3DS與OBJ格式的三維模型文件在OpenGL中的輸入與處理

武警工程大學(xué) 汪永剛

1.前言

OpenGL（開放圖形庫）作為一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，基于OpenGL開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植。OpenGL的功能包括：建模、變換、顏色模式設(shè)置、紋理映射、位圖顯示以及雙緩存動(dòng)畫等，而且借助Windows編程環(huán)境可以方便地對所構(gòu)模型的人機(jī)交互進(jìn)行控制。由于其開放性和高度重用性，OpenGL已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)[1]。

雖然OpenGL提供了一些建立形體模型的命令，但OpenGL并沒有提供更為復(fù)雜的三維模型的高級(jí)命令。在這種情況下，如果完全通過基本的幾何圖元—點(diǎn)、線、多邊形來構(gòu)建模型，勢必十分困難；另一方面，由于3D圖形技術(shù)的發(fā)展，形成了非常多的3D建模軟件，這些軟件建模一般比較方便，但又難以對其進(jìn)行控制和交互。因此，如何有效地利用這些資源，對于快速開發(fā)可視化系統(tǒng)具有非常重要的意義。

作者在本文中對兩種流行的三維模型文件的文件格式進(jìn)行了介紹，并通過程序?qū)崿F(xiàn)了文件的讀取。把這些文件轉(zhuǎn)換成OpenGL程序，再對其進(jìn)行控制和交互操作。

2.3DS文件的輸入和處理

3D Studio Max是Autodesk公司開發(fā)的用于制作三維動(dòng)畫的應(yīng)用程序，它所生成的圖形文件格式是3DS文件格式。該軟件建模方便，且功能強(qiáng)大。因此，可以利用3D Studio Max對構(gòu)建可視化系統(tǒng)提供重要幫助。這里介紹一種將3DS文件轉(zhuǎn)換成OpenGL文件的簡單方法。

這種轉(zhuǎn)換需要使用一個(gè)工具View3DS.exe(網(wǎng)上可下載)。轉(zhuǎn)換時(shí)將3DS文件拖到View3DS上，將彈出一個(gè)窗口，在窗口中會(huì)顯示需要轉(zhuǎn)換的3DS模型。在窗口上單擊鼠標(biāo)左鍵，會(huì)彈出一個(gè)菜單，選擇Export OpenGL CCode菜單項(xiàng)，將會(huì)在當(dāng)前目錄中生成OpenGL程序，包括與模型名相同的.h和.gl二個(gè)文件[2]。

生成C代碼后，將模型的.h和.gl文件拷貝到當(dāng)前建立的工程目錄中，并在初始化部分加入以下代碼：

Model=GL3DS_initialize_modelName()；

ModelName是指對應(yīng)于3DS模型的名稱，上面函數(shù)定義在生成的模型.h文件中。該函數(shù)運(yùn)用了顯示列表的技術(shù)，可以提高顯示的速度。在模型繪制文件的開始部分，加入如下代碼：

#include“modelName.h”

最后，在繪制模型部分加入glCallList(Model)，用OpenGL顯示列表技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形的顯示和重現(xiàn)。

3.OBJ文件的輸入和處理

OBJ文件是Alias/Wavefront公司開發(fā)的三維軟件Maya的一種數(shù)據(jù)輸出類型，它定義了對象的幾何和其它的一些特性。由于它的文件結(jié)構(gòu)非常簡單，所以適合在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D文件格式轉(zhuǎn)換[3]。

3.1 OBJ文件格式

OBJ文件既可以定義多邊形模型，也可以定義自由曲面模型。多邊形模型就是可以用點(diǎn)、線、面等基本元素構(gòu)造的模型，而自由曲面模型是指使用參數(shù)曲面造型定義的模型。下面是某個(gè)OBJ文件的一部分

v-0.7081257-0.08592043-0.19173051

v-0.7081257-0.11188304-0.19173063

v-0.7081257-0.0989018-0.19266948

……

vn-0.01888834-0.65014-0.7556138

vn-0.017401185-0.52368283-0.8475712

vn-0.2399254-0.961792-0.075679004

從上面可以看出，OBJ文件由文本行組成，每一行文本都是由一個(gè)關(guān)鍵字開頭，緊跟著后面是該關(guān)鍵字所表示含義的具體參數(shù)。例如，以“vn”開頭表示該行描述一個(gè)頂點(diǎn)法向量信息，后面一定會(huì)跟三個(gè)Double型的具體參數(shù)，分別描述該頂點(diǎn)法向量的三維坐標(biāo)信息表1列出了OBJ文件中主要的關(guān)鍵字及其具體含義[4]。

表1 OBJ文件的關(guān)鍵字及其含義

頂點(diǎn)數(shù)據(jù)類型主要提供模型的以下參數(shù)：

(1)頂點(diǎn)的幾何坐標(biāo)(v x y z w)；

(2)頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)(vt u v w)；

(3)頂點(diǎn)的法向量(vn I j k)；

(4)空間參數(shù)點(diǎn)的坐標(biāo)(vp u v w)。

在OBJ文件中，點(diǎn)的坐標(biāo)的確定是右手坐標(biāo)系。

定義一個(gè)多邊形的語法如下：

fv/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn…，其中省略號(hào)部分表示可以定義任意多邊的多邊形。其中v表示頂點(diǎn)的幾何坐標(biāo)；vt表示頂點(diǎn)的紋理坐標(biāo)；vn表示頂點(diǎn)的法向量，每個(gè)元素之間需用“/”符號(hào)隔開。例如，可用以下語句定義一個(gè)四邊形：f1/1/1 2/2/2 3/3/3 4/4/4。如果只有頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向量坐標(biāo)(不含紋理坐標(biāo))，那就應(yīng)該使用“//”將坐標(biāo)隔開。例如只定義頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向量坐標(biāo)的一個(gè)四邊形：f1//1 2//2 3//3 4//4。

3.2 OBJ文件的輸入處理

了解了OBJ文件的結(jié)構(gòu)后，為了能在程序中讀入模型，需要建立對應(yīng)的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

程序中首先定義了OBJ文件對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，如對象頂點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體、材質(zhì)描述結(jié)構(gòu)體和總的模型描述結(jié)構(gòu)體等。代碼如下：

程序中定義了一個(gè)全局變量：ModelContext*model。又實(shí)現(xiàn)了一個(gè)類，將OBJ文件的內(nèi)容讀入到全局變量中。在該類中定義了一些讀入函數(shù)

void readLineData(char*FileName)；//讀入線數(shù)據(jù)

void readObjData(char*FileName)；//讀其它對象數(shù)據(jù)

FILE* fileOpen(const char* filename，constchar*model)；//打開文件

獲取了全局變量后，就可以在視圖類中繪制所得到的對象模型，然后對模型進(jìn)行操作和交互式處理。

4.小結(jié)

本文簡要介紹了3DS和OBJ兩種3D文件格式在OpenGL中的輸入和處理方法。現(xiàn)在3D文件資源十分豐富，要充分利用這些資源，文件格式的轉(zhuǎn)換具有十分重要的意義。在轉(zhuǎn)換為OpenGL程序后，就可以利用OpenGL的強(qiáng)大功能來進(jìn)行三維分析和交互操作，其成果可以適用于地形建模、城市規(guī)劃以及虛擬現(xiàn)實(shí)等許多領(lǐng)域。

[1]郭景,雷鳴.3DSMAX模型在OpenGL中的讀取與重現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,5.

[2]胡平平,劉建明,王晶杰.OpenGL顯示3DS模型若干問題的研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2010,8.

[3]向南平,江資斌,左廷英.OpenGL中Maya模型的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用,2009,18.

[4]王金峰,姚國清.三維模型文件中的OBJ格式在OpenGL中的輸入與處理[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,4.

[5]陳炳發(fā),陸楠,伍鐵軍.一種面向OpenGL的三維模型的轉(zhuǎn)化方法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2010(25).