Wavefront .OBJ文件格式解读【3D】

OBJ（或 .OBJ）是一种几何定义文件格式，最初由 Wavefront Technologies 为其高级可视化器动画包开发。 该文件格式是开放的，已被其他 3D 图形应用程序供应商采用。

OBJ 文件格式是一种简单的数据格式，仅表示 3D 几何体，即每个顶点的位置、顶点UV坐标、顶点法线以及使每个多边形定义为顶点列表的面。 默认情况下，顶点按逆时针顺序存储，因此无需显式声明面法线。 OBJ 坐标没有单位，但 OBJ 文件可以在人类可读的注释行中包含比例信息。

推荐：用 NSDT设计器 快速搭建可编程3D场景。

1、OBJ文件结构概述

哈希字符 (#) 后面的任何内容都是注释。

# this is a comment

OBJ 文件可以包含顶点数据、自由形式的曲线/曲面属性、元素、自由形式的曲线/曲面体声明、自由形式曲面之间的连接性、分组和显示/渲染属性信息。 最常见的元素是几何顶点、纹理坐标、顶点法线和多边形面：

# List of geometric vertices, with (x, y, z, [w]) coordinates, w is optional and defaults to 1.0.
v 0.123 0.234 0.345 1.0
v ...
...
# List of texture coordinates, in (u, [v, w]) coordinates, these will vary between 0 and 1. v, w are optional and default to 0.
vt 0.500 1 [0]
vt ...
...
# List of vertex normals in (x,y,z) form; normals might not be unit vectors.
vn 0.707 0.000 0.707
vn ...
...
# Parameter space vertices in (u, [v, w]) form; free form geometry statement (see below)
vp 0.310000 3.210000 2.100000
vp ...
...
# Polygonal face element (see below)
f 1 2 3
f 3/1 4/2 5/3
f 6/4/1 3/5/3 7/6/5
f 7//1 8//2 9//3
f ...
...
# Line element (see below)
l 5 8 1 2 4 9

1.1 几何顶点

顶点（Vertex）通过以字母 v 开头的行指定。后面是 (x,y,z[,w]) 坐标。 W 是可选的，默认为 1.0。 右手坐标系用于指定坐标位置。 某些应用程序通过在 x y 和 z 之后放置红色、绿色和蓝色值来支持顶点颜色（这会排除指定 w）。 颜色值范围从 0 到 1。

1.2 参数空间顶点

可以在以字符串 vp 开头的行中指定自由格式的几何语句。 在曲线或曲面的参数空间中定义点。 曲线点只需要u，非有理裁剪曲线的曲面点和控制点需要u 和v，有理裁剪曲线的控制点需要u、v 和w（权重）。

1.3 面元素

面（Face）是使用顶点、纹理和法线索引列表定义的，格式为 vertex_index/texture_index/normal_index，每个索引从 1 开始，并根据引用元素的定义顺序递增。 诸如四边形之类的多边形可以使用三个以上的索引来定义。

OBJ 文件还支持使用曲线和曲面来定义对象的自由形式几何体，例如 NURBS 曲面。

1.4 顶点索引

有效的顶点索引（Vertex indices）与先前定义的顶点列表的相应顶点元素相匹配。 如果索引为正，则它引用该顶点列表中的偏移量，从 1 开始。如果索引为负，则它相对引用顶点列表的末尾，-1 引用最后一个元素。

每个面可以包含三个或更多顶点。

f v1 v2 v3 ....

1.5 顶点纹理坐标索引

可选地，纹理坐标索引（Vertex texture coordinate indices）可用于在定义面时指定纹理坐标。 要在定义面时将纹理坐标索引添加到顶点索引，必须在顶点索引后紧接着放置斜线，然后放置纹理坐标索引。 斜杠前后不允许有空格。 有效的纹理坐标索引从 1 开始，与先前定义的纹理坐标列表中的相应元素匹配。 每个面可以包含三个或更多元素。

f v1/vt1 v2/vt2 v3/vt3 ...

1.6 顶点法线索引

或者，在定义面时，可以使用法线索引（Vertex normal indices）来指定顶点的法线向量。 要在定义面时将法线索引添加到顶点索引，必须在纹理坐标索引后放置第二个斜杠，然后放置法线索引。 有效的法线索引从 1 开始，并与先前定义的法线列表中的相应元素匹配。 每个面可以包含三个或更多元素

f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 ...

1.7 没有纹理坐标索引的顶点法线索引

由于纹理坐标是可选的，因此可以在没有纹理坐标的情况下定义几何体，但必须在放置法线索引之前在顶点索引后面放置两个斜杠。

f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3 ...

1.8 线元素

以字母“l”（小写 L）开头的记录指定构建多段线（Polyline）的顶点的顺序。

l v1 v2 v3 v4 v5 v6 ...

1.9 其他几何格式

Obj 文件使用几种不同类型的插值（例如泰勒和 B 样条）支持高阶曲面，尽管第三方文件读取器对这些功能的支持还远未普及。 Obj 文件也不支持网格层次结构或任何类型的动画或变形，例如顶点蒙皮或网格变形。

1.10 材质引用

描述多边形视觉方面的材质存储在外部 .mtl 文件中。 OBJ 文件中可以引用多个外部 MTL 材料文件。 .mtl 文件可能包含一个或多个命名材质的定义。

mtllib [external .mtl file name]
...

该标签指定其后面的元素的材质名称。 材质名称与外部 .mtl 文件中的命名材质定义匹配。

usemtl [material name]
...

命名对象和多边形组通过以下标签指定。

o [object name]
  ...
  g [group name]
  ...

通过平滑组可以实现跨多边形的平滑着色。

s 1
  ...
  # Smooth shading can be disabled as well.
  s off
  ...

1.11 相对索引和绝对索引

OBJ 文件由于其列表结构，能够通过绝对位置（1 表示第一个定义的顶点，N 表示第 N 个定义的顶点）或相对位置（-1 表示最后定义的顶点）来引用顶点、法线等。

然而，并非所有软件都支持后一种方式，相反有些软件本质上只编写后一种形式（由于附加元素方便，无需重新计算顶点偏移量等），导致偶尔出现不兼容的情况。

2、材质模板库

材质模板库格式 (MTL) 或 .MTL 文件格式是 .OBJ 的配套文件格式，也由 Wavefront Technologies 定义，它描述一个或多个 .OBJ 文件中对象的表面着色（材质）属性。

.OBJ 文件引用一个或多个 .MTL 文件（称为“材质库”），并从那里按名称引用一个或多个材质描述。 .MTL 文件是 ASCII 文本，它根据 Phong 反射模型定义表面的光反射属性，以供计算机渲染之用。 该标准在不同的计算机软件包之间得到了广泛的支持，使其成为材料交换的有用格式。

MTL 格式虽然仍然广泛使用，但已经过时，并且不完全支持高光贴图和视差贴图等后来的技术。 然而，由于该格式的开放性和直观性，可以使用自定义 MTL 文件生成器轻松添加这些内容。

MTL 格式定义了多种格式。

2.1 基础材质

单个 .mtl 文件可以定义多种材质。 材质在文件中被逐个定义，每个材质都以 newmtl 命令开始：

# define a material named 'Colored'
newmtl Colored

材质的环境色（ambient）使用 Ka 声明。 颜色定义采用 RGB 格式，其中每个通道的值介于 0 和 1 之间。

# white
Ka 1.000 1.000 1.000

类似地，漫反射色（diffuse）是使用 Kd 声明的。

# white
Kd 1.000 1.000 1.000

镜面反射色（specular）使用 Ks 声明，并使用镜面指数 Ns 进行加权。

# black (off)
Ks 0.000 0.000 0.000

# ranges between 0 and 1000
Ns 10.000

材质可以是透明的。 这称为 消融（dissolved）。 与真正的透明度不同，结果不取决于物体的厚度。 “d”的值为 1.0 是默认值，表示完全不透明，“Tr”的值为 0.0 也是如此。 消融适用于所有照明模型。

# some implementations use 'd'
d 0.9
# others use 'Tr' (inverted: Tr = 1 - d)
Tr 0.1

透明材料还可以具有透射滤光片颜色，用“Tf”指定。

# Transmission Filter Color (using R G B)
Tf 1.0 0.5 0.5 
# Transmission Filter Color (using CIEXYZ) - y and z values are optional and assumed to be equal to x if omitted
Tf xyz 1.0 0.5 0.5 
# Transmission Filter Color from spectral curve file (not commonly used)
Tf spectral .rfl 

材质的表面也可以具有光密度（optical density）， 这也称为折射率（index of refraction）。

# optical density
Ni 1.45000

值的范围可以从 0.001 到 10。值 1.0 表示光线在穿过对象时不会弯曲。 增加光密度会增加弯曲量。 玻璃的折射率约为1.5。 小于 1.0 的值会产生奇怪的结果，不推荐使用。

每种材质都有多种照明模型可用。 请注意，不需要设置透明照明模型来实现“d”或“Tr”的透明度，并且在现代使用中，即使使用透明材质，通常也不会指定照明模型。 照明模型列举如下：

0. Color on and Ambient off
1. Color on and Ambient on
2. Highlight on
3. Reflection on and Ray trace on
4. Transparency: Glass on, Reflection: Ray trace on
5. Reflection: Fresnel on and Ray trace on
6. Transparency: Refraction on, Reflection: Fresnel off and Ray trace on
7. Transparency: Refraction on, Reflection: Fresnel on and Ray trace on
8. Reflection on and Ray trace off
9. Transparency: Glass on, Reflection: Ray trace off
10. Casts shadows onto invisible surfaces

2.2 纹理贴图

纹理材质（Texture material）使用与上面相同的属性，并另外定义纹理贴图。 以下是常见材质文件的示例。 有关更多详细信息，请参阅完整的 Wavefront 文件格式参考。

newmtl Textured
   Ka 1.000 1.000 1.000
   Kd 1.000 1.000 1.000
   Ks 0.000 0.000 0.000
   d 1.0
   illum 2
   # the ambient texture map
   map_Ka lemur.tga
   
   # the diffuse texture map (most of the time, it will be the same as the
   # ambient texture map)
   map_Kd lemur.tga
   
   # specular color texture map
   map_Ks lemur.tga
   
   # specular highlight component
   map_Ns lemur_spec.tga
   
   # the alpha texture map
   map_d lemur_alpha.tga
   
   # some implementations use 'map_bump' instead of 'bump' below
   map_bump lemur_bump.tga
   
   # bump map (which by default uses luminance channel of the image)
   bump lemur_bump.tga
   
   # displacement map
   disp lemur_disp.tga
   
   # stencil decal texture (defaults to 'matte' channel of the image)
   decal lemur_stencil.tga

纹理贴图语句也可能有选项参数（参见完整规范）

   # texture origin (1,1,1) 
   map_Ka -o 1 1 1 ambient.tga
   
   # spherical reflection map
   refl -type sphere clouds.tga

2.3 纹理选项

-blendu on | off                       # set horizontal texture blending (default on)
-blendv on | off                       # set vertical texture blending (default on)
-boost float_value                     # boost mip-map sharpness
-mm base_value gain_value              # modify texture map values (default 0 1)
                                       #     base_value = brightness, gain_value = contrast
-o u [v [w]]                           # Origin offset             (default 0 0 0)
-s u [v [w]]                           # Scale                     (default 1 1 1)
-t u [v [w]]                           # Turbulence                (default 0 0 0)
-texres resolution                     # texture resolution to create
-clamp on | off                        # only render texels in the clamped 0-1 range (default off)
                                       #   When unclamped, textures are repeated across a surface,
                                       #   when clamped, only texels which fall within the 0-1
                                       #   range are rendered.
-bm mult_value                         # bump multiplier (for bump maps only)

-imfchan r | g | b | m | l | z         # specifies which channel of the file is used to 
                                       # create a scalar or bump texture. r:red, g:green,
                                       # b:blue, m:matte, l:luminance, z:z-depth.. 
                                       # (the default for bump is 'l' and for decal is 'm')

例如，

# says to use the red channel of bumpmap.tga as the bumpmap
bump -imfchan r bumpmap.tga

对于反射贴图…

-type sphere                           # specifies a sphere for a "refl" reflection map    
-type cube_top    | cube_bottom |      # when using a cube map, the texture file for each
      cube_front  | cube_back   |      # side of the cube is specified separately
      cube_left   | cube_right

2.4 供应商特定变更

由于解析文件的容易性以及文件格式的非官方传播，文件可能包含供应商特定的更改。

根据规范，选项应该位于纹理文件名之前。 但是，至少有一个供应商会生成末尾带有选项的文件。

# bump multiplier of 0.2
bump texbump.tga -bm 0.2

2.5 基于物理的渲染

在线 3D 编辑和建模工具 Clara.io 的创建者建议扩展 MTL 格式，以指定基于物理的渲染 (PBR) 贴图和参数。 此扩展随后被 Blender 和 TinyObjLoader 采用。 扩展 PBR 映射和参数为：

Pr/map_Pr     # roughness
Pm/map_Pm     # metallic
Ps/map_Ps     # sheen
Pc            # clearcoat thickness
Pcr           # clearcoat roughness
Ke/map_Ke     # emissive
aniso         # anisotropy
anisor        # anisotropy rotation
norm          # normal map (RGB components represent XYZ components of the surface normal)

进一步提议的扩展来自 Microsoft DirectX 引擎的 DirectXMesh 工具包，允许定义模型的预编译 RMA 材质。

map_RMA       # RMA material (roughness, metalness, ambient occlusion)
map_ORM       # alternate definition of map_RMA

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原文链接：Wavefront .OBJ格式说明 — BimAnt