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前面的教程中，我們都是使用手工指定三維模型，渲染一些簡單的物體，比如，正方體、四面體金字塔等等。如果要渲染復雜的物體，該物體包含很多的頂點，每個頂點除了位置，還有很多的屬性，比如一張人臉，那么通過在程序中指定頂點緩沖來渲染的話，幾乎是不可能的事情，因為模型太復雜了。通常在三維游戲或者一些商業三維應用中，都是藝術家通過一些專用的建模軟件，比如Blender, Maya 或者 3ds Max來進行物體建模，模型完成后，然后導出一定的模型文件格式，最后游戲引擎或者別的應用程序，可以讀取這些模型文件，產生頂點緩沖、索引緩沖以及一些其它的設置，從而完成復雜模型渲染。本篇教程中，我們將學習如何解析模型文件，並在我們的程序中使用。
幾乎每種游戲引擎或者建模軟件都有自己的模型格式，開發一個自己的解析器，來兼容大部分的模型格式，是件費力費時的工作。本篇教程中，我們使用一個第三方開源庫Open Asset Import Library來導入模型文件，Assimp開源庫能處理很多模型文件格式，比如D3D的x文件，靜態的obj文件等等，而且Assimp庫是用c++寫的，很容易集成到我們的程序里。
本教程中，我們不會詳細介紹Assimp庫的原理，感興趣的朋友可以去它的網站看看，里面有很多介紹，或者你也可以研究它內部的代碼，看它是如何解析模型文件的，本文中，只是介紹了如何在我們的程序中通過Assimp庫裝入三維模型。
(注意：開始編寫程序前，你要確保安裝了Assimp庫，可以從上面給出的鏈接處下載)
主要代碼：
mesh.h
class Mesh
{
public:
Mesh();
~Mesh();
bool LoadMesh(const std::string& Filename);
void Render();
private:
bool InitFromScene(const aiScene* pScene, const std::string& Filename);
void InitMesh(unsigned int Index, const aiMesh* paiMesh);
bool InitMaterials(const aiScene* pScene, const std::string& Filename);
void Clear();
#define INVALID_MATERIAL 0xFFFFFFFF
struct MeshEntry {
MeshEntry();
~MeshEntry();
bool Init(const std::vector& Vertices,
const std::vector& Indices);
GLuint VB;
GLuint IB;
unsigned int NumIndices;
unsigned int MaterialIndex;
};
std::vector m_Entries;
std::vector m_Textures;
};
Mesh類是Assimp庫和我們OpenGL程序的接口， 該類會通過LoadMesh函數從一個模型文件中裝入數據，用來產生頂點緩沖，索引緩沖，紋理對象等等。為了渲染三維模型，我們也在該類中增加了Render函數。Mesh類的內部數據結構是和Assimp庫裝入模型的方式相匹配的， Assimp庫用了一個aiScene對象來表示裝入的模型，aiScene包含了各種各樣模型數據的mesh結構。在aiScene對象中，至少會有一種mesh結構，復雜的模型中，可能包含多種mesh結構。m_Entries是一個MeshEntry類型的向量，每個MeshEntry都對應aiScene對象中的一個mesh結構，這些mesh結構包含頂點緩沖，索引緩沖，紋理索引等等。 現在我們的材質只是一個簡單的紋理，因為MeshEntries之間可能會共享紋理，所以我們的Mesh類的包含一個單獨的向量m_Texures, MeshEntry::MaterialIndex會指向該MeshEntry在m_Textures中對應的紋理。
mesh.cpp
bool Mesh::LoadMesh(const std::string& Filename)
{
// 釋放掉以前裝入的模型數據
Clear();
bool Ret = false;
Assimp::Importer Importer;
const aiScene* pScene = Importer.ReadFile(Filename.c_str(), aiProcess_Triangulate | aiProcess_GenSmoothNormals | aiProcess_FlipUVs);
if (pScene) {
Ret = InitFromScene(pScene, Filename);
}
else {
printf("Error parsing '%s': '%s'\n", Filename.c_str(), Importer.GetErrorString());
}
return Ret;
}
我們在LoadMesh函數中裝入模型文件。首先，我們會創建一個Assimp::Importer類實例，並調用它的成員函數 ReadFile來裝入模型文件，該函數的參數有2個，第一個是要裝入模型文件的全路徑名稱，第二個是模型數據后處理選項 。Assimp在裝入模型時候，可以進行很多有用的操作，比如，如果模型缺少法向數據，我們可以指定后處理選項讓 Assimp 為Mesh自動計算法向，Assimp還可以執行一些優化操作以便改進性能，等等諸如此類的操作。我們通過下面的鏈接去產看所有的后處理選項， 點擊這兒。
在本篇教程中，我們用了三個選項： aiProcess_Triangulate, 表示會把模型三角形話，如果模型是多面體數據，Assimp會替我們把這些多邊形頂點轉化為三角形mesh頂點數據，例如一個四邊形可能會被轉化為2個三角形。第二個選項 aiProcess_GenSmoothNormals表示，如果原始頂點沒有法向數據，Assimp會為頂點產生法向數據。最后一個選項aiProcess_FlipUVsv表示，沿着y方向翻轉紋理坐標，這在渲染quake模型時候是必須的[注意：我們這些后處理選項是可以通過或操作疊加的] 。模型裝入成功后，我們會得到一個指向aiScene 對象的指針，該對象中會包含以aiMesh結構分類的所有模型數據。最后，我們會調用InitFromScene函數，初始化mesh對象。
mesh.cpp
bool Mesh::InitFromScene(const aiScene* pScene, const std::string& Filename)
{
m_Entries.resize(pScene->mNumMeshes);
m_Textures.resize(pScene->mNumMaterials);
//逐個初始化場景中的mesh對象
for (unsigned int i = 0 ; i < m_Entries.size() ; i++) {
const aiMesh* paiMesh = pScene->mMeshes[i];
InitMesh(i, paiMesh);
}
return InitMaterials(pScene, Filename);
}
在初始化三維渲染場景函數中，我們首先為mesh entries和texture vectors兩個成員變量分配空間，它們的大小分別為aiScene對象中的mesh和材質數量。接着，我們會遍歷aiScene對象中的mesh數組，來逐個初始化mesh entries成員變量。
void Mesh::InitMesh(unsigned int Index, const aiMesh* paiMesh)
{
m_Entries[Index].MaterialIndex = paiMesh->mMaterialIndex;
std::vector Vertices;
std::vector Indices;
...
在初始化mesh時候，我們首先會保存材質索引，在渲染過程中，該值用來綁定正確的紋理，接下來，我們會創建2個STL向量，用來存儲頂點緩沖和索引緩沖。STL向量通常會被數據存在連續的緩沖中，而且使用方便，我們很容易把向量中的數據裝入到opengl buffer中去[通過glBufferData函數]。
const aiVector3D Zero3D(0.0f, 0.0f, 0.0f);
for (unsigned int i = 0 ; i < paiMesh->mNumVertices ; i++) {
const aiVector3D* pPos = &(paiMesh->mVertices[i]);
const aiVector3D* pNormal = &(paiMesh->mNormals[i]) : &Zero3D;
const aiVector3D* pTexCoord = paiMesh->HasTextureCoords(0) ? &(paiMesh->mTextureCoords[0][i]) : &Zero3D;
Vertex v(Vector3f(pPos->x, pPos->y, pPos->z),
Vector2f(pTexCoord->x, pTexCoord->y),
Vector3f(pNormal->x, pNormal->y, pNormal->z));
Vertices.push_back(v);
}
...
在上面的代碼中，我們生成頂點緩沖的數據(放在Vertices向量中)。
我們使用了aiMesh類的下列屬性：
- mNumVertices - 頂點數量
- mVertices - 頂點位置向量mNumVertices
- mNormals - 頂點法向向量 mNormals
- mTextureCoords - 頂點紋理坐標向量 mTextureCoords ，注意一個頂點可能包含多個紋理坐標，所以該變量是一個二維數組。
我們把mesh的頂點，法向，紋理分別放在三個數組中，最終我們會用這三個數組構建頂點屬性結構，並把頂點屬性結構變量v保存到頂點緩沖變量Vertices中。注意：一些模型可能沒有紋理，也不存在紋理坐標，所以我們從aiMesh對象中取紋理時候，要先調用HasTextureCoords(0)函數進行判斷，另外一個頂點可能有多個紋理坐標，但在本教程中，我們只用了一個紋理坐標，所以使用paiMesh->mTextureCoords[0][i]，0表示第一個紋理坐標，當不在紋理坐標時候，我們只是簡單的把紋理坐標負值為0。
for (unsigned int i = 0 ; i < paiMesh->mNumFaces ; i++) {
const aiFace& Face = paiMesh->mFaces[i];
assert(Face.mNumIndices == 3);
Indices.push_back(Face.mIndices[0]);
Indices.push_back(Face.mIndices[1]);
Indices.push_back(Face.mIndices[2]);
}
...
上面的代碼中，我們生成索引緩沖：aiMesh類的成員變量mNumFaces指定了每個mesh中包含多少個多邊形(三角形)，mFaces成員變量包含具體的索引數據。我們首先會判斷每個多邊形的頂點數是否為3，不為3的話會產生異常(前面裝入模型時候，我們已經旋轉了三角形化)，接着我們會把三角形的索引數據保存到Indices向量中去。
m_Entries[Index].Init(Vertices, Indices);
}
最后，我們會用頂點和索引向量初始化MeshEntry變量。在Init函數中，會用glGenBuffer(), glBindBuffer() and glBufferData()幾個函數產生頂點和索引緩沖。
bool Mesh::InitMaterials(const aiScene* pScene, const std::string& Filename)
{
for (unsigned int i = 0 ; i < pScene->mNumMaterials ; i++) {
const aiMaterial* pMaterial = pScene->mMaterials[i];
...
該函數會裝入模型所用的所有紋理。aiScene對象的成員變量mNumMaterials中有材質的數量，mMaterials則是一個指向aiMaterials結構的數組。aiMaterial是一個很龐大，復雜的類，通常材質被組織成紋理棧的形式，在兩個連續的紋理之間，我們需要配置blend和strength函數，blend函數用來決定2個紋理顏色如何相加操作，而strength函數決定兩個紋理顏色如何相乘操作，這兩個函數都是aiMaterial的一部分。在本教程中，為了和前面的光照shader一致，我們將忽略這兩個函數。
m_Textures[i] = NULL;
if (pMaterial->GetTextureCount(aiTextureType_DIFFUSE) > 0) {
aiString Path;
if (pMaterial->GetTexture(aiTextureType_DIFFUSE, 0, &Path, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL) == AI_SUCCESS) {
std::string FullPath = Dir + "/" + Path.data;
m_Textures[i] = new Texture(GL_TEXTURE_2D, FullPath.c_str());
if (!m_Textures[i]->Load()) {
printf("Error loading texture '%s'\n", FullPath.c_str());
delete m_Textures[i];
m_Textures[i] = NULL;
Ret = false;
}
}
}
...
一個材質可能包含多個紋理，並不是其中的每個紋理都有顏色，比如有的紋理表示高度圖，有的紋理表示法向圖，偏移圖等等。我們光照模型現在只用了一個單紋理來對應所有的光照類型，所以我們只關注漫反射光材質，因此，我們會aiMaterial::GetTextureCount() 函數檢測有多少個材質存在，這個函數用紋理類型作為參數，返回值該指定類型紋理的數量。該函數第一個參數即為紋理類型，第二個參數是索引，我們總是指定為0，第三個參數指定紋理文件名字，后面的5個參數是各種各樣的紋理配置，比如blend因子，map模式，紋理操作等等，這些參數是可選的，在我們程序中，總是被指定為NULL。我們會把紋理文件名字和目錄名字連接起來，我們會假設模型文件和紋理文件在同一個目錄。
if (!m_Textures[i]) {
m_Textures[i] = new Texture(GL_TEXTURE_2D, "./white.png");
Ret = m_Textures[i]->Load();
}
}
return Ret;
}
有時候，在模型目錄，紋理文件並不存在，此時渲染的結果可能是一片漆黑，所以我們會增加上面的一段代碼，當在模型目錄找不到紋理時候，我們會裝入一個默認的紋理文件，該文件是一副白色的png圖片。
void Mesh::Render()
{
glEnableVertexAttribArray(0);
glEnableVertexAttribArray(1);
glEnableVertexAttribArray(2);
for (unsigned int i = 0 ; i < m_Entries.size() ; i++) {
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_Entries[i].VB);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), 0);
glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (const GLvoid*)12);
glVertexAttribPointer(2, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (const GLvoid*)20);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_Entries[i].IB);
const unsigned int MaterialIndex = m_Entries[i].MaterialIndex;
if (MaterialIndex < m_Textures.size() && m_Textures[MaterialIndex]) {
m_Textures[MaterialIndex]->Bind(GL_TEXTURE0);
}
glDrawElements(GL_TRIANGLES, m_Entries[i].NumIndices, GL_UNSIGNED_INT, 0);
}
glDisableVertexAttribArray(0);
glDisableVertexAttribArray(1);
glDisableVertexAttribArray(2);
}
在前面教程中，我們都把渲染函數放在主cpp中，本篇教程代碼中，我們會把Render函數分離出來。我們會遍歷m_Entries，指定頂點緩沖，索引緩沖，以及材質，最后調用draw函數進行gpu渲染操作，這樣我們就可以在場景中渲染多個物體了。
glut_backend.cpp
glEnable(GL_DEPTH_TEST);
最后我們在程序初始化開啟深度測試，以保證前后遮擋的物體渲染正確。開啟深度測試的代碼在GLUTBackendRun函數中。
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE|GLUT_RGBA|GLUT_DEPTH);
我們還要初始化深度緩沖，通常深度緩沖初始化時，每個像素深度值都是1.0，和顏色緩沖相似，所有像素在深度緩沖中都有一個對應的單元。
tutorial22.cpp
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
在每幀渲染前，我們都要清除深度緩沖和顏色緩沖，如果不做這個操作，可能深度緩沖和顏色緩沖中的值還是上一幀的結果，這可能會使得渲染結果不正確。
程序執行后界面如下：
