基于OpenGL的三維模型讀取與動態(tài)觀察

張肇同

【摘 要】在機(jī)器人仿真軟件開發(fā)、三維視景建模等領(lǐng)域，通常需要讀取三維建模，這些模型大都由專業(yè)的三維建模軟件生成，具有特定的文件格式。本文基于OpenGL，對此過程中的模型導(dǎo)入與動態(tài)觀察部分進(jìn)行研究。在VS2017環(huán)境下，通過OpenGL與Assimp實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)文件的可視化，使人們可以獲取到模型特定數(shù)據(jù)，并可直觀地看到模型，為其余工作奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】OpenGL；Assimp；模型可視化；動態(tài)觀察

0 引言

目前，許多優(yōu)秀的三維建模軟件如CATIA、UG、Pro/E等，可以方便地建立各種復(fù)雜物體模型，但除了軟件所給出的功能外，很難對模型進(jìn)行控制和操作[1]。OpenGL則更容易實現(xiàn)模型的變換、紋理、交互操作等，但是卻沒有提供CATIA、UG等建模軟件中用于建立復(fù)雜三維模型的高級命令，只提供了基本的集合圖元（如點、線、多邊形）的繪制命令[2]。因此，若能將三維建模軟件輸出的模型文件，在OpenGL中進(jìn)行“加工”，可以更好地解決實際問題。

1 模型讀取與繪制方法

考慮到各平臺文件格式不同，為了增強(qiáng)通用性，我們選擇通過Assimp庫輔助模型讀取工作，這樣可讀入十余種不同格式的主流模型文件，增強(qiáng)了通用性，方便了后續(xù)工作。

1.1 Assimp概述

Assimp（Open Asset Import Library）是開源圖形庫，它會將所有的模型數(shù)據(jù)加載至Assimp的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中[3]。當(dāng)Assimp加載完模型之后，我們就能夠從Assimp的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取我們所需的所有數(shù)據(jù)了。由于Assimp的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保持不變，不論導(dǎo)入的是什么種類的文件格式，它都能夠?qū)⒛Ｐ蛿?shù)據(jù)從這些不同文件格式中抽象出來，用同一種方式訪問所需數(shù)據(jù)。

當(dāng)使用Assimp導(dǎo)入一個模型的時候，它通常會將整個模型加載進(jìn)一個場景對象，它會包含導(dǎo)入的模型中的所有數(shù)據(jù)。Assimp會將場景載入為一系列的節(jié)點，每個節(jié)點包含了場景對象中所儲存數(shù)據(jù)的索引，每個節(jié)點都可以由任意數(shù)量的子節(jié)點。

一個網(wǎng)格對象本身包含了渲染所需要的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，如頂點、法向量、紋理坐標(biāo)、面和材質(zhì)等。一個網(wǎng)格包含了多個面，一個面包含了組成圖元的頂點索引。由于頂點數(shù)據(jù)和頂點索引是分開的，使用一個索引緩沖來渲染是非常方便的。

1.2 場景繪制方式

現(xiàn)在，我們可以根據(jù)場景的結(jié)構(gòu)，讀取場景對象中的數(shù)據(jù)并繪制模型。為了更加系統(tǒng)的進(jìn)行場景繪制，我們構(gòu)建了Model類與Mesh類，分別對應(yīng)于模型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：

class Model{

public：

Model（char* path）{ }；

void Draw（Shader shader）；

private：

vectormeshes；

void loadModel（ string path）；

void processNode（aiNode* node， const aiScene* scene）；

Mesh processMesh（ aiMesh* mesh， const aiScene* scene）；

}；

class Mesh{

public：

vectorvertices；

vectorindices；

GLuint VAO；

Mesh（vectorvertices， vectorindices， vector textures）；

void Draw（Shader shader）；

private：

GLuint VBO， EBO；

void setupMesh（）；

}；

1.2.1 模型讀取

首先，讀取給定路徑的模型文件并加載到Scene對象。除了加載文件之外，我們還可以設(shè)定一些選項強(qiáng)制性對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)做一些額外的計算或操作。

1.2.2 處理模型節(jié)點

我們首先檢查每個節(jié)點的網(wǎng)格索引，并索引場景的mMeshes數(shù)組來獲取對應(yīng)的網(wǎng)格。返回的網(wǎng)格將會傳遞到processMesh函數(shù)中，它會返回一個Mesh類對象，我們可以將他存儲在meshes數(shù)組中。當(dāng)所有網(wǎng)格都被處理后，我們會遍歷節(jié)點的所有子節(jié)點，并對子節(jié)點中的網(wǎng)格傳遞到processMesh函數(shù)中，不斷遞歸下去直到節(jié)點中不再存在子節(jié)點為止。

1.2.3 處理模型網(wǎng)格

網(wǎng)格傳遞到processMesh函數(shù)后，開始對網(wǎng)格進(jìn)行處理。處理網(wǎng)格的過程主要分為兩步：獲取所有的定點數(shù)據(jù)；獲取他們的頂點索引。處理后的數(shù)據(jù)將會存儲在兩個vector當(dāng)中，我們會使用他們構(gòu)建一個Mesh類對象，作為processMesh函數(shù)的返回值。

為了獲取頂點數(shù)據(jù)，我們首先定義一個Vertex結(jié)構(gòu)：

struct Vertex

{

glm：：vec3 Position；

glm：：vec3 Normal；

}；

我們將在每個迭代之后將它加到vectorvertices數(shù)組中。我們會遍歷網(wǎng)格中的所有頂點（使用mesh->mNumVertices來獲?。?，并獲得每個頂點的位置、法向量等。

Assimp的接口定義了每個網(wǎng)格都有一個面（Face）數(shù)組，一個面包含了多個索引，他們定義了在每個圖元中我們應(yīng)該繪制哪個頂點，并以什么順序繪制。因此，我們遍歷了所有的面（使用mesh->mNumFaces來獲?。?，并存儲了面的索引到vectorindices中，完成面包含索引的讀取。由此，我們遍歷了所有節(jié)點中的網(wǎng)格，讀取了繪制模型所需要的數(shù)據(jù)。

1.2.4 繪制網(wǎng)格

現(xiàn)在，我們有一大列用于渲染的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)按照OpenGL渲染的標(biāo)準(zhǔn)步驟，配置正確的緩沖，并通過頂點屬性指針定義頂點著色器的布局等，這些設(shè)置都集中在mesh類的成員函數(shù)setupMesh（）中。

初始化Model類對象，并調(diào)用其成員函數(shù)Draw（Shader shader），此函數(shù)將遍歷類對象的meshes數(shù)組，并調(diào)用Mesh類的成員函數(shù)Draw（Shader shader），根據(jù)頂點數(shù)組對象所綁定緩沖中的數(shù)據(jù)，繪制模型。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)前文所述內(nèi)容，在Visual Studio2017平臺實現(xiàn)了對模型文件的讀取、顯示與三維漫游功能。為了驗證系統(tǒng)顯示三維模型的實際效果，選用了CATIA中STL格式的模型文件，下面為得到的三維模型。

3 結(jié)語

對模型文件的讀取與顯示，是對模型一切后續(xù)操作的前提和基礎(chǔ)。本文通過對OpenGL與模型文件的研究，以Visual Studio2017作為開發(fā)平臺，利用Assimp庫讀取模型文件數(shù)據(jù)，并通過OpenGL顯示出了模型，今后，可將這種方法應(yīng)用于機(jī)器人仿真軟件開發(fā)、三維視景建模等領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張代聰.基于OpenGL的交互式PLC虛擬仿真系統(tǒng)[D].山東大學(xué)，2012.

[2]Richard S.Wright， Jr.OpenGL超級寶典[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3]肖健，魏雄，王仁波.基于 OpenGL 的大型建筑三維場景模擬的實現(xiàn)與意義[J].電子質(zhì)量，2016（11）：88-92.