OpenGL 图形库的使用(十八)—— 模型加载之Assimp

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刀客传奇
0.1 2017.12.31 12:05 字数 2822

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V1.0 2017.12.31

前言

OpenGL 图形库项目中一直也没用过,最近也想学着使用这个图形库,感觉还是很有意思,也就自然想着好好的总结一下,希望对大家能有所帮助。下面内容来自欢迎来到OpenGL的世界
1. OpenGL 图形库使用(一) —— 概念基础
2. OpenGL 图形库使用(二) —— 渲染模式、对象、扩展和状态机
3. OpenGL 图形库使用(三) —— 着色器、数据类型与输入输出
4. OpenGL 图形库使用(四) —— Uniform及更多属性
5. OpenGL 图形库使用(五) —— 纹理
6. OpenGL 图形库使用(六) —— 变换
7. OpenGL 图形库的使用(七)—— 坐标系统之五种不同的坐标系统(一)
8. OpenGL 图形库的使用(八)—— 坐标系统之3D效果(二)
9. OpenGL 图形库的使用(九)—— 摄像机(一)
10. OpenGL 图形库的使用(十)—— 摄像机(二)
11. OpenGL 图形库的使用(十一)—— 光照之颜色
12. OpenGL 图形库的使用(十二)—— 光照之基础光照
13. OpenGL 图形库的使用(十三)—— 光照之材质
14. OpenGL 图形库的使用(十四)—— 光照之光照贴图
15. OpenGL 图形库的使用(十五)—— 光照之投光物
16. OpenGL 图形库的使用(十六)—— 光照之多光源
17. OpenGL 图形库的使用(十七)—— 光照之复习总结

Assimp

到目前为止的所有场景中,我们一直都在滥用我们的箱子朋友,但时间久了甚至是我们最好的朋友也会感到无聊。在日常的图形程序中,通常都会使用非常复杂且好玩的模型,它们比静态的箱子要好看多了。然而,和箱子对象不同,我们不太能够对像是房子、汽车或者人形角色这样的复杂形状手工定义所有的顶点、法线和纹理坐标。我们想要的是将这些模型(Model)导入(Import)到程序当中。模型通常都由3D艺术家在Blender3DS Max或者Maya这样的工具中精心制作。

这些所谓的3D建模工具(3D Modeling Tool)可以让艺术家创建复杂的形状,并使用一种叫做UV映射(uv-mapping)的手段来应用贴图。这些工具将会在导出到模型文件的时候自动生成所有的顶点坐标、顶点法线以及纹理坐标。这样子艺术家们即使不了解图形技术细节的情况下,也能拥有一套强大的工具来构建高品质的模型了。所有的技术细节都隐藏在了导出的模型文件中。但是,作为图形开发者,我们就必须要了解这些技术细节了。

所以,我们的工作就是解析这些导出的模型文件以及提取所有有用的信息,将它们储存为OpenGL能够理解的格式。一个很常见的问题是,模型的文件格式有很多种,每一种都会以它们自己的方式来导出模型数据。像是Wavefront的.obj这样的模型格式,只包含了模型数据以及材质信息,像是模型颜色和漫反射/镜面光贴图。而以XML为基础的Collada文件格式则非常的丰富,包含模型、光照、多种材质、动画数据、摄像机、完整的场景信息等等。Wavefront的.obj格式通常被认为是一个易于解析的模型格式。建议至少去Wavefront的wiki页面上看看文件格式的信息是如何封装的。这应该能让你认识到模型文件的基本结构。

总而言之,不同种类的文件格式有很多,它们之间通常并没有一个通用的结构。所以如果我们想从这些文件格式中导入模型的话,我们必须要去自己对每一种需要导入的文件格式写一个导入器。很幸运的是,正好有一个库专门处理这个问题。


模型加载库

一个非常流行的模型导入库是Assimp,它是Open Asset Import Library(开放的资产导入库)的缩写。Assimp能够导入很多种不同的模型文件格式(并也能够导出部分的格式),它会将所有的模型数据加载至Assimp的通用数据结构中。当Assimp加载完模型之后,我们就能够从Assimp的数据结构中提取我们所需的所有数据了。由于Assimp的数据结构保持不变,不论导入的是什么种类的文件格式,它都能够将我们从这些不同的文件格式中抽象出来,用同一种方式访问我们需要的数据。

当使用Assimp导入一个模型的时候,它通常会将整个模型加载进一个场景(Scene)对象,它会包含导入的模型/场景中的所有数据。Assimp会将场景载入为一系列的节点(Node),每个节点包含了场景对象中所储存数据的索引,每个节点都可以有任意数量的子节点。Assimp数据结构的(简化)模型如下:

  • 和材质和网格(Mesh)一样,所有的场景/模型数据都包含在Scene对象中。Scene对象也包含了场景根节点的引用。
  • 场景的Root node(根节点)可能包含子节点(和其它的节点一样),它会有一系列指向场景对象中mMeshes数组中储存的网格数据的索引。Scene下的mMeshes数组储存了真正的Mesh对象,节点中的mMeshes数组保存的只是场景中网格数组的索引。
  • 一个Mesh对象本身包含了渲染所需要的所有相关数据,像是顶点位置、法向量、纹理坐标、面(Face)和物体的材质。
  • 一个网格包含了多个面。Face代表的是物体的渲染图元(Primitive)(三角形、方形、点)。一个面包含了组成图元的顶点的索引。由于顶点和索引是分开的,使用一个索引缓冲来渲染是非常简单的(见你好,三角形)。
  • 最后,一个网格也包含了一个Material对象,它包含了一些函数能让我们获取物体的材质属性,比如说颜色和纹理贴图(比如漫反射和镜面光贴图)。

所以,我们需要做的第一件事是将一个物体加载到Scene对象中,遍历节点,获取对应的Mesh对象(我们需要递归搜索每个节点的子节点),并处理每个Mesh对象来获取顶点数据、索引以及它的材质属性。最终的结果是一系列的网格数据,我们会将它们包含在一个Model对象中。

网格:当使用建模工具对物体建模的时候,艺术家通常不会用单个形状创建出整个模型。通常每个模型都由几个子模型/形状组合而成。组合模型的每个单独的形状就叫做一个网格(Mesh)。比如说有一个人形的角色:艺术家通常会将头部、四肢、衣服、武器建模为分开的组件,并将这些网格组合而成的结果表现为最终的模型。一个网格是我们在OpenGL中绘制物体所需的最小单位(顶点数据、索引和材质属性)。一个模型(通常)会包括多个网格。

下一节中,我们将创建我们自己的Model和Mesh类来加载并使用刚刚介绍的结构储存导入后的模型。如果我们想要绘制一个模型,我们不需要将整个模型渲染为一个整体,只需要渲染组成模型的每个独立的网格就可以了。然而,在我们开始导入模型之前,我们首先需要将Assimp包含到我们的工程当中。


构建Assimp

你可以在Assimp的下载页面中选择相应的版本。在写作时使用的Assimp最高版本为3.1.1。我们建议你自己编译Assimp库,因为它们的预编译库在大部分系统上都是不能运行的。如果你忘记如何使用CMake自己编译一个库的话,可以复习创建窗口小节。

构建Assimp时可能会出现一些问题,所以我会将它们的解决方案列在这里,便于大家排除错误:

  • CMake在读取配置列表时,不断报出DirectX库丢失的错误。报错如下:
Could not locate DirectX
CMake Error at cmake-modules/FindPkgMacros.cmake:110 (message):
Required library DirectX not found! Install the library (including dev packages) 
and try again. If the library is already installed, set the missing variables 
manually in cmake.

这个问题的解决方案是安装DirectX SDK,如果你之前没安装过的话。你可以从这里下载SDK。

  • 安装DirectX SDK时,可能遇到一个错误码为s1023的错误。这种情况下,请在安装SDK之前根据这个先卸载C++ Redistributable package(s)
  • 一旦配置完成,你就可以生成解决方案文件了,打开解决方案文件并编译Assimp库(可以编译为Debug版本也可以编译为Release版本,只要能工作就行)。
  • 使用默认配置构建的Assimp是一个动态库(Dynamic Library),所以我们需要包含所生成的assimp.dll文件以及程序的二进制文件。你可以简单地将DLL复制到我们程序可执行文件的同一目录中。
  • Assimp编译之后,生成的库和DLL文件位于code/Debug或者code/Release文件夹中。
  • 接着把编译好的LIB文件和DLL文件拷贝到工程的相应目录下,并在解决方案中链接它们。并且记得把Assimp的头文件也复制到你的include目录中(头文件可以在从Assimp中下载的include目录里找到)。

如果你仍遇到了未报告的错误,欢迎在评论区中寻求帮助。

如果你想让Assimp使用多线程来获得更高的性能,你可以使用Boost库来编译Assimp。你可以在它们的
安装页面找到完整的安装介绍。

现在,你应该已经编译完Assimp库并将它链接到你的程序中了。下一步:导入漂亮的3D物体!

后记

未完,待续~~~

OC
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