C++解析obj模型文件方法介紹

更新時間：2022年09月05日 09:05:28 作者：略游

由于本人打算使用Assimp來加載模型，這里記錄一下tinyobjloader庫的使用。之前也研究過fbxsdk，除了骨骼動畫暫未讀取外，代碼自認(rèn)為還算可靠

一、前言

tinyobjloader地址：

而tinyobjloader庫只有一個頭文件，可以很方便的讀取obj文件。支持材質(zhì)，不過不支持骨骼動畫，vulkan官方教程便是使用的它。不過沒有骨骼動畫還是有很大的局限性，這里只是分享一下怎么讀取材質(zhì)和拆分網(wǎng)格。

二、中間文件

我抽象了一個ModelObject類表示模型數(shù)據(jù)，而一個ModelObject包含多個Sub模型，每個Sub模型使用同一材質(zhì)（有的人稱為圖元Primitive或DrawCall）。最后我將其保存為文件，這樣我的引擎便可直接解析ModelObject文件，而不是再去讀obj、fbx等其他文件了。

這一節(jié)可以跳過，下一節(jié)是真正使用tinyobjloader庫。

//一個文件會有多個ModelObject，一個ModelObject根據(jù)材質(zhì)分為多個ModelSub
//注意ModelSub為一個材質(zhì)，需要讀取時合并網(wǎng)格
class ModelObject
{
	friend class VK;
public:
	//從源文件加載模型
	static vector<ModelObject*> Create(string_view path_name);
	void Load(string_view path_name);
	//保存到文件
	void SaveToFile(string_view path_name);
private:
	vector<ModelObjectSub> _allSub; //下標(biāo)減1 為材質(zhì)，0為沒有材質(zhì)
	vector<Vertex> _allVertex;//頂點緩存
	vector<uint32_t> _allIndex;//索引緩存
	vector<ModelObjectMaterial> _allMaterial;//所有材質(zhì)
	//------------------不同格式加載實現(xiàn)--------------------------------
	//obj
	static vector<ModelObject*> _load_obj(string_view path_name);
	static vector<ModelObject*> _load_obj_2(string_view path_name);
};

ModelObjectSub只是表示在索引緩存的一段范圍：

//模型三角形范圍
struct ModelTriangleRange
{
	ModelTriangleRange() :
		_countTriangle{ 0 },
		_offsetIndex{ 0 }
	{}
	size_t _countTriangle;
	size_t _offsetIndex;
};
//子模型對象 范圍
struct ModelObjectSub
{
	ModelTriangleRange _range;
};

而ModelObjectMaterial表示模型材質(zhì)：

//! 材質(zhì)
struct Material
{
	glm::vec4 _diffuseAlbedo;//漫反射率
	glm::vec3 _fresnelR0;	//菲涅耳系數(shù)
	float _roughness;		//粗糙度
};
//模型對象 材質(zhì)
struct ModelObjectMaterial
{
	//最后轉(zhuǎn)為Model時，變?yōu)榭梢杂玫闹髻Y源
	Material _material;
	string _materialName;
	//路徑為空，則表示沒有（VK加載時會返回0）
	string _pathTexDiffuse;
	string _pathTexNormal;
};

三、使用

首先引入頭文件：

#define TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION
#include <tiny_obj_loader.h>

接口原型，將obj文件變?yōu)槎鄠€ModelObject：

vector<ModelObject*> ModelObject::_load_obj_2(string_view path_name);

取得文件名，和文件所在路徑（會自動加載路徑下的同名mtl文件，里面包含了材質(zhì)）：

string str_path = string{ path_name };
string str_base = String::EraseFilename(path_name);
const char* filename = str_path.c_str();
const char* basepath = str_base.c_str();

基本數(shù)據(jù)：

debug(format("開始加載obj文件：{}，{}", filename, basepath));
bool triangulate = true;//三角化
tinyobj::attrib_t attrib; // 所有的數(shù)據(jù)放在這里
std::vector<tinyobj::shape_t> shapes;//子模型
std::vector<tinyobj::material_t> materials;//材質(zhì)
std::string warn;
std::string err;

加載并打印一些信息：

bool b_read = tinyobj::LoadObj(&attrib, &shapes, &materials, &warn, &err, filename,
	basepath, triangulate);
//打印錯誤
if (!warn.empty())
	debug_warn(warn);
if (!err.empty()) 
	debug_err(err);
if (!b_read)
{
	debug_err(format("讀取obj文件失?。簕}", path_name));
	return {};
}
debug(format("頂點數(shù)：{}", attrib.vertices.size() / 3));
debug(format("法線數(shù)：{}", attrib.normals.size() / 3));
debug(format("UV數(shù)：{}", attrib.texcoords.size() / 2));
debug(format("子模型數(shù)：{}", shapes.size()));
debug(format("材質(zhì)數(shù)：{}", materials.size()));

這將打印以下數(shù)據(jù)：

由于obj文件只產(chǎn)生一個ModelObject，我們?nèi)缦绿砑右粋€，并返回頂點、索引、材質(zhì)等引用，用于后面填充：

//obj只有一個ModelObject
vector<ModelObject*> ret;
ModelObject* model_object = new ModelObject;
std::vector<Vertex>& mo_vertices = model_object->_allVertex;
std::vector<uint32_t>& mo_indices = model_object->_allIndex;
vector<ModelObjectMaterial>& mo_material = model_object->_allMaterial;
ret.push_back(model_object);

首先記錄材質(zhì)信息：

//------------------獲取材質(zhì)-------------------
mo_material.resize(materials.size());
for (size_t i = 0; i < materials.size(); ++i)
{
	tinyobj::material_t m = materials[i];
	debug(format("材質(zhì)：{}，{}", i, m.name));
	ModelObjectMaterial& material = model_object->_allMaterial[i];
	material._materialName = m.name;
	material._material._diffuseAlbedo = { m.diffuse[0], m.diffuse[1], m.diffuse[2], 1.0f };
	material._material._fresnelR0 = { m.specular[0], m.specular[1], m.specular[2] };
	material._material._roughness = ShininessToRoughness(m.shininess);
	if(!m.diffuse_texname.empty())
		material._pathTexDiffuse = str_base + m.diffuse_texname;
	if (!m.normal_texname.empty())
		material._pathTexNormal = str_base + m.normal_texname;
}

這將產(chǎn)生以下輸出：

然后遍歷shape，按材質(zhì)記錄頂點。這里需要注意的是，一個obj文件有多個shape，每個shape由n個三角面組成。而每個三角形擁有獨立的材質(zhì)編號，所以這里按材質(zhì)分別記錄，而不是一般的合并為整體：

//------------------獲取模型-------------------
//按 材質(zhì) 放入面的頂點
vector<vector<tinyobj::index_t>> all_sub;
all_sub.resize(1 + materials.size());//0為默認(rèn)
for (size_t i = 0; i < shapes.size(); i++) 
{//每一個子shape
	tinyobj::shape_t& shape = shapes[i];
	size_t num_index = shape.mesh.indices.size();
	size_t num_face = shape.mesh.num_face_vertices.size();
	debug(format("讀取子模型：{}，{}", i, shape.name));
	debug(format("索引數(shù)：{}；面數(shù)：{}", num_index, num_face));
	//當(dāng)前mesh下標(biāo)（每個面遞增3）
	size_t index_offset = 0;
	//每一個面
	for (size_t j = 0; j < num_face; ++j)
	{
		int index_mat = shape.mesh.material_ids[j];//每個面的材質(zhì)
		vector<tinyobj::index_t>& sub_idx = all_sub[1 + index_mat];
		sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
		sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
		sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
	}
}

按材質(zhì)記錄頂點的索引（tinyobj::index_t）后，接下來就是讀取頂點的實際數(shù)據(jù)，并防止重復(fù)讀取：

//生成子模型，并填入頂點
std::unordered_map<tinyobj::index_t, size_t, hash_idx, equal_idx>
	uniqueVertices;//避免重復(fù)插入頂點
size_t i = 0;
for (vector<tinyobj::index_t>& sub_idx : all_sub)
{
	ModelObjectSub sub;
	sub._range._offsetIndex = i;
	sub._range._countTriangle = sub_idx.size() / 3;
	model_object->_allSub.push_back(sub);
	for (tinyobj::index_t& idx : sub_idx)
	{
		auto iter = uniqueVertices.find(idx);
		if (iter == uniqueVertices.end())
		{
			Vertex v;
			//v
			v._pos[0] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 0];
			v._pos[1] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 1];
			v._pos[2] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 2];
			// vt
			v._texCoord[0] = attrib.texcoords[idx.texcoord_index * 2 + 0];
			v._texCoord[1] = attrib.texcoords[idx.texcoord_index * 2 + 1];
			v._texCoord[1] = 1.0f - v._texCoord[1];
			uniqueVertices[idx] = mo_vertices.size();
			mo_indices.push_back((uint32_t)mo_vertices.size());
			mo_vertices.push_back(v);
		}
		else
		{
			mo_indices.push_back((uint32_t)iter->second);
		}
		++i;
	}
}
debug(format("解析obj模型完成：v{}，i{}", mo_vertices.size(), mo_indices.size()));
return ret;

上面用到的哈希函數(shù)：

struct equal_idx
{
	bool operator()(const tinyobj::index_t& a, const tinyobj::index_t& b) const
	{
		return a.vertex_index == b.vertex_index
			&& a.texcoord_index == b.texcoord_index
			&& a.normal_index == b.normal_index;
	}
};
struct hash_idx 
{
	size_t operator()(const tinyobj::index_t& a) const
	{
		return ((a.vertex_index
			^ a.texcoord_index << 1) >> 1)
			^ (a.normal_index << 1);
	}
};

最后打印出來的數(shù)據(jù)如下：

對于材質(zhì)的處理，漫反射貼圖即是基本貼圖，而法線（凹凸）貼圖、漫反射率、菲涅耳系數(shù)、光滑度等需要渲染管線支持并與光照計算產(chǎn)生效果。

四、完整代碼

可以此處獲取最新的源碼（我會改用Assimp，并添加骨骼動畫、Blinn-Phong光照模型），也可以用后面的：傳送門

如果有用，歡迎點贊、收藏、關(guān)注，我將更新更多C++相關(guān)的文章。

#define TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION
#include <tiny_obj_loader.h>
struct equal_idx
{
	bool operator()(const tinyobj::index_t& a, const tinyobj::index_t& b) const
	{
		return a.vertex_index == b.vertex_index
			&& a.texcoord_index == b.texcoord_index
			&& a.normal_index == b.normal_index;
	}
};
struct hash_idx 
{
	size_t operator()(const tinyobj::index_t& a) const
	{
		return ((a.vertex_index
			^ a.texcoord_index << 1) >> 1)
			^ (a.normal_index << 1);
	}
};
float ShininessToRoughness(float Ypoint)
{
	float a = -1;
	float b = 2;
	float c;
	c = (Ypoint / 100) - 1;
	float D;
	D = b * b - (4 * a * c);
	float x1;
	x1 = (-b + sqrt(D)) / (2 * a);
	return x1;
}
vector<ModelObject*> ModelObject::_load_obj_2(string_view path_name)
{
	string str_path = string{ path_name };
	string str_base = String::EraseFilename(path_name);
	const char* filename = str_path.c_str();
	const char* basepath = str_base.c_str();
	bool triangulate = true;
	debug(format("開始加載obj文件：{}，{}", filename, basepath));
	tinyobj::attrib_t attrib; // 所有的數(shù)據(jù)放在這里
	std::vector<tinyobj::shape_t> shapes;//子模型
	std::vector<tinyobj::material_t> materials;
	std::string warn;
	std::string err;
	bool b_read = tinyobj::LoadObj(&attrib, &shapes, &materials, &warn, &err, filename,
		basepath, triangulate);
	//打印錯誤
	if (!warn.empty())
		debug_warn(warn);
	if (!err.empty()) 
		debug_err(err);
	if (!b_read)
	{
		debug_err(format("讀取obj文件失敗：{}", path_name));
		return {};
	}
	debug(format("頂點數(shù)：{}", attrib.vertices.size() / 3));
	debug(format("法線數(shù)：{}", attrib.normals.size() / 3));
	debug(format("UV數(shù)：{}", attrib.texcoords.size() / 2));
	debug(format("子模型數(shù)：{}", shapes.size()));
	debug(format("材質(zhì)數(shù)：{}", materials.size()));
	//obj只有一個ModelObject
	vector<ModelObject*> ret;
	ModelObject* model_object = new ModelObject;
	std::vector<Vertex>& mo_vertices = model_object->_allVertex;
	std::vector<uint32_t>& mo_indices = model_object->_allIndex;
	vector<ModelObjectMaterial>& mo_material = model_object->_allMaterial;
	ret.push_back(model_object);
	//------------------獲取材質(zhì)-------------------
	mo_material.resize(materials.size());
	for (size_t i = 0; i < materials.size(); ++i)
	{
		tinyobj::material_t m = materials[i];
		debug(format("材質(zhì)：{}，{}", i, m.name));
		ModelObjectMaterial& material = model_object->_allMaterial[i];
		material._materialName = m.name;
		material._material._diffuseAlbedo = { m.diffuse[0], m.diffuse[1], m.diffuse[2], 1.0f };
		material._material._fresnelR0 = { m.specular[0], m.specular[1], m.specular[2] };
		material._material._roughness = ShininessToRoughness(m.shininess);
		if(!m.diffuse_texname.empty())
			material._pathTexDiffuse = str_base + m.diffuse_texname;
		if (!m.normal_texname.empty())//注意這里凹凸貼圖（bump_texname）更常見
			material._pathTexNormal = str_base + m.normal_texname;
	}
	//------------------獲取模型-------------------
	//按 材質(zhì) 放入面的頂點
	vector<vector<tinyobj::index_t>> all_sub;
	all_sub.resize(1 + materials.size());//0為默認(rèn)
	for (size_t i = 0; i < shapes.size(); i++) 
	{//每一個子shape
		tinyobj::shape_t& shape = shapes[i];
		size_t num_index = shape.mesh.indices.size();
		size_t num_face = shape.mesh.num_face_vertices.size();
		debug(format("讀取子模型：{}，{}", i, shape.name));
		debug(format("索引數(shù)：{}；面數(shù)：{}", num_index, num_face));
		//當(dāng)前mesh下標(biāo)（每個面遞增3）
		size_t index_offset = 0;
		//每一個面
		for (size_t j = 0; j < num_face; ++j)
		{
			int index_mat = shape.mesh.material_ids[j];//每個面的材質(zhì)
			vector<tinyobj::index_t>& sub_idx = all_sub[1 + index_mat];
			sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
			sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
			sub_idx.push_back(shape.mesh.indices[index_offset++]);
		}
	}
	//生成子模型，并填入頂點
	std::unordered_map<tinyobj::index_t, size_t, hash_idx, equal_idx>
		uniqueVertices;//避免重復(fù)插入頂點
	size_t i = 0;
	for (vector<tinyobj::index_t>& sub_idx : all_sub)
	{
		ModelObjectSub sub;
		sub._range._offsetIndex = i;
		sub._range._countTriangle = sub_idx.size() / 3;
		model_object->_allSub.push_back(sub);
		for (tinyobj::index_t& idx : sub_idx)
		{
			auto iter = uniqueVertices.find(idx);
			if (iter == uniqueVertices.end())
			{
				Vertex v;
				//v
				v._pos[0] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 0];
				v._pos[1] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 1];
				v._pos[2] = attrib.vertices[idx.vertex_index * 3 + 2];
				// vt
				v._texCoord[0] = attrib.texcoords[idx.texcoord_index * 2 + 0];
				v._texCoord[1] = attrib.texcoords[idx.texcoord_index * 2 + 1];
				v._texCoord[1] = 1.0f - v._texCoord[1];
				uniqueVertices[idx] = mo_vertices.size();
				mo_indices.push_back((uint32_t)mo_vertices.size());
				mo_vertices.push_back(v);
			}
			else
			{
				mo_indices.push_back((uint32_t)iter->second);
			}
			++i;
		}
	}
	debug(format("解析obj模型完成：v{}，i{}", mo_vertices.size(), mo_indices.size()));
	return ret;
}

到此這篇關(guān)于C++解析obj模型文件方法介紹的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++解析obj內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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