深度了解OpenGL：利用Assimp导入模型

背景

到现在为止我们都在使用手动生成的模型。正如你所想的，指明每个顶点的位置和其他属性有点时候并不是十分方便。对于一个箱子、锥体和简单平面还好，但是像人们的脸怎么办？现实的商业应用和游戏中，程序中使用模型一般都是由美术人员通过如 Blender, Maya 或 3ds Max 等建模软件来解决这个问题。这些软件提供了高级的工具帮助他们创造很复杂的模型。模型完成后可以以不同格式的文件保存。文件中包含了这个模型的所有几何解释。这些文件可以被加载到一个游戏引擎（提供支持特定格式的引擎）里面，文件中的内容可用来填充到渲染所需要的顶点缓存和索引缓存中。使用这些专业的模型对于场景效果的提升是十分关键的。

自己开发解析器将耗费你很长的时间。如果你想从不同格式的模型文件中加载模型，你需要学习每一种格式然后为其开发一个特定的解释器。有些模型的格式简单，但是一些也很复杂，你最终可能花费很多时间在这些并不是 3D 设计的核心内容上。因此，这章介绍的内容就是使用外加的库负责从文件中解释和加载模型。

Open Asset Import Library，也称 Assimp，是一个可以处理许多 3D 格式的开源库，包括最受欢迎的二进制反码格式。它是跨平台的，可用于 Linux 和 Windows，非常容易使用和嵌入到以 C/C++ 程序中。

这课没有太多的理论。让我们直接去看如何使用 Assimp 库中提供的函数来导入 3D 模型。在开始之前，请先确认你已经从上面的链接安装了 Assimp。

(mesh.h:50)
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<MeshEntry> m_Entries;
std::vector<Texture*> m_Textures;
};

这个 Mesh 类是 Assimp 和 OpenGL 程序之间的接口。这个类使用一个文件名参数作为 LoadMesh() 函数的参数，借助于 Assimp 加载模型，然后我们对加载进的模型数据进行解析，并将这些模型数据填充到顶点缓存、索引缓存以及纹理对象。为了渲染 mesh，我们定义了 Render() 函数。Mesh 类的内部结构与 Assimp 加载模型的方法相匹配。Assimp 用一个

aiScene 对象来代表被加载的 mesh，

aiScene 对象中封装了包含模型各部分的 mesh 结构体。

aiScene 对象中必须至少含有一个 mesh 结构，复杂的模型可以包含多个 mesh 结构。 Mesh 类的成员 m_Entries 是 MeshEntry 结构体向量，其中的每个结构体和

aiScene 对象中的一个 mesh 结构相对应。这个结构体包含顶点缓存、索引缓存和材质的索引。目前一个材质只是一个纹理，又因为 mesh 实体可以共享材质，所以我们给每个材质( m_Textures )单独设一个向量。MeshEntry::MaterialIndex 指向 m_Textures 里面的一个纹理。

(mesh.cpp:77)
bool Mesh::LoadMesh(const std::string& Filename)
{
// Release the previously loaded mesh (if it exists)
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;
}

加载mesh从这个函数开始。我们在栈上创建了一个 Assimp::Importer 类的实例，并且调用它的读文件（ReadFile）方法。这个函数需要两个参数：模型文件的完整路径和一些处理的选项。 Assimp 能对加载的模型执行很多实用的优化。例如，为没有法线的模型生成法线，优化模型的结构来提高性能等，我们可以根据需要来选择合适的操作。在这里我们使用了其提供的三个操作：第一个是

aiProcess_Triangulate ，它将不是由三角组成的模型转换为基于三角形的网格模型。例如：一个四边形 mesh 可以通过从其中的每个四边形生成两个三角形而被变换为三角形 mesh； 第二个操作是

aiProcess_GenSmoothNormals ，为那些原来不含顶点法线的模型生成顶点法线。记住这些加工方式是非重叠的位掩码，因此你可以使用"或"运算来对这些操作进行组合；第三个操作是

aiProcess_FlipUVsv ，沿着 y 轴翻转纹理坐标。你需要根据导入的模型数据来选择合适的操作。如果 mesh 成功加载，我们获得一个指向

aiScene 对象的指针。这个对象包含整个模型的内容，模型的不同结构都保持在一个

aiMesh 结构中。接下来我们调用 InitFromScene() 函数来初始化 Mesh 对象。

(mesh.cpp:97)
bool Mesh::InitFromScene(const aiScene* pScene, const std::string& Filename)
{
m_Entries.resize(pScene->mNumMeshes);
m_Textures.resize(pScene->mNumMaterials);
// Initialize the meshes in the scene one by one
for (unsigned int i = 0 ; i < m_Entries.size() ; i++) {
const aiMesh* paiMesh = pScene->mMeshes[i];
InitMesh(i, paiMesh);
    }
return InitMaterials(pScene, Filename);
}

首先我们根据需要用到的 m_Entries 和 m_Textures 数量来为其分配存储空间，其数目可经由

aiScene 对象中的成员 mNumMeshes 和 mNumMaterials 得到。接下来我们遍历

aiScene 对象中的 mMeshes 数组，并挨个儿初始化 m_Entries 实例。最后初始化材质。

(mesh.cpp:111)
void Mesh::InitMesh(unsigned int Index, const aiMesh* paiMesh)
{
m_Entries[Index].MaterialIndex = paiMesh->mMaterialIndex;
std::vector Vertices;
std::vector Indices;
    ...

首先我们记录下当前 mesh 的材质索引，在渲染过程中将通过它来找到 mesh 对应的正确材质。接下来，我们创建两个 STL 容器来储存顶点和索引缓冲器的内容。STL 容器有一个

很好的特性：能够在连续的缓冲区中储存数据，这使得将数据加载到 OpenGL 缓存中变得很容易（使用 glBufferData() 函数）。

(mesh.cpp:118)
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);
    }
    ...

这里我们通过对模型数据的解析将顶点属性数据依次存放到我们的 Vertices 容器中。我们使用到

aiMesh 类中下面的一些方法：

1. mNumVertices - 顶点数量
2. mVertices - 包含位置属性的数组
3. mNormals - 包含顶点法线属性的数组
4. mTextureCoords - 包含纹理坐标数组，这是一个二维数组，因为每个顶点可以拥有多个纹理坐标。

因此，总的来说我们有三个相互独立的数组，它们囊括了所有我们需要的顶点信息，我们可以通过这些信息来构建我们最终的顶点结构体。注意一些模型没有纹理坐标，所以在访问mTextureCoords数组之前（可能会引发错误），我们应该通过调用

HasTextureCoords() 来检查纹理是否存在。除此之外，一个 mesh 的每个顶点可以包含多个纹理坐标。在这章，我们只是简单地使用其第一个纹理坐标。因此 mTextureCoords 数组（二维的）始终只有第一行的值被访问。如果纹理坐标不存在，我们将这个顶点的纹理坐标初始化为 0 向量。

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