OBJ模型文件的结构、导入与渲染Ⅱ

继续上篇的内容，根据OBJ文件格式载入模型，并利用OpenGL的Indexed VBO技术进行渲染。本文所在的载入类ZWModelOBJ，如果阁下发现有什么BUG或者有什么好的建议，请多指教。作者地址是——http://www.ZwqXin.com

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2. OBJ，从读入到渲染

对一个模型来说，初始化的时候调用导入函数进行“读入”，渲染时调用渲染函数进行渲染，这是最基本的步骤了：

//导入模型
bool ImportModel(wchar_t *strFileName);
//渲染模型
void RenderModel();

其中，导入函数读入obj文件，然后开始存取数据：

//ImportModel函数part1
bool ZWModelOBJ::ImportModel(wchar_t *strFileName, GLuint usage)
{
    ..............
    // 打开文件
    _wfopen_s(&m_FilePointer, szPathFileName, L"rb");

    ...............

    // 读入文件信息
    ProcessFileInfo(&m_ModelOBJ); //m_ModelOBJ即我们的模型对象t3DModel

    m_ModelOBJ.bIsTextured = true;

    // 关闭打开的文件
    fclose(m_FilePointer);

       ....................

在上篇[OBJ模型文件的结构、导入与渲染Ⅰ]末尾放出的对象数据的导入结构体如下：

// 对象信息结构体
typedef struct tag3DObject
{
    int                         nMaterialID;       // 纹理ID
    bool                        bHasTexture;       // 是否具有纹理映射
    bool                        bHasNormal;        // 是否具有法线
    std::vector        PosVerts;          // 对象的顶点
    std::vector        Normals;           // 对象的法向量
    std::vector       Texcoords;         // 纹理UV坐标
    std::vector Indexes;           // 对象的顶点索引
    unsigned int                nNumIndexes;       // 索引数目
    GLuint                      nPosVBO;
    GLuint                      nNormVBO;
    GLuint                      nTexcoordVBO;
    GLuint                      nIndexVBO;
}t3DObject;

很明显地，对于模型里面的每一个网格对象，分别用三个vector保存它的顶点属性：位置、法线、纹理坐标（注意，如之前所述，只有位置属性是必须的），用一个vector来储存顶点索引，另加一个unsigned int来储存索引总数，另用四个unsigned int来保存vertex-VBO、normal-VBO、texcoord-VBO、Index-VBO对象。这里产生了一串问题：

1. 怎么划分这些网格对象（t3DObject）？——在obj文件里用组（g）来划分对象（另外，有时在顶点数据区头部也有一个g，不产生对象，应忽略），这固然是合情合理。但是，想想为什么我们要划分对象，而不是整个模型一次过地放入一个结构体里呢？3DS的话那是按chunk来的没什么问题，可是OBJ呢？忽略组(g)信息，把一个个面按顺序导入效果有什么不一样吗？没有——如果你没有材质信息的话。是的，导入模型之所以要区分对象（object），最主要的目的不为其他，而是应用材质的问题。想一想纹理坐标，它必定对应于某个纹理，但是一个模型很多时候都是带多张同用途的纹理的：某个部分使用这张纹理和这套纹理坐标（或者还有颜色信息、光照度等其他材质属性），另一部分使用别的纹理和纹理坐标——这些“部分”就是obj中的组(g)的概念，每个组只含一种材质。
   所以说，真正划分的依据是“材质”。如果像前文所述多个组共用一个材质的情况，我们完全可以在程序中把这些组划分为单一的网格对象（t3DObject），这样，我们应该忽略的是g标识，而根据usemtl标识来生成新的t3DObject结构。（考虑一种特别情况：想让模型支持分体。就像Ogre中的Entity概念，它包含多个SubEntity，并可以在程序中获取这个SubEntity进行特别的加工，譬如熟悉的ogre.mesh，就可以分别对模型的眼睛、牙齿、耳环、面皮肤等设置材质，甚至分体、运动——如果OBJ模型也想实现这种效果，就必须按建模软件给出的组[g]来划分对象了，同时应该保存组的名字。不过这种扩展对我自己而言应用场合很少，有需要的时候再扩展ZWModelOBJ好了。）
    
2. 顶点属性数据是全局的，每个Object怎么获取？——策略比较简单，在obj文件前半部读入这些数据的时候，存入全局的支持随机存取的容器里（3种属性都有的情况下就给3个vector容器，见清单②处）：文件后半部读入usemtl的时候生成一个新的t3DObject对象，根据usemtl的指示查找tMatInfoVec(在此之前读入mtllib标识【清单①处】的时候这个vector已经被填充好了)，把索引记入nMaterialID成员（见清单③处）；接下来会读入一串f标识的面信息（若读入f时尚无对象生成则生成一个，有些无材质模型是会这样的），根据其格式判断该对象是否包含纹理坐标和法线信息，并根据索引查找前面保存了顶点数据的容器（要注意的是这些索引时从1开始的，所以容器里对应元素的的下标应该是此索引减1后的数值）……直到下个usemtl标识（见下清单的④处）。

//读数据
void ZWModelOBJ::ProcessFileInfo(t3DModel *pModel)
{
    char strBuff[MAX_LINE]  = {0};
    char chKeyword          = 0;

    while(EOF != fscanf_s(m_FilePointer, "%s", strBuff, MAX_LINE))
    {
        // 获得obj文件中的当前行的第一个字符
        chKeyword = strBuff[0];

        switch(chKeyword)
        {
        case 'm':     //判断读入mtllib, 指示材质库文件 【①】
            {
                if(0 == strcmp(strBuff, "mtllib"))
                {
                    wchar_t wszPath[MAX_PATH]  = {0};

                    if(m_szResourceDirectory)
                    {
                        wcscpy_s(wszPath, sizeof(wszPath) / sizeof(wchar_t), m_szResourceDirectory);
                    }
                    size_t nCurPathLen = wcslen(wszPath);

                    fscanf_s(m_FilePointer, "%s", strBuff, MAX_LINE);

                    memset(&wszPath[nCurPathLen], 0, (MAX_PATH - nCurPathLen) * sizeof(wchar_t));
                    MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, strBuff, -1, &wszPath[nCurPathLen], (MAX_PATH - nCurPathLen));

                    ProcessMtlFileInfo(pModel, wszPath);
                }
                fgets(strBuff, MAX_LINE, m_FilePointer);
            }
            break;
        case 'u'://判断读入usemtl, 指示新的对象(可能包含多个组g), 指示材质 【③ 】
            {
                if(0 == strcmp(strBuff, "usemtl"))
                {
                    t3DObject newObject = {0};
                    newObject.bHasTexture  = false;
                    newObject.bHasNormal   = false;

                    fscanf_s(m_FilePointer, "%s", strBuff, MAX_LINE);

                    newObject.nMaterialID = FindMtlID(pModel, strBuff);

                    pModel->t3DObjVec.push_back(newObject);

                    ++m_nCurObjectCount;

    m_VObjectIndexMap.clear();
                }
                fgets(strBuff, MAX_LINE, m_FilePointer);
            }
            break;
        case 'v':// 读入的是'v' (后续的数据可能是顶点/法向量/纹理坐标)【②】
            {
                // 读入点的信息 - 顶点 ("v")、法向量 ("vn")、纹理坐标 ("vt")
                ProcessVertexInfo(strBuff[1]);
            }
            break;
        case 'f':      // 读入的是'f'(面的信息)  【④】
            {
                if(0 == m_nCurObjectCount) //创建一个无材质物件
                {
                    t3DObject newObject = {0};
                    pModel->t3DObjVec.push_back(newObject);
                    ++m_nCurObjectCount;
                }
                ProcessFaceInfo(pModel);
            }
            break;
        default:
            // 略过该行的内容
            fgets(strBuff, MAX_LINE, m_FilePointer);
            break;
        }
    }
}

1.  怎么根据f标识数据的格式判断该对象是否具有纹理坐标、法线信息？——这是些读文件技巧了，关键是知道一个顶点的属性格式有4种：%d、%d/%d、%d//%d、%d/%d/%d，分别表示只有位置数据、只有位置和纹理坐标数据、只有位置和法线数据、3种数据都有。有时候（很少）会遇到有些顶点是一种格式，有些顶点是别的格式的情况，按数据最多的格式为主来设置对象（t3DObject）的bHasTexture和bHasNormal标签。
    
2. 怎么储存对象的索引？——这应该是最重要的一点。要考虑渲染的方法。如果用传统的打点方式（glVertex）来渲染的话，模型数据结构没那么麻烦，只需要一个索引数组去获取在清单②中储存到全局容器里的数据就够了。但是，毕竟为了效率，我们要摒弃这种落后于时代的方法。用VBO【学一学，VBO】首先有两个必须考虑的要点：1）一份VBO（包括各顶点属性VBO）应该只对应一份材质，这点在上面已经考虑到了，所以一份VBO也对应一份网格对象（t3DObject），至少在这里这点是必须的；2）一份VBO里的各顶点属性VBO（不包括索引VBO）的大小应该一致。当使用索引VBO的时候每个索引在各属性VBO里必须有有效值。

我说的所谓OBJ格式重储存不重读写的原因也正在此。全局容器里可能有300组位置信息，250组纹理坐标信息，100组法线信息，本身就不会相等。OBJ格式文件通过面索引去取值，这样就可以避免相同数据的重复储存，提高了储存效率（但是导出数据文件的时候就必定会要花费更多）。另一方面，这种索引是全局的，这就不为VBO所容（一份VBO对应一份Object，是局部的），所以顶点属性数据应该转换为局部储存（t3DObject里的vector），索引也应该转化为局部的数值。这种转换导致了模型读入过程的花费。

1. 非三角面的面片怎么读取？——划分成三角面片咯，譬如f标识读到第4个顶点属性索引组的时候，就把第1、3、4个属性索引组作为一个新面（不该花CPU时间去考虑可能的共线问题）。因为我们的Indexed VBO用顺序的索引来构成GL_TRIANGLES，所以不需另外保存面的信息。

void ZWModelOBJ::ProcessFaceInfo(t3DModel *pModel)
{
        ......
    fscanf_s(m_FilePointer, "%s", strBuff, MAX_LINE);
         .....
    if(2 == sscanf_s(strBuff, "%d/%d", &vIdx, &tIdx)) //  格式v/t
    {
        if(!pCurObj->bHasTexture)
        {
            pCurObj->bHasTexture = true;
        }
        int nCounter = 0;
        do
        {
            ++nCounter;
            if(nCounter > 3)
            {
                //Type - 123 134
                pCurObj->Indexes.push_back(pCurObj->Indexes[pCurObj->Indexes.size() - 3]);
                pCurObj->Indexes.push_back(pCurObj->Indexes[pCurObj->Indexes.size() - 2]);
                nCounter = 3;
            }

            std::map::iterator pFindPos
                = m_VObjectIndexMap.find(tVertInfo(m_VPositionVec[vIdx - 1], m_VTexcoordVec[tIdx - 1], vNormal));

            if(m_VObjectIndexMap.end() != pFindPos)
            {
                pCurObj->Indexes.push_back(pFindPos->second);
            }
            else
            {
                pCurObj->PosVerts.push_back(m_VPositionVec[vIdx - 1]);
                pCurObj->Texcoords.push_back(m_VTexcoordVec[tIdx - 1]);
                pCurObj->Normals.push_back(vNormal); //UNIT_Y
                pCurObj->Indexes.push_back(pCurObj->PosVerts.size() - 1);

                m_VObjectIndexMap.insert(std::pair(tVertInfo(m_VPositionVec[vIdx - 1], m_VTexcoordVec[tIdx - 1], vNormal), pCurObj->PosVerts.size() - 1));
            }

        } while (2 == fscanf_s(m_FilePointer, "%d/%d", &vIdx, &tIdx));
    }
    ..........
}

上面的代码展示其中一种格式的面片读入。判断格式后，不断读入该行的索引组，若超过3个，则按上所述增加面片。对每个索引组，在t3DObject的容器中顺序push入全局容器中对应的实体数据，index-vector则插入当前顶点所在容器的索引（假如该数据重复出现则只插入对应索引）。假如缺少法线则插入单位正Y法线，毕竟要考虑一些索引组有法线一些没有的情况（纹理坐标同理，用空坐标）。也许你会问是否不用索引VBO，把顶点属性一一保存，最后单纯使用glDrawArray渲染一般的VBO如何，那你是太小看数据重复（共顶点的面）的厉害了，现在700多的顶点位置数据，就有机会提供给5000多个索引……

对于数据重复的判断，就需要在当前Object的数据堆里进行查找。这里我额外使用一个map（m_VObjectIndexMap）来储存顶点的索引，并以点的顶点属性为这些索引的“索引（键值）”（定义一个顶点属性结构体tVertInfo，并重载<操作符使之能够排序）。STL的map内部数据存放方式是类似AVL的红黑查找树，对于字典式查找效率比遍历vector的STL函数find要高效许多，但这样做相比下会在导入期产生一个颇大的map，内存紧张则宜改为单用vector（顶点位置）为键（因为对大部分正常的模型这样就足够了，对一些纹理相邻的模型则加上纹理坐标，因为事实上这两者相等但法线不等的情况真是有点猎奇）。注意生成新的网格对象t3DObject时清空这个map，导入完成后也清空之。

好了，现在数据读完，ImportModel函数的下一个任务就是生成VBO。在此之前可以清除掉全局的顶点属性容器内数据，在此之后可以清除各个Object里面的（局部）容器数据。因为glDrawElement需要索引数量为参数，因此清除前把该值保存到t3DObject结构的nNumIndexes里就可以了，glBufferData已经把数据传输给VBO了（GPU）。CPU这里留下VBO的ID够了~~

 //ImportModel函数part2
bool ZWModelOBJ::ImportModel(wchar_t *strFileName, GLuint usage)
{
    ........

       //清除全局顶点属性数据
    m_VPositionVec.clear();
    m_VNormalVec.clear();
    m_VTexcoordVec.clear();
  m_VObjectIndexMap.clear();

    //绑定VBO
    for(unsigned int i = 0; i < m_ModelOBJ.t3DObjVec.size(); i++)
    {
        if(!m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].PosVerts.empty())
        {
            glGenBuffers(1, &m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].nPosVBO);
            glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].nPosVBO);
            glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].PosVerts.size() * sizeof(Vector3),
                (GLvoid*)&m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].PosVerts[0], usage);
        }

        if(!m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].bHasNormal)
        {
            // 计算顶点的法向量
            ComputeNormals(&m_ModelOBJ.t3DObjVec[i]);

            m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].bHasNormal = true;
        }

        if(!m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Normals.empty())
        {
            //normal -VBO
        }

        if(m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].bHasTexture && !m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Texcoords.empty())
        {
            //Texcoord VBO
        }

        if(!m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Indexes.empty())
        {
            glGenBuffers(1, &m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
            glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
            glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Indexes.size() * sizeof(unsigned short),
                (GLvoid*)&m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Indexes[0], usage);

            m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].nNumIndexes = m_ModelOBJ.t3DObjVec[i].Indexes.size();
        }
    }
    CleanImportedData();

    return true;
}

vector是顺序储存的，所以获得数据区指针用&vec[0]就可以了（不要用迭代器）。如果没有法线数据就自己计算一下好了。记住纹理坐标数据如果没有的话可以不生成该VBO，但这时渲染的时候千万别启用(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY)，不然坐等崩溃。

ZWModelOBJbyZwqXin.rar

渲染函数RenderModel()就8贴出来了，我在[学一学，VBO] [索引顶点的VBO与多重纹理下的VBO]里说得很清楚了。最后给出整个导入类ZWModelOBJ的代码，有些API和使用法会在下篇文章一起讲。本文可能日后会被转帖，再说在下的博客：http://www.ZwqXin.com，还是开头那句话：如果阁下发现有什么BUG或者有什么好的建议，请多指出，请多指教。

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