error loading file: (assimp:) " << importer.GetErrorString();
return false;
}
Assimp将有关模型的所有信息存储在此处创建的aiScene实例中。 importer对象保留了aiScene对象的所有权，因此我们不必担心以后其被删除。如果发生错误，返回的场景对象将为null，因此我们在此处进行检查，如果发生错误，则从函数返回false。
有关传递给importer的标志的更多详细信息，请参见Assimp的postprocess.h文件。下面是上面提到的标志的介绍：
GenSmoothNormals：如果模型中没有法线，则生成法线。CalcTangentSpace：计算切线空间，只有在进行法线贴图时才需要。Triangulate：将具有三个以上顶点的图元拆分为三角形。JoinIdenticalVertices：连接相同的顶点数据，并通过索引图形改善性能。
如果scene不为null，那么我们可以假设模型已正确加载并开始复制所需的数据。数据将按以下顺序读取：
1.材质（Materials）
2.网格（Meshes）
3.节点（Nodes）
材质必须在网格之前加载，而网格必须在节点之前加载。
加载材质
下一步是加载材质：
if (scene->HasMaterials())
{
for (unsigned int ii = 0; ii < scene->mNumMaterials; ++ii)
{
QSharedPointer<MaterialInfo> mater = processMaterial(scene->mMaterials[ii]);
m_materials.push_back(mater);
}
}
所有材质都存储在aiScene::mMaterials数组中，并且数组大小为aiScene::nNumMaterials。我们遍历每个对象，并将其传递给我们的processMaterial函数，该函数将向我们返回一个新的MaterialInfo对象。然后，变量m_materials将包含场景中所有网格的材质信息（如果可用）。
让我们仔细看看我们将使用的ModelLoader::processMaterial实现：
QSharedPointer<MaterialInfo> ModelLoader::processMaterial(aiMaterial *material)
{
QSharedPointer<MaterialInfo> mater(new MaterialInfo);
aiString mname;
material->Get(AI_MATKEY_NAME, mname);
if (mname.length > 0)
mater->Name = mname.C_Str();
int shadingModel;
material->Get(AI_MATKEY_SHADING_MODEL, shadingModel);
if (shadingModel != aiShadingMode_Phong && shadingModel != aiShadingMode_Gouraud)
{
qDebug() << "This mesh's shading model is not implemented in this loader, setting to default material";
mater->Name = "DefaultMaterial";
}
else
...
aiMaterial类使用键值对存储材质数据。我们复制名称，然后检查这种材质的照明模型。在本教程中，我们仅需关注Phong或Gouraud着色模型，因此，如果不是其中之一，则将名称设置为“DefaultMaterial”以表明渲染应使用其自身的材质值。
继续上面的代码：
...
}
else
{
aiColor3D dif(0.f,0.f,0.f);
aiColor3D amb(0.f,0.f,0.f);
aiColor3D spec(0.f,0.f,0.f);
float shine = 0.0;
material->Get(AI_MATKEY_COLOR_AMBIENT, amb);
material->Get(AI_MATKEY_COLOR_DIFFUSE, dif);
material->Get(AI_MATKEY_COLOR_SPECULAR, spec);
material->Get(AI_MATKEY_SHININESS, shine);
mater->Ambient = QVector3D(amb.r, amb.g, amb.b);
mater->Diffuse = QVector3D(dif.r, dif.g, dif.b);
mater->Specular = QVector3D(spec.r, spec.g, spec.b);
mater->Shininess = shine;
mater->Ambient *= .2;
if (mater->Shininess == 0.0)
mater->Shininess = 30;
}
return mater;
}
我们只对环境光照，漫反射，镜面反射和光泽特性感兴趣。您可以在此处(3)中看到更长的可用属性列表。调用aiMaterial::Get(key, value)获取所需的值，然后将其复制到MaterialInfo对象。
请注意，我们在此处缩小了环境光照值。这是因为我们用于渲染的OpenGL着色器只会针对环境光照，漫反射和镜面入射光使用同一个照明强度向量（LightInfo::Intensity）。另外，我们的着色器可以对光源的环境光照，漫反射和镜面反射分量使用单独的矢量，以实现更好的控制。我们还检查是否为模型指定了亮度值，如果没有，则将默认值设置为30。
加载网格
回到 Load() 函数中：
if (scene->HasMeshes())
{
for (unsigned int ii = 0; ii < scene->mNumMeshes; ++ii)
{
m_meshes.push_back(processMesh(scene->mMeshes[ii]));
}
}
else
{
qDebug() << "Error: No meshes found";
return false;
}
所有网格都存储在aiScene::mMeshes数组中，并且数组大小为aiScene::nNumMeshes。我们遍历每个对象，并将其传递给我们的ModelLoader::processMesh函数，该函数将为我们返回一个新的Mesh对象。变量m_meshes将包含场景中的所有网格。
此时，每个网格将与一种材质相关联。如果在模型中未指定任何材质，它将具有默认材质，其MaterialInfo::Name设置为DefaultMaterial。要加载网格，我们需要执行以下操作：
- 计算索引偏移量（
Mesh::indexOffset）。这将告诉我们该网格的数据在缓冲区中的何处开始。 - 将所有顶点数据从
aiMesh::mVertices[]复制到我们的顶点缓冲区（ModelLoader::m_vertices）。 - 将所有法线数据从
aiMesh::mNormals[]复制到我们的法线缓冲区（ModelLoader::m_normals）。 - （可选，本教程未介绍）复制纹理相关数据。
- 计算索引数据并添加到我们的索引缓冲区（
ModelLoader::m_indices）。 - 设置网格的索引计数（
Mesh::indexCount），这是网格中的顶点数。 - 设置网格的材质（
Mesh::material）。
QSharedPointer<Mesh> ModelLoader::processMesh(aiMesh *mesh)
{
QSharedPointer<Mesh> newMesh(new Mesh);
newMesh->name = mesh->mName.length != 0 ? mesh->mName.C_Str() : "";
newMesh->indexOffset = m_indices.size();
unsigned int indexCountBefore = m_indices.size();
int vertindexoffset = m_vertices.size()/3;
// Get Vertices
if (mesh->mNumVertices > 0)
{
for (uint ii = 0; ii < mesh->mNumVertices; ++ii)
{
aiVector3D &vec = mesh->mVertices[ii];
m_vertices.push_back(vec.x);
m_vertices.push_back(vec.y);
m_vertices.push_back(vec.z);
}
}
// Get Normals
if (mesh->HasNormals())
{
for (uint ii = 0; ii < mesh->mNumVertices; ++ii)
{
aiVector3D &vec = mesh->mNormals[ii];
m_normals.push_back(vec.x);
m_normals.push_back(vec.y);
m_normals.push_back(vec.z);
};
}
// Get mesh indexes
for (uint t = 0; t < mesh->mNumFaces; ++t)
{
aiFace* face = &mesh->mFaces[t];
if (face->mNumIndices != 3)
{
qDebug() << "Warning: Mesh face with not exactly 3 indices, ignoring this primitive.";
continue;
}
m_indices.push_back(face->mIndices[0]+vertindexoffset);
m_indices.push_back(face->mIndices[1]+vertindexoffset);
m_indices.push_back(face->mIndices[2]+vertindexoffset);
}
newMesh->indexCount = m_indices.size() - indexCountBefore;
newMesh->material = m_materials.at(mesh->mMaterialIndex);
return newMesh;
}
其中大多数很简单。由于每个顶点只使用一个缓冲区（Assimp每个网格有一个缓冲区），因此需要将偏移量添加到索引值。
aiMesh将索引数据存储在aiFace对象数组中。 aiFace表示一个基本绘制图形。如果face的索引数量不等于3，则它不是三角形，因此在本教程中我们将忽略它。
如果face是三角形，则将索引值添加到m_indices。请记住要向其中添加顶点偏移值，因为Assimp给出的索引是相对于网格的，而我们将所有网格的索引存储在一个缓冲区中。
由于我们已经处理了该网格的所有索引，因此现在我们可以计算该网格的索引计数，并设置网格的材质。
在本教程中，我们仅关注顶点，法线和索引，但是您可以在此处加载其他信息，例如顶点纹理坐标或切线。可下载的示例代码(4)也包含获得这些信息的函数。
加载节点
接下来，我们必须从根节点开始处理aiScene中的节点。节点定义相对于彼此绘制网格的位置。确保aiScene的根节点不为null，然后将其传递给processNode()，这将实现用所有模型数据填充ModelLoader::m_rootNode。
if (scene->mRootNode != NULL)
{
Node *rootNode = new Node;
processNode(scene, scene->mRootNode, 0, *rootNode);
m_rootNode.reset(rootNode);
}
else
{
qDebug() << "Error loading model";
return false;
}
return true;
}
这是processNode实现的步骤。我们需要执行以下步骤：
- （可选）设置节点的名称。
- 设置节点的转换矩阵。
- 将指针复制到该节点的每个网格。
- 添加子节点，并为每个子节点调用
ModelLoader::processNode。这将递归处理所有子级。
void ModelLoader::processNode(const aiScene *scene, aiNode *node, Node *parentNode, Node &newNode)
{
newNode.name = node->mName.length != 0 ? node->mName.C_Str() : "";
newNode.transformation = QMatrix4x4(node->mTransformation[0]);
newNode.meshes.resize(node->mNumMeshes);
for (uint imesh = 0; imesh < node->mNumMeshes; ++imesh)
{
QSharedPointer<Mesh> mesh = m_meshes[node->mMeshes[imesh]];
newNode.meshes[imesh] = mesh;
}
for (uint ich = 0; ich < node->mNumChildren; ++ich)
{
newNode.nodes.push_back(Node());
processNode(scene, node->mChildren[ich], parentNode, newNode.nodes[ich]);
}
}
收尾工作
该类可以如下使用：
ModelLoader model;
if (!model.Load("head.3ds"))
{
m_error = true;
return;
}
QVector<float> *vertices;
QVector<float> *normals;
QVector<unsigned int> *indices;
model.getBufferData(&vertices, &normals, &indices);
m_rootNode = model.getNodeData();
至此，您已经拥有了使用OpenGL显示模型所需的所有数据。
可下载示例(4)的完整源代码，包括qmake项目文件。如果存在Assimp 3以上的库，则它可以在任何平台上运行。您可能需要调整项目文件中的路径。在最新版本的Linux（例如Ubuntu）上，合适的版本的Assimp可作为Linux发行版的一部分提供。在Mac和Windows上，您可能需要从源代码构建Assimp。着色器和场景类有两组，一组用于OpenGL 3.3，另一组用于OpenGL 2.1 / OpenGL ES2。它将尝试运行3.3版本，但在必要时应自动回退到GL 2版本。
总结
这篇博客文章演示了如何使用Qt和Assimp库加载3D模型。
阅读第2部分Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型
参考文献
- Open Asset Import Library, accessed April 30, 2014, assimp.sourceforge.net
- Phong Shading, Wikipedia article, accessed April 30, 2014, en.wikipedia.org/wiki/Phong_shading
- Assimp Material System, accessed April 30, 2014, assimp.sourceforge.net/lib_html/materials.html
- 此博客文章的可下载代码：OpenGL博客文章文件
关于作者
Eric Stone
Eric是ICS的软件工程师，具有使用C++进行编程的丰富经验。他已经使用Qt和OpenGL进行编程超过六年，并且在开发台式机和嵌入式设备上的应用程序方面具有实践经验。
原文：https://www.ics.com/blog/qt-and-opengl-loading-3d-model-open-asset-import-library-assimp
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