OpenGL入门(十四)：加载OBJ文件

此处的OBJ文件可不是编译时生成的中间文件，
而是一种3D文件。这次我们要加载一个叫al.obj
的文件，里面是强盗Al (Al the gangster)。 \N

我们要作一个天穹，一片草原，把强盗Al放在
草原上 (有点麦田捕手的感觉)。然后我们希望
我们可以在草原上走来走去欣赏风景。 \N

有一点需要提醒：如果你的显卡没有OpenGL 硬件
加速的话，程序运行起来可能慢得无法忍受。一般
的显卡只有DirectX硬件加速，这跟OpenGL硬件加速
是两码事。现在支持OpenGL硬件加速的显卡还比较
少，而且即使有硬件加速也往往功能不全或者有不
少BUG，这也是OpenGL不如DirectX流行的原因之一。 \N

先来谈谈3D文件。3D文件的格式很多，下面给几个
图形文件格式的网站： \N

Graphics File Formats Home Page
Sculpter.org's 3D Format Page
http://www.wotsit.org/ \N

3D Exploration是一个不错的免费的3D Viewer和
Converter。Rhino3D是一个专业的3D Modeler，
它的网站上有evaluation version可以下载。POV
-Ray(一个免费的光线追踪软件)收集了很多关于
3D软件和3D模型的连接，其中许多是免费的。
3D Cafe收集了很多免费的3D模型，其中大多数
是3DS格式的，可以用3D Exploration转成OBJ格
式，就可以在我们的程序中用了。 \N

我们用来加载OBJ文件的代码来自于Nate Robin
的教程( glm.h, glm.c )。OBJ文件本来可以既包含
多边形也可以包含曲线和曲面，但glm只能处理
OBJ文件中的多边形部分。但通常多边形对简
单的3D游戏已经够用了，而且网上下载的3D文
件大多数也只包含多边形。我写了一个很简单
的OBJ Viewer，可以测试加载是否正确。 \N

1。OBJ文件 \N

OBJ文件中包含丰富的3D对象类型，而且文档
的说明很详细。因此熟悉OBJ文件的格式对于
理解其他3D文件的格式也是很有用的。 \N

下面我们举例说明OBJ文件的格式： \N

例1：square.obj \N

v 0.000000 2.000000 0.000000
v 0.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 2.000000 0.000000
f 1 2 3 4 \N

v 表示顶点坐标(vertex)。 \N

f 表示面(face)，就是多边形。最后一行表示一个
有四个顶点的多边形。其顶点是用引用号(reference
number)表示的。引用号就是顶点序号。 \N

例二：cube.obj \N

v 0.000000 2.000000 2.000000
v 0.000000 0.000000 2.000000
v 2.000000 0.000000 2.000000
v 2.000000 2.000000 2.000000
v 0.000000 2.000000 0.000000
v 0.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 2.000000 0.000000
f 1 2 3 4
f 8 7 6 5
f 4 3 7 8
f 5 1 4 8
f 5 6 2 1
f 2 6 7 3 \N

这次有8个顶点，6个面。 \N

注意OBJ文件格式规范中规定可以用负的顶点
引用号表示相对顶点序号，但glm不能处理这
种情况(例如cube2.obj，用3D Exploration可以打
开，但objview会crash)。 \N

例3：twosquare.obj \N

v 0.000000 2.000000 0.000000
v 0.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 2.000000 0.000000
v 4.000000 0.000000 -1.255298
v 4.000000 2.000000 -1.255298
vn 0.000000 0.000000 1.000000
vn 0.000000 0.000000 1.000000
vn 0.276597 0.000000 0.960986
vn 0.276597 0.000000 0.960986
vn 0.531611 0.000000 0.846988
vn 0.531611 0.000000 0.846988
# 6 vertices
# 6 normals
g all
s 1
f 1//1 2//2 3//3 4//4
f 4//4 3//3 5//5 6//6
# 2 elements \N

# 表示注释 \N

vn 表示顶点法向矢量(vertex normal)。我们知
道在OpenGL中要使用光照需要对每个点指定
法向矢量。在OBJ文件中则把这些法向矢量集
中放在一起，而用序号来引用它们。 \N

g 表示group，all是group的名字。下面的两个
face 都属于这个group，直到下一个g 命令或者
文件结束为止。 \N

s 表示平滑组(smooth group)，1是group的序号。 \N

比较有意思的是最后两行。1//1 中第一个1表
示顶点序号(对应于由 v 命令定义的各行)，后
一个1表示顶点法向矢量序号(对应于由 vn命令
定义的各行)。中间其实省略了纹理矢量序号
(对应于由 vt 命令定义的各行)。2//2，3//3，4//4，
都作同样的解释。因此这一行还是表示一个
四边形，只不过对每个点不仅定义了顶点坐标，
而且定义了法向矢量。 \N

例4：colorcube.obj colorcube.mtl \N

下面是colorcube.obj的内容： \N

mtllib colorcube.mtl
v 0.000000 2.000000 2.000000
v 0.000000 0.000000 2.000000
v 2.000000 0.000000 2.000000
v 2.000000 2.000000 2.000000
v 0.000000 2.000000 0.000000
v 0.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 0.000000 0.000000
v 2.000000 2.000000 0.000000
# 8 vertices
g front
usemtl red
f 1 2 3 4
g back
usemtl blue
f 8 7 6 5
g right
usemtl green
f 4 3 7 8
g top
usemtl gold
f 5 1 4 8
g left
usemtl orange
f 5 6 2 1
g bottom
usemtl purple
f 2 6 7 3
# 6 elements \N

mtllib colorcube.obj 表示本OBJ文件要用到
一个材料文件colorcube.mtl，这个文件和本
文件在同一个目录下。 \N

usemtl red 表示此后的物体使用名叫red的
材料，直到下一个usemtl 命令为止。材料
red 由colorcube.mtl 定义。 \N

下面是colorcube.mtl的内容： \N

#
# colocube.mtl
# \N

newmtl red
Ka 0 0 0
Kd 1 0 0 \N

newmtl blue
Ka 0 0 0
Kd 0 0 1 \N

newmtl green
Ka 0 0 0
Kd 0 1 0 \N

newmtl gold
Ka 0.247250 0.199500 0.074500
Kd 0.751640 0.606480 0.226480
Ks 0.628281 0.555802 0.366065
illum 0
Ns 51.200001 \N

newmtl orange
Ka 0 0 0
Kd 0.9 0.5 0 \N

newmtl purple
Ka 0 0 0
Kd 0.7 0 0.9 \N

newmtl red 定义一个名叫red的材料。 \N

Ka,Kd,Ks,illum,Ns 分别定义ambient, diffuse,
specular, emission 和 shiness 参数。 \N

到这里，我们对OBJ文件中涉及多边形的
部分有了初步的了解。OBJ文件还包含很
多其它的命令，实现规范中的所有命令是
很繁杂的工作，glm.c 只实现了涉及多边
形的一部分命令，大体上也就是我们这几
个例子中所用到的命令。 \N

2。glm.c的使用 \N

下面我们学习如何使用glm.c。 \N

首先把glm.c加入工程，并在主文件中
#include "glm.h"。 \N

加载文件用如下代码： \N

char* g_model_fn = "data\\al.obj";
GLMmodel* g_model = NULL; \N

g_model = glmReadOBJ(g_model_fn);
if (!g_model) exit(0);
glmUnitize(g_model);
glmScale(g_model,1.8);
glmFacetNormals(g_model);
glmVertexNormals(g_model, 90.0); \N

g_model_fn是文件名。 \N

g_model是指向GLMmodel结构的指针。 \N

glmReadOBJ加载一个OBJ文件，生成一个GL
Mmodel结构，并返回其指针。以后对这个
model的操作都需要这个指针作为标识。 \N

glmUnitize把模型归一化到一个(-0.5,-0.5,-0.5)-
(0.5,0.5,0.5)的盒子内。这样模型的最大尺寸
是1，中心在原点。 \N

glmScale把模型作伸缩变换(Al身高1米8)。 \N

glmFacetNormals为模型的每个面(facet)生成法
向矢量。 \N

glmVertexNormals为模型的每个顶点生成法向
矢量。顶点的法向矢量是对相邻面的法向矢
量取平均值而得到的，因此需要预先调用
glmFacetNormals。第二个参数表示一个界限，
如果某个相邻面与第一个相邻面的夹角超过
此界限，那么该面不参与平均。这样可以保
留大的转折而不致于让整个模型都没楞没角。 \N

显示模型用如下代码： \N

Vector3 his_position(0,0.9,-2); \N

glEnable(GL_LIGHTING);
glEnable(GL_LIGHT0);
glDisable(GL_TEXTURE_2D); \N

glTranslatef(his_position.x,his_position.y,his_position.z);
glmDraw(g_model,GLM_SMOOTH | GLM_MATERIAL); \N

his_position 是记录Al位置的全局变量。Al的
位置用他的重心坐标表示，因此y坐标是0.9
(y坐标竖直向上)。 \N

首先用glTranslatef把局部坐标系设置到Al的位
置。 \N

glmDraw显示模型。第二个参数表示显示方式。
GLM_SMOOTH表示光滑着色，GLM_MATERIAL
表示使用模型自带的材料。此外还有其它一
些方式：GLM_NONE只显示顶点，GLM_FLAT
使用非光滑的着色(参见glShadeModel)，GLM_TEXTURE
使用纹理坐标。 \N

程序结束时还应删除模型： \N

if(g_model) glmDelete(g_model); \N

glm还包括其它一些函数： \N

GLvoid glmDimensions(GLMmodel* model, GLfloat* dimensions);
得到模型的长宽高
GLvoid glmReverseWinding(GLMmodel* model);
颠倒多边形的顶点顺序
GLvoid glmLinearTexture(GLMmodel* model);
用投影到平面的方法生成纹理坐标
GLvoid glmSpheremapTexture(GLMmodel* model);
用投影到球面的方法生成纹理坐标
GLvoid glmWriteOBJ(GLMmodel* model, char* filename, GLuint mode);
把模型存成OBJ文件
GLuint glmList(GLMmodel* model, GLuint mode);
生成模型的display list
GLvoid glmWeld(GLMmodel* model, GLfloat epsilon);
合并距离小于epsilon的顶点
GLubyte* glmReadPPM(const char* filename, int* width, int* height);
加载一个PPM文件 \N

3。简单的碰撞检测 \N

我们不希望在草原上漫游的时候会穿过Al的
身体(否则我们会看到Al的大眼珠子隐藏在他
的脑袋里面，那是很难看的)，因此我们希望
如果我们计算出下一步会走得离Al太近，就不
允许走那一步。这就是碰撞检测(collision detection)。
如何高效而又准确地作碰撞检测是3D游戏的
一个重要问题。但是在我们这个简单的教程
里，碰撞检测可以很简单地实现。 \N

Vector3 his_position(0,0.9,-2);
Vector3 his_size(0.5,1,0.5);
Vector3 my_position(0,1.5,0);
Vector3 my_step(0,0,-0.3);
float my_orientation = 0;
float my_rotate_speed = 10;
float my_step_size = 0.3; \N

void special(int key, int x, int y)
//特殊按键回调函数：当功能键或光标键被按下时系统调用此函数
{
float angle;
Vector3 new_position;
switch(key)
{
case GLUT_KEY_LEFT:
my_orientation += my_rotate_speed;
angle = my_orientation * ML_PI / 180;
my_step.x = -my_step_size * sin(angle);
my_step.z = -my_step_size * cos(angle);
break;
case GLUT_KEY_RIGHT:
my_orientation -= my_rotate_speed;
angle = my_orientation * ML_PI / 180;
my_step.x = -my_step_size * sin(angle);
my_step.z = -my_step_size * cos(angle);
break;
case GLUT_KEY_UP:
new_position = my_position + my_step;
if(fabs(new_position.x-his_position.x)>his_size.x
|| fabs(new_position.z-his_position.z)>his_size.z)
my_position = new_position;
break;
case GLUT_KEY_DOWN:
new_position = my_position - my_step;
if(fabs(new_position.x-his_position.x)>his_size.x
|| fabs(new_position.z-his_position.z)>his_size.z)
my_position = new_position;
break;
}
glutPostRedisplay();
}
\N

碰撞检测是在特殊按键回调函数中作的。我
们把Al简化成一个矩形，而我们自己简化成
一个点。当我们按UP或DOWN键时，如果
这个点下一步会落在矩形里，下一步就走不
成，除非改变方向。 \N

Oct. 14, 2000 \N

下载tut14.zip \N

你需要glut32.dll来运行此程序，下载glut32.dll