了解 glTF 2.0 格式

推荐：使用 NSDT场景编辑器快速搭建3D应用场景

介绍

glTF 代表 GL 传输格式。

glTF 是一种用于存储和加载 3D 场景的标准化文件格式，其基本目的是由 3D 创建工具轻松生成并被任何图形应用程序使用，无论使用何种 API，处理最少。

它与其他格式的主要区别在于，glTF 将其数据作为 GPU 就绪的首要任务。这意味着在将文件数据馈送到 GPU 之前，格式化/调整/解释文件上的数据所需的处理步骤更少。

了解文件格式后，您将欣赏整个资产生成流程的点击效果;从 3D 编辑工具到如何将其输出输入图形管线，在我看来，这就是 glTF 的魔力，它以可移植和标准化的方式弥合了设计和实现之间的差距。

文件格式

glTF包括：

• JSON 文件：描述场景、节点及其层次结构;网格、材质、相机、光源。它还包含指向二进制和图像数据的指针。
• 二进制数据：场景中的实际几何体和动画数据。
• 图像文件： 图像数据存储为 JPG 或 PNG。

图 1：来自 Khronos glTF 2.0 规范的 glTF2.0 概述，打开gltf编辑器，查看glb模型文件。

生成或第一个 glTF 2.0 文件

Blender 2.8，一个免费的3D建模工具，有一个一流的glTF 2.0导出器：

https://docs.blender.org/manual/en/2.80/addons/io_scene_gltf2.html

使用它的导出器，我从起始场景生成了一个 glTF 2.0 文件：

场景描述为：

1.- 每边 2m 的立方体，其中心位于原点，它有 8 个顶点（导出者可能会增加顶点的数量和顺序）：

1. (-1, -1, 1)
2. (1, -1, 1)
3. (-1, -1, -1)
4. (1, -1, -1)
5. (-1, 1, 1)
6. (1, 1, 1)
7. (-1, 1, -1)
8. (1, 1, -1)

立方体具有默认材料分配。

2.- 具有以下功能的相机：

1. 位置在 （7.35889 m， -6.92579 m， 4.95831 m）
2. 旋转 （0.483536， 0.208704， 0.336872， 0.780483）

3.- 光源具有：

1. 位置在 （4.07625 m， 1.00545 m， 5.90386 m）
2. 旋转 （0.169076， 0.272171， 0.75588， 0.570948）

图 2：Blender 的开始场景、立方体、摄像机和光源

图3.导出此场景时，我使用了以下配置： 请注意 +Y 向上设置。Blender在+Z向上配置下工作，因此导出器将为我们更改它。

按下导出按钮后，您将拥有 2 个文件：

*.gltf

*。.bin

打开gltf文件看一看，它会分为几个部分：

资产和场景

"asset" : {        "generator" : "Khronos glTF Blender I/O v1.1.46",        "version" : "2.0"    },    "scene" : 0,    "scenes" : [        {            "name" : "Scene",            "nodes" : [                0,                1,                2            ]        }    ],

• “asset”描述了用于创建文件的生成器和glTF的版本，在我们的例子中它将是2.0
• “scene”指定在加载时将显示场景数组中的哪些可用场景。在我们刚刚生成的文件中，我们只有一个场景，所以它将是0。
• “scenes”是描述需要渲染以显示该场景的对象的场景数组。这些对象称为“节点”，我们在“场景”中的“节点”标签以 [0， 1， 2] 作为其值。

节点

"nodes" : [        {            "mesh" : 0,            "name" : "Cube"        },        {            "name" : "Light",            "rotation" : [                0.16907551884651184,                0.7558804154396057,                -0.2721710503101349,                0.5709475874900818            ],            "translation" : [                4.076250076293945,                5.903860092163086,                -1.0054500102996826            ]        },        {            "name" : "Camera",            "rotation" : [                0.483536034822464,                0.33687159419059753,                -0.20870360732078552,                0.7804827094078064            ],            "translation" : [                7.358890056610107,                4.958310127258301,                6.925789833068848            ]        }    ],

• “节点”是将要渲染的实际对象，“name”字段是可选的，但大多数 3D 建模工具会为每个对象生成一个名称。请注意这些名称如何与搅拌机场景中的名称相对应。
• “网格”是我们节点的第一个属性，“网格”是我们对象的几何体，稍后会描述。在这里，我们指定此场景的节点中包含哪个网格。
• 它还包含有关这些物体的初始转换的信息，特别是对于我们的相机和光线，还记得两者都有位置和旋转吗？好吧，它们也包括在这里，只需注意 3 件事：
• Y 轴和 Z 轴已从 -Y 更改为 +Z。
• 在 Json 文件中，旋转的顺序为 X、Y、Z、W，在 Blender 中为 W、X、Y、Z。
• 旋转存储为四元数，而不是矩阵或欧拉角。在编写渲染器代码时，我们需要牢记这一点。

材料

推荐使用GTLF编辑器来3D模型的材质属性。

"materials" : [        {            "doubleSided" : true,            "emissiveFactor" : [                0,                0,                0            ],            "name" : "Material",            "pbrMetallicRoughness" : {                "baseColorFactor" : [                    0.800000011920929,                    0.800000011920929,                    0.800000011920929,                    1                ],                "metallicFactor" : 0,                "roughnessFactor" : 0.4000000059604645            }        }    ],

• “材料”是下一个条目，它将指定我们的几何构成的表面的属性。
• “双面”指定我们的多边形面是否将被剔除，具体取决于它们的缠绕顺序。此设置可以直接在建模工具中指定，在Blender中，它在材料设置中

图4.在搅拌机中指定剔除参数

• 我们的样本未使用“发射因子”
• “名称”是材料，名称，它与您在Blender中分配的材料名称相匹配。
• “pbr金属粗糙度”是 PBR 渲染中使用的基色、金属和粗糙度的参数值，它们与材质节点的设置相匹配：

图5.搅拌机的材料描述;基色为：R： 0.8克： 0.8深： 0.8A： 1.0 金属色设置为 0 粗糙度设置为 0.4

网 格

"meshes" : [        {            "name" : "Cube",            "primitives" : [                {                    "attributes" : {                        "POSITION" : 0,                        "NORMAL" : 1,                        "TEXCOORD_0" : 2                    },                    "indices" : 3,                    "material" : 0                }            ]        }    ],

• “网格”：此属性将我们的几何体描述为由多个属性构建的基元;我们的立方体将具有：
• 属性：
• 顶点位置：“位置”
• 顶点法线：“正常”
• 纹理坐标：“TEXCOORD_0”
• 将定义创建每个三角形的顶点的索引。
• 我们的网格将使用的材料。

访问

"accessors" : [        {            "bufferView" : 0,            "componentType" : 5126,            "count" : 24,            "max" : [                1,                1,                1            ],            "min" : [                -1,                -1,                -1            ],            "type" : "VEC3"        },        {            "bufferView" : 1,            "componentType" : 5126,            "count" : 24,            "type" : "VEC3"        },        {            "bufferView" : 2,            "componentType" : 5126,            "count" : 24,            "type" : "VEC2"        },        {            "bufferView" : 3,            "componentType" : 5123,            "count" : 36,            "type" : "SCALAR"        }    ],

• “访问器”是我们访问存储所有强大数据的二进制文件的方式，并检索渲染几何体所需的数据。多维数据集的二进制文件具有：
• 顶点位置、法线、纹理坐标和索引。
• 每个访问器从缓冲区视图中获取数据，它将获取数据类型“类型”的数字“计数”，该数据类型的每个组件也具有特定的“组件类型”。
• 第一个访问器将获取 24（“计数”）VEC3（“类型”），该 VEC3 的每个组件都是一个浮点数（“componentType”），因此总共它将获取 24*3 个浮点数
• 第二个访问器获取相同数量的数据，但从不同的缓冲区视图中，这对应于我们的顶点法线。
• 第三个访问器获取 24 个浮点型 VEC2，这些是纹理坐标。
• 最后一个访问器获取 36 个短整数，这些是将组装我们的三角形的索引的标量。
• 有关访问器类型的详细信息：https://github.com/KhronosGroup/glTF/tree/master/specification/2.0#accessors

缓冲区和缓冲区视图

"bufferViews" : [        {            "buffer" : 0,            "byteLength" : 288,            "byteOffset" : 0        },        {            "buffer" : 0,            "byteLength" : 288,            "byteOffset" : 288        },        {            "buffer" : 0,            "byteLength" : 192,            "byteOffset" : 576        },        {            "buffer" : 0,            "byteLength" : 72,            "byteOffset" : 768        }    ],

• “bufferViews”表示缓冲区中包含的数据块。它们使用索引“缓冲区”指向特定的缓冲区，并且该缓冲区中的数据由“byteOffset”和“byteLength”分隔。
• bufferView 0 指向缓冲区 0，它的偏移量为 0，长度为 288 字节。将此数据与我们的访问器结构匹配，您可以看到顶点位置存储在缓冲区的这一部分中，并使用此缓冲区视图进行访问。

"buffers" : [        {            "byteLength" : 840,            "uri" : "DefaultCube.bin"        }    ]

“缓冲区”指定我们的数据所在的位置及其大小。这意味着我们的立方体的几何形状存储在“DefaultCube.bin”

将数据提取到C++应用程序 – 使用 nlohmann/json

我们现在知道我们需要获取的数据在哪里，但我们仍然需要一种方法来获取它。

市面上有多个 Json 解释器，但我决定使用这个：

https://github.com/nlohmann/json

因为它可以用作单个标头并且易于使用。

包含“nlohmann/json.hpp”标头并添加命名空间后，可以使用下面的代码将整个 json 文件填充到可解析的 json 对象中。

#include "nlohmann/json.hpp" using json = nlohmann::json; int main(){    std::ifstream input("Content/DefaultCube.gltf");    if (!input)    {        std::cout << "Could not find gltf file" << std::endl;        return -1;    } json cubeFile;    input >> cubeFile;

拥有此对象后，如果需要，可以逐个访问属性：

例如，要提取“场景”属性：

json scenes = cubeFile["scenes"];

如果你打印出场景的内容，你会得到这个：

[{“名称”：“场景”，“节点”：[0，1，2]}]

该库还使您可以轻松访问存储在其中的各个值，假设您想从“scenes”属性访问节点索引并将它们存储在int向量中：

json nodeOverview = scenes[0]["nodes"];    std::vector nodeIndices;    nodeIndices.resize(nodeOverview.size());    for (uint32_t i = 0; i < nodeIndices.size(); i++)    {        nodeIndices[i] = nodeOverview[i];    }

使用Niels Lohmann的这个很酷的json工具，我们可以继续开始从Json和bin文件中填充数据结构。

对于此项目，我们将提取：

网格 – 位置、法线、坐标、索引和材料。

相机 – 位置和旋转。

光 – 位置和旋转。

唯一需要从.bin文件中提取其他信息的是网格。

存储数据

现在，我们将它存储在易于访问的结构中，我使用 glm （https://glm.g-truc.net/0.9.9/index.html ） 作为它们的向量和矩阵结构及其各种数学函数;glm 很方便，因为它已经包含了 vec3 和 vec2 的定义，可以直接与我们的 glTF 文件中的 VEC3 和 VEC2 匹配。从下面的结构中可以看出，我将使用这些类型的向量来存储我的网格数据。

struct pbrMaterial {    glm::vec4 color;    float metallicFactor;    float roughnessFactor;}; struct mesh {    std::string name;    std::vector positions;    std::vector normals;    std::vector texCoords;    std::vector indices;    std::vector materials;

从文件中获取网格数据需要我们：

• 读取 nodes 属性并解析它以检查其中的“mesh”属性：

json nodes = cubeFile["nodes"];for (uint32_t i = 0; i < nodes.size(); i++){  if (nodes[i].find("mesh") != nodes[i].end())  {    //There is a mesh in this node:

• 如果 “nodes” 属性中有一个 mesh 属性，然后存储它指向的网格索引，这个索引会让你知道你会从 “meshes” 属性中选择哪个数组元素：

json node = nodes[i];int meshIndex = node["mesh"];

• 使用此索引，您现在可以解析 “meshes” 属性，并在 “mesh” 的 “primives” 属性中查找我们想要查找的相应“属性”;找到要查找的属性后，它将为您提供“accessor”属性的索引
• 日清

json meshes = cubeFile["meshes"];json meshPrimitives = meshes[meshIndex]["primitives"];if (meshPrimitives[0]["attributes"].find("POSITION") !=    meshPrimitives[0]["attributes"].end()){  positionAccessorIndex = meshPrimitives[0]["attributes"]["POSITION"];}

• 现在您知道了访问器索引，您已经拥有了从二进制文件中获取实际数据所需的一切！！
• accessor[positionAccessorIndex][“count”] 会让你知道你需要为多少个数据类型的元素分配。
• accessor[positionAccessorIndex][“bufferView”] 会告诉你要访问哪个缓冲区视图索引，bufferViewIndex。
• bufferView[bufferViewIndex][“byteLength”] 将为您提供将从缓冲区获取的字节数。
• bufferView[bufferViewIndex][“byteOffset”] 提供偏移量，您可以在缓冲区中找到属性。

json accessors = cubeFile["accessors"];json bufferViews = cubeFile["bufferViews"]; std::ifstream binFile("Content/DefaultCube.bin", std::ios_base::binary); meshes.positions.resize(accessors[cubeScene.meshes[0].positionAccessorIndex]["count"]); uint32_t bufferViewIndex = accessors[positionAccessorIndex]["bufferView"];uint32_t bytesCount = bufferViews[bufferViewIndex]["byteLength"];uint32_t byteOffset = bufferViews[bufferViewIndex]["byteOffset"];binFile.seekg(0);binFile.seekg(byteOffset);binFile.read((char *)meshes.positions.data(), bytesCount);

完成此步骤后，您的仓位即可发送到任何图形 API。

将数据馈送到 Vulkan 图形管道

大部分代码是直接从以下位置窃取的：

https://github.com/Overv/VulkanTutorial/blob/master/code/27_model_loading.cpp

删除了他们的tinyobjloader依赖项，并添加了我们自己的原始glTF解析器来获取顶点和正常数据。

图6.由 Vulkan 图形管道呈现的默认立方体。

由3D建模学习工作室 整理翻译，转载请注明出处！