Python+OpenGL绘制3D模型（六）材质文件载入和贴图映射

系列文章

一、逆向工程
Sketchup 逆向工程（一）破解.skp文件数据结构
Sketchup 逆向工程（二）分析三维模型数据结构
Sketchup 逆向工程（三）软件逆向工程从何处入手
Sketchup 逆向工程（四）破解的乐趣 钩子 外挂 代码注入

二、OpenGL渲染模型
Python+OpenGL绘制3D模型（一）Python 和 PyQt环境搭建
Python+OpenGL绘制3D模型（二）程序框架PyQt5
Python+OpenGL绘制3D模型（三）程序框架PyQt6
Python+OpenGL绘制3D模型（四）绘制线段
Python+OpenGL绘制3D模型（五）绘制三角型
Python+OpenGL绘制3D模型（六）材质文件载入和贴图映射
Python+OpenGL绘制3D模型（七）制作3dsmax导出插件
Python+OpenGL 杂谈（一）

三、成果
疫情期间关在家里实在没事干，破解了Sketchup，成功做出可以读取并显示.skp文件的程序SuViewer

前言

Sketchup作为目前设计院最为流行的设计软件(非工程制图软件），深受设计师的喜爱，软件小巧，而功能强大，有不少为之开发的插件应运而生，不过呢，关于底层数据结构和工作原理相关的文章少之又少，本文意在填补一下这方面的空缺，通过逆向软件分析，展示软件内部奥秘。本文用到的工具：IDA Pro，Immunity Debugger，Visual Studio （逆向工程三件套）数据结构属于知识产权的核心机密：

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Python+OpenGL绘制3D模型（六）材质文件载入和贴图映射

运行效果：

一、从文件读取贴图

记得以前用c++写的时候，要编译链接图像库，用于对应图片格式的加载，每个用到的格式都要单独搞一遍，在网上找开源的图片库，下载，编译，测试，一套下来搞的人很累，现在，因为有Qt的加持，载入贴图变得非常简单，全部交给Qt来做，只需要几行代码

def load_texture_from_file( filepath ):
    with open(filepath, 'rb') as hf:
        data = hf.read()
    
    image = QImage()
    valid = image.loadFromData(data)
    if not valid:
        return False
        
    gl_tex_obj = QOpenGLTexture(image.mirrored())
    return gl_tex_obj

图片载入到Qt后，还需要调用OpenGL的库加载贴图数据，另外Qt的图片坐标Y轴是向下增加的，符合显示屏幕坐标的习惯，而OpenGL中的Y轴坐标是正常向上的，所以Y轴需要mirror处理一下

is_built = False
gl_tex = None

def draw(gl):
    global is_built, gl_tex
    
    if not is_built:
        gl_tex = load_texture_from_file("c:/temp/cg.jpg")
        is_built = True

为了代码保持简洁，简化接口，不要把简单的事情复杂化：
1、载入贴图后，对象保存到全局对象中，
2、载入模型的初始工作也内嵌到draw函数中执行，这种思维在项目越做越大也仍然实用
3、贴图路径使用了硬编码方式的绝对路径，在没有形成一个模型框架的时候，暂且用这种方式对测试减少不少工作量

演示用到的贴图文件下载：

二、glBindTexture

在绘制模型前，设置一下OpenGL的状态机，调用glBindTexture指定当前纹理单元的数据，然后调用glEnable(GL_TEXTURE)激活纹理单元，因为有贴图作为像素的输入颜色，所以颜色设为纯白

    gl.glDisable(gl.GL_TEXTURE_2D)
    gl.glColor3f(0.9, 0.83, 0.6)
    
    # 绘制上下2个面
    draw_single_face(p1, p2, p3, p4, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p5, p6, p7, p8, uv1,  uv2,  uv3,  uv4,  gl)
    
    gl_tex.bind()
    gl.glEnable(gl.GL_TEXTURE_2D)
    gl.glColor3f(1, 1, 1)
	
	# 绘制其他４个面，前，后，左，有
    draw_single_face(p1, p2, p6, p5, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p3, p4, p8, p7, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)

    draw_single_face(p2, p3, p7, p6, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p4, p1, p5, p8, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)

在本例中，前后左右的面映射了贴图，上下2个面仍然用了原来的模型颜色（淡黄色）

三、指定贴图坐标

在调用glVertex3f之前，需要先指定顶点的贴图坐标属性，调用glTexCoord2f

    gl.glBegin(gl.GL_TRIANGLES)
    # 第一个顶点
    gl.glTexCoord2f( ... )
    gl.glVertex3f( ... )
    # 第二个顶点
    gl.glTexCoord2f( ... )
    gl.glVertex3f( ... )
    # 第三个顶点
    gl.glTexCoord2f( ... )
    gl.glVertex3f( ... )
    # 完成
    gl.glEnd()

四、运行图效果

五、2个问题和原因

第一、模型的位置有点高：

这是应为camera坐标系的中心为（０，０，０）, 而模型高度是从 0.0 到 2.0，要调整一下中心坐标，可以通过设置概念上的world matrix沿Z轴往下移动1.0个单位，模型就居中了，目前程序框架里控制视角的平移，也可以通过这个方法来解决，不过我还是打算在之后引入Camera对象的计算，计算的逻辑思维更清晰，不容易出错

    # Camera
    self.gl.glMatrixMode(self.gl.GL_MODELVIEW)
    self.gl.glLoadIdentity()
    
    self.gl.glTranslatef(0.0,0.0,-self.zoom)
    self.gl.glRotatef(self.rotX-90,1.0,0.0,0.0)
    self.gl.glRotatef(self.rotZ,0.0,0.0,1.0)
	
	# World
    self.gl.glTranslatef(0.0,0.0,-1.0)  # 在这里加上对world matrix的改变

这里的矩阵叠加，是按照相反的顺序乘积的，比较容易搞错，OpenGL中有个机制 PushMatrix PopMatrix，也就是说后面加入的矩阵，可以通过PopMatrix来恢复到之前的矩阵乘积的状态，越靠后面加进来的矩阵，代表子物体的矩阵，在运算中最先乘这个矩阵

第二、当模型放大的时候，近的地方会被切掉

调整下几行代码，

    # Projection
    self.gl.glMatrixMode(self.gl.GL_PROJECTION)
    pm = QMatrix4x4()
    aspectRatio = w/h
    fov = 45 / aspectRatio if w < h else 45
    pm.perspective(fov,  w/h,  2,  5000)
    self.gl.glLoadMatrixf(pm.data())

这里是设置透视投影矩阵的代码，pm.perspective(fov, w/h, 2, 5000)，这个函数调用的最后２个参数，分别代表了近裁剪平面（z-buff=0.0），和远裁剪平面（z-buff=1.0），这2个值明显不太匹配当前场景的大小，每次应该根据当前场景大小来适当选择取值范围

    pm.perspective(fov,  w/h,  0.1,  100)

改成 0.1 到 100 的范围，就能够比较适配当前的测试模型

到此我们已经能够绘制一个完整的模型，不过模型数据来源还没解决，不能显示复杂的模型，下节我们要讲一个模型数据来源的通用方法，通过编写一个3dsmax插件导出模型，因为3dsmax也支持python，所以下节我们用很少的python代码来完成一个复杂的模型导出插件

六、源代码

1、Draw1.py

from PyQt5.QtGui import QVector3D, QVector2D, QImage,  QOpenGLTexture

################################
#                   FILE DESCRIPTION
#  文件描述：load_texture_and_bind()
#  对应文章：Python+OpenGL绘制3D模型（六） 载入贴图及映射到模型
#  作者：李航 Lihang
#
################################

is_built = False
gl_tex = None

def draw(gl):
    global is_built, gl_tex
    
    if not is_built:
        gl_tex = load_texture_from_file("c:/temp/cg.jpg")
        is_built = True
    
    # 设置z-buff偏移
    gl.glEnable(gl.GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
    gl.glPolygonOffset(1, 1)
    
    # 绘制填充面
    draw_box_faces(gl_tex, gl)
    
    # 关闭z-buff偏移
    gl.glDisable(gl.GL_POLYGON_OFFSET_FILL)
    
    # 绘制线框
    gl.glColor3f(0.0, 0.0, 0.0)
    draw_box_lines(gl)
    
def load_texture_from_file( filepath ):
    with open(filepath, 'rb') as hf:
        data = hf.read()
    
    image = QImage()
    valid = image.loadFromData(data)
    if not valid:
        return False
        
    gl_tex_obj = QOpenGLTexture(image.mirrored())
    return gl_tex_obj

############
# draw_box_faces
#   画面 - 中间的填充部分
############
def draw_box_faces(gl_tex, gl):
    p1 = QVector3D(-1, -1, 0 )
    p2 = QVector3D(+1, -1, 0 )
    p3 = QVector3D(+1, +1, 0 )
    p4 = QVector3D(-1, +1, 0 )
    p5 = QVector3D(-1, -1, 2 )
    p6 = QVector3D(+1, -1, 2 )
    p7 = QVector3D(+1, +1, 2 )
    p8 = QVector3D(-1, +1, 2 )
    
    uv1 = QVector2D(0, 0)
    uv2 = QVector2D(1, 0)
    uv3 = QVector2D(1, 1)
    uv4 = QVector2D(0, 1)
    
    gl.glDisable(gl.GL_TEXTURE_2D)
    gl.glColor3f(0.9, 0.83, 0.6)
    
    draw_single_face(p1, p2, p3, p4, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p5, p6, p7, p8, uv1,  uv2,  uv3,  uv4,  gl)
    
    gl_tex.bind()
    gl.glEnable(gl.GL_TEXTURE_2D)
    gl.glColor3f(1, 1, 1)
 
    draw_single_face(p1, p2, p6, p5, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p3, p4, p8, p7, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)

    draw_single_face(p2, p3, p7, p6, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)
    draw_single_face(p4, p1, p5, p8, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl)

def draw_single_face(p1, p2, p3, p4, uv1,  uv2,  uv3,  uv4, gl):
    gl.glBegin(gl.GL_TRIANGLES)
    gl.glTexCoord2f(uv1.x(), uv1.y())
    gl.glVertex3f(p1.x(),  p1.y(), p1.z())
    gl.glTexCoord2f(uv2.x(), uv2.y())
    gl.glVertex3f(p2.x(),  p2.y(), p2.z())
    gl.glTexCoord2f(uv3.x(), uv3.y())
    gl.glVertex3f(p3.x(),  p3.y(), p3.z())
    gl.glEnd()

    gl.glBegin(gl.GL_TRIANGLES)
    gl.glTexCoord2f(uv3.x(), uv3.y())
    gl.glVertex3f(p3.x(),  p3.y(), p3.z())
    gl.glTexCoord2f(uv4.x(), uv4.y())
    gl.glVertex3f(p4.x(),  p4.y(), p4.z())
    gl.glTexCoord2f(uv1.x(), uv1.y())
    gl.glVertex3f(p1.x(),  p1.y(), p1.z())
    gl.glEnd()

############
# draw_box_lines
#   画面 - 外侧的线
############
def draw_box_lines(gl):
    p1 = QVector3D(-1, -1, 0 )
    p2 = QVector3D(+1, -1, 0 )
    p3 = QVector3D(+1, +1, 0 )
    p4 = QVector3D(-1, +1, 0 )
    p5 = QVector3D(-1, -1, 2 )
    p6 = QVector3D(+1, -1, 2 )
    p7 = QVector3D(+1, +1, 2 )
    p8 = QVector3D(-1, +1, 2 )
    
    # 一个立方体有12条边
    draw_single_line( p1, p2, gl )
    draw_single_line( p2, p3, gl )
    draw_single_line( p3, p4, gl )
    draw_single_line( p4, p1, gl )

    draw_single_line( p5, p6, gl )
    draw_single_line( p6, p7, gl )
    draw_single_line( p7, p8, gl )
    draw_single_line( p8, p5, gl )

    draw_single_line( p1, p5, gl )
    draw_single_line( p2, p6, gl )
    draw_single_line( p3, p7, gl )
    draw_single_line( p4, p8, gl )

def draw_single_line(p1, p2, gl):
    gl.glBegin(gl.GL_LINES)
    gl.glVertex3d(p1.x(),  p1.y(), p1.z())
    gl.glVertex3d(p2.x(),  p2.y(), p2.z())
    gl.glEnd()

2、tOpenGLqt5.py

import sys
from PyQt5.QtCore import (QPoint)
from PyQt5.QtGui import (QMatrix4x4, QVector3D, QOpenGLVersionProfile)
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QOpenGLWidget

from Draw1 import draw

############
# GLWidget
# OpenGL 窗口通用程序框架
#   1、创建OpenGL环境
#   2、设置矩阵
#   3、控制窗口视角
#   4、调用 draw 绘图主函数
############
class GLWidget(QOpenGLWidget):
    def __init__(self, parent):
        super(GLWidget, self).__init__( parent)
        self.dragPressPos = QPoint()
        self.rotX=45
        self.rotZ=0
        self.ps_button = 0
        self.ps_rotX = 0
        self.ps_rotZ = 0
        self.zoom=10

    ############
    # 创建OpenGL环境
    # Qt6 和 Qt5的主要区别在这里
    ############
    def initializeGL(self):
        version_profile = QOpenGLVersionProfile()
        version_profile.setVersion(2, 0)
        self.gl = self.context().versionFunctions(version_profile)
        self.gl.initializeOpenGLFunctions()
        
    ############
    # paintEvent
    ############
    def paintEvent(self,  event):
        # Step 0
        self.makeCurrent()

        # Step 1
        self.gl.glClearColor(0.85, 0.85, 0.85, 1.0)
        self.gl.glClear(self.gl.GL_COLOR_BUFFER_BIT | self.gl.GL_DEPTH_BUFFER_BIT)
        self.gl.glEnable(self.gl.GL_DEPTH_TEST)
        
        # Step 2
        self.SetupMatrix()
        
        # Step 3
        draw(self.gl)
        #self.drawTarget(self.gl)

    ############
    # 绘图
    # 这里是个绘图的简单测试代码
    ############
    def drawTarget(self, gl):
        p = QVector3D(0, 0, 0)
        
        gl.glColor3f(1.0, 0.0, 0.0);
        gl.glBegin(gl.GL_LINES)
        gl.glVertex3d(p.x()-1,  p.y(),  p.z()  )
        gl.glVertex3d(p.x()+1,  p.y(),  p.z() )
        gl.glEnd()
        
        gl.glColor3f(0.0, 1.0, 0.0);
        gl.glBegin(gl.GL_LINES)
        gl.glVertex3d(p.x(),  p.y()-1,  p.z()  )
        gl.glVertex3d(p.x(),  p.y()+1,  p.z() )
        gl.glEnd()
        
        gl.glColor3f(0.0, 0.0, 1.0);
        gl.glBegin(gl.GL_LINES)
        gl.glVertex3d(p.x(),  p.y(),  p.z()  )
        gl.glVertex3d(p.x(),  p.y(),  p.z() +4 )
        gl.glEnd()

    ############
    # 设置矩阵
    # 透视矩阵和Camera矩阵
    ############
    def SetupMatrix(self):
        # ViewPort
        w = self.width()
        h = self.height()
        self.gl.glViewport(0, 0, w, h)  
        
        # Projection
        self.gl.glMatrixMode(self.gl.GL_PROJECTION)
        pm = QMatrix4x4()
        aspectRatio = w/h
        fov = 45 / aspectRatio if w < h else 45
        pm.perspective(fov,  w/h,  0.1,  100)
        self.gl.glLoadMatrixf(pm.data())
        
        # Camera
        self.gl.glMatrixMode(self.gl.GL_MODELVIEW)
        self.gl.glLoadIdentity()
        
        self.gl.glTranslatef(0.0,0.0,-self.zoom)
        self.gl.glRotatef(self.rotX-90,1.0,0.0,0.0)
        self.gl.glRotatef(self.rotZ,0.0,0.0,1.0)
        
	    # World
        self.gl.glTranslatef(0.0,0.0,-1)  # 在这里加上对world matrix的改变
        
    ############
    # 视角控制
    # 1、左键旋转
    # 2、中间缩放
    # 3、平移 **TODO**
    ############
    def mousePressEvent(self,event):
        self.dragPressPos = event.pos()
        
        self.ps_button = event.button()
        self.ps_rotX = self.rotX
        self.ps_rotZ = self.rotZ
        
    def mouseMoveEvent(self, event):
        diff = event.pos() - self.dragPressPos
        if self.ps_button == 1:
            self.rotX = self.ps_rotX + diff.y()*0.5
            if self.rotX > 90:
                self.rotX = 90
            if self.rotX < -90:
                self.rotX = -90;            
            # rotZ
            self.rotZ = self.ps_rotZ + diff.x()*0.5

        self.repaint()

    def wheelEvent(self, event):
        delta = event.angleDelta().y()

        if delta < 0 :
            self.zoom += self.zoom * 0.2
        else:
            self.zoom -= self.zoom * 0.2
        
        self.repaint()

############
# App
# 创建主窗口应用程序
# 并且进入消息循环
############
if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    widget = GLWidget(None)
    widget.resize(640, 480)
    widget.show()
    sys.exit(app.exec())

系列文章预告

目标是一个完善的Viewer，能够显示Sketchup的.skp文件中的3D模型

Corona渲染器照片级渲染效果