張肇同

【摘 要】在機(jī)器人仿真軟件開(kāi)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(duì)此過(guò)程中的模型導(dǎo)入與動(dòng)態(tài)觀察部分進(jìn)行研究。在VS2017環(huán)境下，通過(guò)OpenGL與Assimp實(shí)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(dòng)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(duì)模型進(jìn)行控制和操作[1]。OpenGL則更容易實(shí)現(xiàn)模型的變換、紋理、交互操作等，但是卻沒(méi)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(jí)命令，只提供了基本的集合圖元（如點(diǎn)、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(shí)際問(wèn)題。

1 模型讀取與繪制方法

考慮到各平臺(tái)文件格式不同，為了增強(qiáng)通用性，我們選擇通過(guò)Assimp庫(kù)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(kāi)源圖形庫(kù)，它會(huì)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(lái)，用同一種方式訪問(wèn)所需數(shù)據(jù)。

當(dāng)使用Assimp導(dǎo)入一個(gè)模型的時(shí)候，它通常會(huì)將整個(gè)模型加載進(jìn)一個(gè)場(chǎng)景對(duì)象，它會(huì)包含導(dǎo)入的模型中的所有數(shù)據(jù)。Assimp會(huì)將場(chǎng)景載入為一系列的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含了場(chǎng)景對(duì)象中所儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的索引，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以由任意數(shù)量的子節(jié)點(diǎn)。

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

1.2 場(chǎng)景繪制方式

現(xiàn)在，我們可以根據(jù)場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)，讀取場(chǎng)景對(duì)象中的數(shù)據(jù)并繪制模型。為了更加系統(tǒng)的進(jìn)行場(chǎng)景繪制，我們構(gòu)建了Model類與Mesh類，分別對(duì)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(duì)象。除了加載文件之外，我們還可以設(shè)定一些選項(xiàng)強(qiáng)制性對(duì)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)做一些額外的計(jì)算或操作。

1.2.2 處理模型節(jié)點(diǎn)

我們首先檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格索引，并索引場(chǎng)景的mMeshes數(shù)組來(lái)獲取對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格。返回的網(wǎng)格將會(huì)傳遞到processMesh函數(shù)中，它會(huì)返回一個(gè)Mesh類對(duì)象，我們可以將他存儲(chǔ)在meshes數(shù)組中。當(dāng)所有網(wǎng)格都被處理后，我們會(huì)遍歷節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)，并對(duì)子節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)格傳遞到processMesh函數(shù)中，不斷遞歸下去直到節(jié)點(diǎn)中不再存在子節(jié)點(diǎn)為止。

1.2.3 處理模型網(wǎng)格

網(wǎng)格傳遞到processMesh函數(shù)后，開(kāi)始對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行處理。處理網(wǎng)格的過(guò)程主要分為兩步：獲取所有的定點(diǎn)數(shù)據(jù)；獲取他們的頂點(diǎn)索引。處理后的數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)在兩個(gè)vector當(dāng)中，我們會(huì)使用他們構(gòu)建一個(gè)Mesh類對(duì)象，作為processMesh函數(shù)的返回值。

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

struct Vertex

{

glm：：vec3 Position；

glm：：vec3 Normal；

}；

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

Assimp的接口定義了每個(gè)網(wǎng)格都有一個(gè)面（Face）數(shù)組，一個(gè)面包含了多個(gè)索引，他們定義了在每個(gè)圖元中我們應(yīng)該繪制哪個(gè)頂點(diǎn)，并以什么順序繪制。因此，我們遍歷了所有的面（使用mesh->mNumFaces來(lái)獲?。?，并存儲(chǔ)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(diǎn)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(guò)頂點(diǎn)屬性指針定義頂點(diǎn)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(duì)象，并調(diào)用其成員函數(shù)Draw（Shader shader），此函數(shù)將遍歷類對(duì)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(diǎn)數(shù)組對(duì)象所綁定緩沖中的數(shù)據(jù)，繪制模型。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文所述內(nèi)容，在Visual Studio2017平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型文件的讀取、顯示與三維漫游功能。為了驗(yàn)證系統(tǒng)顯示三維模型的實(shí)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(yǔ)

對(duì)模型文件的讀取與顯示，是對(duì)模型一切后續(xù)操作的前提和基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)OpenGL與模型文件的研究，以Visual Studio2017作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Assimp庫(kù)讀取模型文件數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(kāi)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(jí)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(chǎng)景模擬的實(shí)現(xiàn)與意義[J].電子質(zhì)量，2016（11）：88-92.