C++方式实现stl、obj、3DS三种3D模型加载，并实现Arcball方法控制旋转缩放平移（采用glut库等文件，具体可在项目文件中实现），开发软件为VS2019

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获取建模得到的三维模型并解析

STL****文件

STL (STereoLithography, 立体光刻)是由3D Systems软件公司创立、原本用于立体光刻计算机辅助设计软件的文件格式。它有一些事后诸葛的字头语如“标准三角语言(Standard Triangle Language)”、“标准曲面细分语言(Standard Tessellation Language)”、“立体光刻语言(STereolithography Language)”和“(立体光刻曲面细分语言)”。许多套装软件支持这种格式，它被广泛用于快速成型、3D打印和计算机辅助制造(CAM)。STL文件仅描述三维物体的表面几何形状，没有颜色、材质贴图或其它常见三维模型的属性。

STL格式有文字和二进码两种型式。二进码型式因较简洁而较常见。

ASCII格式

ASCII码格式的STL文件逐行给出三角面片的几何信息，每一行以1个或2个关键字开头。

在STL文件中的三角面片的信息单元 facet 是一个带矢量方向的三角面片，STL三维模型就是由一系列这样的三角面片构成。整个STL文件的首行给出了文件路径及文件名。在一个 STL文件中，每一个facet由7 行数据组成，facet normal 是三角面片指向实体外部的法矢量坐标，outer loop 说明随后的3行数据分别是三角面片的3个顶点坐标，3顶点沿指向实体外部的法矢量方向逆时针排列。

ASCII格式的STL 文件结构如下：

//字符段意义

solidfilenamestl//文件路径及文件名

facetnormalxyz//三角面片法向量的3个分量值

outerloop

vertexxyz//三角面片第一个顶点坐标

vertexxyz//三角面片第二个顶点坐标

vertexxyz//三角面片第三个顶点坐标

endloop

endfacet//完成一个三角面片定义

…//其他facet

解析输出为：

二进制格式

二进制STL文件用固定的字节数来给出三角面片的几何信息。

文件起始的80个字节是文件头，用于存贮文件名；（如下所示）

solid Exported from Blender-2078 (sub 0)

紧接着用 4 个字节的整数来描述模型的三角面片个数，如下所示，即为一个三角得信息。

facet normal -0.000000 0.000000 -1.000000
outer loop
vertex 1.000000 1.000000 -1.000000
vertex 1.000000 -1.000000 -1.000000
vertex -1.000000 -1.000000 -1.000000
endloop
endfacet

后面逐个给出每个三角面片的几何信息。每个三角面片占用固定的50个字节，依次是:

3个4字节浮点数(角面片的法矢量)

3个4字节浮点数(1个顶点的坐标)

3个4字节浮点数(2个顶点的坐标)

3个4字节浮点数(3个顶点的坐标)个

三角面片的最后2个字节用来描述三角面片的属性信息。

一个完整二进制STL文件的大小为三角形面片数乘以 50再加上84个字节。

二进制格式的STL 文件结构如下：

UINT8//Header//文件头

UINT32//Numberoftriangles//三角面片数量

//foreachtriangle（每个三角面片中）

REAL32[3]//Normalvector//法线矢量

REAL32[3]//Vertex1//顶点1坐标

REAL32[3]//Vertex2//顶点2坐标

REAL32[3]//Vertex3//顶点3坐标

UINT16//Attributebytecountend//文件属性统计

解析输出为：

OBJ文件

obj（或者.obj）是一种几何定义文件格式，第一次是 Wavefront Technologies在他们的可视化加强动画包里面使用的。文件格式是公开的，并能很好的在其他的3D应用中被支持。

Obj文件格式是一种简单的单独表示3D几何图元的文件格式——也就是，顶点的坐标，每个顶点纹理的UV坐标，顶点法向量，以及组成多边形的面的顶点坐标、以及纹理UV坐标序列。面的顶点默认为逆时针顺序，法向量不是必须的。OBJ文件并非归一化的，但是可以在注释中加入缩放信息。

Obj文件可以是ASCII的编码(.obj)方式也可以是二进制格式(.mod)。但是二进制类型其作为专利未公开，因此这里不作讨论。以ASCII格式存储的obj文件必须用.obj作为文件拓展名。

文件的开始，有以哈希字符（#）开始的一行表示注释。

# this is a comment

对于obj来说，一个obj格式的文件可能包含了顶点数据，自由形式的曲面／表面属性，绘制索引序列，自由形式的曲面／表面内容声明，关联自由形式的表面，组和渲染属性信息。大多数常见的绘制索引表现为几何顶点，纹理坐标，顶点法线以及多边形的面：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gK3xEAGG-1590112131477)(https://raw.githubusercontent.com/adonispeace/adonispeace.github.io/master/dailyPic/20200401/clip_image012.jpg “Image_border+rounded”)]{:.border.rounded}

通常处理obj文件的时候，会抛弃顶点法线数据，而通过顶点信息来进行计算。有了以上的顶点坐标、法线、纹理坐标等信息，就可以进行3D模型文件的渲染了。

解析输出为:
g “Image_border+rounded”)]{:.border.rounded}

3DS文件

3ds文件是3D Max的一种二进制存储格式，它始终没被官方公开，但是也基本被大家hack出来了大半。其“格式”总的来说非常简单，这里介绍一个概念：chunk。3ds文件里的数据都是按chunk一块一块隔离的。每个chunk都有两个标记：2个字节大小的chunkId，用来标识这个chunk存的是什么数据。接着是一个4个字节大小的chunkLen，它根据chunkId不同，可能表示该chunk的大小，也可能表示下一个chunk的位置偏移。

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chunk Id 2 Byte

chunk Len　 4 Byte

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想要读取3ds文件，chunk Id是比较重要的部分，下面是hack出来的常用Id：

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0x4D4D // Main Chunk

├─ 0x3D3D // 3D Editor Chunk

│ ├─ 0x4000 // Object Block

│ │ ├─ 0x4100 // Triangular Mesh

│ │ │ ├─ 0x4110 // Vertices List

│ │ │ ├─ 0x4120 // Faces Description

│ │ │ │ └─ 0x4130 // Faces Material

│ │ │ ├─ 0x4140 // Mapping Coordinates List

│ │ │ │ └─ 0x4150 // Smoothing Group List

│ │ │ └─ 0x4160 // Local Coordinates System

│ │ ├─ 0x4600 // Light

│ │ │ └─ 0x4610 // Spotlight

│ │ └─ 0x4700 // Camera

│ └─ 0xAFFF // Material Block

│ ├─ 0xA000 // Material Name

│ ├─ 0xA010 // Ambient Color

│ ├─ 0xA020 // Diffuse Color

│ ├─ 0xA030 // Specular Color

│ ├─ 0xA200 // Texture Map 1

│ ├─ 0xA230 // Bump Map

│ └─ 0xA220 // Reflection Map

│ │ /* Sub Chunks For Each Map */

│ ├─ 0xA300 // Mapping Filename

│ └─ 0xA351 // Mapping Parameters

└─ 0xB000 // Keyframer Chunk

├─ 0xB002 // Mesh Information Block

├─ 0xB007 // Spot Light Information Block

└─ 0xB008 // Frames (Start and End)

├─ 0xB010 // Object Name

├─ 0xB013 // Object Pivot Point

├─ 0xB020 // Position Track

├─ 0xB021 // Rotation Track

├─ 0xB022 // Scale Track

└─ 0xB030 // Hierarchy Position

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一般来说，一个chunk可能还包含子chunk，比如0x4100表示Mesh的chunk里就包含了0x4110，0x4120等chunk，同时，0x4100这个chunk的长度标识，是把这些子chunk的长度也计算在内的。一般来说，我们读取3ds文件，只要解析主要chunk，遇到不识别的chunk，跳过即可。因为3ds里的数据，大多数并不是程序员需要的。我们只要顶点和uv这些就够了。

读取数据并载入：

配置环境

本人使用的VS2019，在配置环境时，希望能够讲库进行集中管理，因此在E盘单独建立文件夹，将include和lib项放入，并在项目中引入，虽然在后期新建项目中需要重复引入，但是保证了相关文件的整理便捷性。

同时添加依赖项：

绘制三维模型

对于三种文件格式来说，有很多的选择来进行重绘，在这里我选择使用glut的库来完成操作。

上边已经显示出数据的解析，并且得到绘制的图形。可以先使用如下函数进行绘制，设窗口的大小以及形式等信息。

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH | GLUT_RGBA | GLUT_MULTISAMPLE);
glutInitWindowPosition(100, 100);
glutInitWindowSize(GL_WIN_WIDTH, GL_WIN_HEIGHT);
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); // | GLUT_STENCIL
glutInit(argc, argv);
GLUTwindow = glutCreateWindow("powerful_reader~");
glutReshapeFunc(glutResize);

最后的选择如上图所示。

Arcball实现控制

由于屏幕是二维的，无法直接表示旋转，可以通过辅助几何体来完成。想象在屏幕后面有一个球体，球体正好与这个屏幕相切，如下图的俯视图所示

我们在求旋转轴之前需要将二维坐标转化为三维向量OP，如下图，T为屏幕上的二维坐标，P为T向屏幕后方发出射线与球体相交的点。这里做作OM水平面平行于屏幕，P到水平线的深度z需要先行求得。

为了运算处理方便，我们需要将T坐标限定在[-1，1]之间，设定这个球体的半径为1。

x = 2*x / 屏幕宽度 - 1

y = -(2*y / 屏幕高度 - 1)

由勾股定理可知，z = sqrt(1-xx-yy)。

当xx+yy大于1时，P不在球体上，那就在OM上找一点P，且满足P在球体上，PT垂直于平面OM，即xx+yy大小限定在1这个值，z = 0.

具体流程如下：

x,y,z的值可以唯一确定OP向量，接下来，给定输入的两个坐标T1，T2，我们做出如下处理：

\1. 分别求出T1和T2对应的三维向量OP1和OP2

\2. s = OP1 · OP2，即先求两个向量的内积

\3. v = OP1 × OP2，即求两个向量的外积

\4. 记四元数q = [s, v]，将其单位化，此时q为旋转四元数。

\5. 旋转角α = 2arccos(q.s) ，旋转轴V = ( q.v / sqrt(1-q.s*q.s) )

if (rotating) {
			//控制旋转的信号
			rotation[0] += -0.5 * (y - GLUTmouse[1]);
			rotation[2] += 0.5 * (x - GLUTmouse[0]);
			//rotation[1] += 0.5 * (x - GLUTmouse[0]);
			//这样可以面向你进行旋转
			//在重绘的时候就可以了
		}
		else if (scaling) {
			// 控制缩放信号
			//GLUTmouse存储了之前记录的点信息
			scale *= exp(2.0 * (float)((x - GLUTmouse[0])) / (float)GL_WIN_WIDTH);
			//如果想调成按照y方向控制可以:
			// scale *= exp(2.0 * (float)( (y- GLUTmouse[1])) / (float) GL_WIN_WIDTH);
		}
		else if (translating) {
			// 控制平移信号
			translation[0] += 2.0 * (float)(x - GLUTmouse[0]) / (float)GL_WIN_WIDTH;
			translation[1] += 2.0 * (float)(y - GLUTmouse[1]) / (float)GL_WIN_HEIGHT;
		}
		//我们在拖拽旋转的过程中需要设置定点中心
		GLUTmouse[0] = x;
		GLUTmouse[1] = y;

如下边所示，在main.cpp代码中定义glutMotion()函数，对各个数据进行操作，最后完成对三维体的平移、旋转以及缩放信号。

之后通过glut库函数对控制变量进行输入：

glLoadIdentity();
		glScalef(scale, scale, scale);
		glTranslatef(translation[0], translation[1], 0.0);
		glMatrixMode(GL_PROJECTION);
		glLoadIdentity();
		gluPerspective(45.0, (GLfloat)GL_WIN_WIDTH / (GLfloat)GL_WIN_HEIGHT, 0.1, 100.0);
		glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
		glLoadIdentity();
		glTranslatef(translation[0], translation[1], translation[2]);
		glScalef(scale, scale, scale);
		//刷新放缩的大小
		glRotatef(rotation[0], 1.0, 0.0, 0.0);
		glRotatef(rotation[1], 0.0, 1.0, 0.0);          //控制不同角度
		glRotatef(rotation[2], 0.0, 0.0, 1.0);
		glTranslatef(-center[0], -center[1], -center[2]);
		//改变旋转中心
		glClearColor(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
		glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
		//设置光照
		//载入不同光源的位置
		glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light0_position);
		glLightfv(GL_LIGHT1, GL_POSITION, light1_position);
		//定义材料信息
		//这里可以调整环境颜色和散射颜色数组
		glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_AMBIENT_AND_DIFFUSE, my_set_material);
		// 下面开始绘制表面
		if (if_face == 1)
			draw_faces();
		if (if_line == 1)
			draw_lines();
		if (if_point == 1)
			draw_points();
		glutSwapBuffers();

并且使用glut的库函数，设置鼠标以及键盘事件，完成操作：

	glutKeyboardFunc(glutKeyboard);
	glutMouseFunc(glutMouse);
	glutMotionFunc(glutMotion);

同时，对光纤等材质信息进行绘制。

glutSpecialFunc(GLUTSpecial);
		glutIdleFunc(0);
		// 设置光照信息
		static GLfloat lmodel_ambient[] = { 0.2, 0.2, 0.2, 1.0 };
		glLightModelfv(GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, lmodel_ambient);
		glLightModeli(GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWER, GL_TRUE);
		static GLfloat light0_diffuse[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 };
		//设置满散射
		glLightfv(GL_LIGHT0, GL_DIFFUSE, light0_diffuse);
		glEnable(GL_LIGHT0);
		static GLfloat light1_diffuse[] = { 0.5, 0.5, 0.5, 1.0 };
		glLightfv(GL_LIGHT1, GL_DIFFUSE, light1_diffuse);
		glEnable(GL_LIGHT1);
		glEnable(GL_NORMALIZE);
		glEnable(GL_LIGHTING);
		glEnable(GL_DEPTH_TEST);

在主函数中，可以通过打开文件的方式获取文件的路径，并且通过判断文件路径的“点符号”确定文件类型，然后调用相关的函数，最终完成绘制。

OPENFILENAME ofn;      // 公共对话框结构。     
	TCHAR szFile[MAX_PATH]; // 保存获取文件名称的缓冲区。               
	// 初始化选择文件对话框。     
	ZeroMemory(&ofn, sizeof(OPENFILENAME));
	ofn.lStructSize = sizeof(OPENFILENAME);
	ofn.hwndOwner = NULL;
	ofn.lpstrFile = szFile;
	ofn.lpstrFile[0] = '\0';
	ofn.nMaxFile = sizeof(szFile);
	ofn.lpstrFilter = (LPCSTR)"all(*.*)\0 * .*\0";
	ofn.nFilterIndex = 1;
	ofn.lpstrFileTitle = NULL;
	ofn.nMaxFileTitle = 0;
	ofn.lpstrInitialDir = NULL;
	ofn.Flags = OFN_PATHMUSTEXIST | OFN_FILEMUSTEXIST;
	//ofn.lpTemplateName =  MAKEINTRESOURCE(ID_TEMP_DIALOG);    
	// 显示打开选择文件对话框。
	if (GetOpenFileName(&ofn))
	{
		//显示选择的文件。 
		std::cout << szFile << std::endl;
		OutputDebugString(szFile);    //这一句是显示路径吗？为什么不显示？
		OutputDebugString((LPCSTR)"\r\n");
	}
	TCHAR* file_name;
	file_name = szFile;
	string filename = file_name;
	string suffixStr = filename.substr(filename.find_last_of('.') + 1);
	cout << "houzui shi " << suffixStr << endl;

结果展示

如下所示，stl格式的ascii、binary存储格式的读取和绘制以及控制，以及obj和3DS格式，运行过程存储为gif****格式，可另行保存观看。

或者在百度云下载：

链接：https://pan.baidu.com/s/1mH9cy1nC9WNrOfa7HDqa9g

提取码：xv8t

STL_binary

STL_ASCII

OBJ

3DS

本文提到的代码已上传，欢迎下载：
https://download.csdn.net/download/qq_32563773/12445747