Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型

翻译自：https://www.ics.com/blog/qt-and-opengl-loading-3d-model-open-asset-import-library-assimp

By Eric Stone Wednesday, May 21, 2014

这篇博客文章是该系列的第一篇文章，该系列文章将介绍如何将OpenGL与Qt一起使用。在本期中，我们将研究如何使用Open Asset Import Library（ASSIMP）⁽¹⁾从某些常见3D模型格式加载3D模型。该示例代码需要Assimp 3.0以上版本。该代码还将使用Qt的多个便利类（QString，QVector，QSharedPointer等）。

阅读第2部分Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型

介绍

首先，我们将创建一些简单的类来保存模型的数据。结构MaterialInfo将包含有关材料外观的信息。我们将使用Phong着色模型⁽²⁾进行着色。

struct MaterialInfo
{
    QString Name;
    QVector3D Ambient;
    QVector3D Diffuse;
    QVector3D Specular;
    float Shininess;
};

LightInfo结构将包含有关光源的信息：

struct LightInfo
{
    QVector4D Position;
    QVector3D Intensity;
};

Mesh类将为我们提供有关网格的信息。它实际上不包含网格的顶点数据，但是具有我们需要从顶点缓冲区中获取的信息。 Mesh::indexCount是网格中的顶点数，Mesh::indexOffset是缓冲区中顶点数据开始的位置，Mesh::material是网格的材质信息。

struct Mesh
{
    QString name;
    unsigned int indexCount;
    unsigned int indexOffset;
    QSharedPointer<MaterialInfo> material;
};

单个模型可能具有许多不同的网格。 Node类将包含网格以及将其放置在场景中的转换矩阵。每个节点还可以具有子节点。我们可以将所有网格存储在单个数组中，但是将它们存储在树形结构中可以使我们更轻松地为对象设置动画。可以将其视为人体，就好像身体是根节点，上臂将是根节点的子节点，下臂将是上臂节点的子节点，而手将是下臂节点的子节点。

struct Node
{
    QString name;
    QMatrix4x4 transformation;
    QVector<QSharedPointer<Mesh> > meshes;
    QVector<Node> nodes;
};

ModelLoader类将用于将信息加载到单个根节点中：

class ModelLoader
{
public:
    ModelLoader();
    bool Load(QString pathToFile);
    void getBufferData(QVector<float> **vertices, QVector<float> **normals,
                        QVector<unsigned int> **indices);

    QSharedPointer<Node> getNodeData() { return m_rootNode; }

此类的用法将很简单。 ModelLoader::Load()接受3D模型文件的路径，并加载模型。 ModelLoader::getBufferData()用于检索已索引图形的顶点位置、法线和索引。 ModelLoader::getNodeData()将返回根节点。

下面是ModelLoader私有的函数和变量：

    QSharedPointer<MaterialInfo> processMaterial(aiMaterial *mater);
    QSharedPointer<Mesh> processMesh(aiMesh *mesh);
    void processNode(const aiScene *scene, aiNode *node, Node *parentNode, Node &newNode);

    void transformToUnitCoordinates();
    void findObjectDimensions(Node *node, QMatrix4x4 transformation, QVector3D &minDimension, QVector3D &maxDimension);

    QVector<float> m_vertices;
    QVector<float> m_normals;
    QVector<unsigned int> m_indices;

    QVector<QSharedPointer<MaterialInfo> > m_materials;
    QVector<QSharedPointer<Mesh> > m_meshes;
    QSharedPointer<Node> m_rootNode;

下一步是加载模型。如果没有安装Assimp 3.0，则必须安装Assimp 3.0。请注意，Assimp 2.0在此示例中不起作用。首先，我们包含必要的Assimp标头：

#include <assimp/scene.h>
#include <assimp/postprocess.h>
#include <assimp/Importer.hpp>

这是ModelLoader::Load()函数的代码：

bool ModelLoader::Load(QString pathToFile)
{
    Assimp::Importer importer;

    const aiScene* scene = importer.ReadFile(pathToFile.toStdString(),
            aiProcess_GenSmoothNormals |
            aiProcess_CalcTangentSpace |
            aiProcess_Triangulate |
            aiProcess_JoinIdenticalVertices |
            aiProcess_SortByPType
            );

    if (!scene)
    {
        qDebug() << "Error loading file: (assimp:) " << importer.GetErrorString();
        return false;
    }

Assimp将有关模型的所有信息存储在此处创建的aiScene实例中。 importer对象保留了aiScene对象的所有权，因此我们不必担心以后其被删除。如果发生错误，返回的场景对象将为null，因此我们在此处进行检查，如果发生错误，则从函数返回false。

有关传递给importer的标志的更多详细信息，请参见Assimp的postprocess.h文件。下面是上面提到的标志的介绍：

GenSmoothNormals：如果模型中没有法线，则生成法线。
CalcTangentSpace：计算切线空间，只有在进行法线贴图时才需要。
Triangulate：将具有三个以上顶点的图元拆分为三角形。
JoinIdenticalVertices：连接相同的顶点数据，并通过索引图形改善性能。

如果scene不为null，那么我们可以假设模型已正确加载并开始复制所需的数据。数据将按以下顺序读取：

1.材质（Materials）
2.网格（Meshes）
3.节点（Nodes）

材质必须在网格之前加载，而网格必须在节点之前加载。

加载材质

下一步是加载材质：

    if (scene->HasMaterials())
    {
        for (unsigned int ii = 0; ii < scene->mNumMaterials; ++ii)
        {
            QSharedPointer<MaterialInfo> mater = processMaterial(scene->mMaterials[ii]);
            m_materials.push_back(mater);
        }
    }

所有材质都存储在aiScene::mMaterials数组中，并且数组大小为aiScene::nNumMaterials。我们遍历每个对象，并将其传递给我们的processMaterial函数，该函数将向我们返回一个新的MaterialInfo对象。然后，变量m_materials将包含场景中所有网格的材质信息（如果可用）。

让我们仔细看看我们将使用的ModelLoader::processMaterial实现：

QSharedPointer<MaterialInfo> ModelLoader::processMaterial(aiMaterial *material)
{
    QSharedPointer<MaterialInfo> mater(new MaterialInfo);

    aiString mname;
    material->Get(AI_MATKEY_NAME, mname);
    if (mname.length > 0)
        mater->Name = mname.C_Str();

    int shadingModel;
    material->Get(AI_MATKEY_SHADING_MODEL, shadingModel);

    if (shadingModel != aiShadingMode_Phong && shadingModel != aiShadingMode_Gouraud)
    {
        qDebug() << "This mesh's shading model is not implemented in this loader, setting to default material";
        mater->Name = "DefaultMaterial";
    }
    else
        ...

aiMaterial类使用键值对存储材质数据。我们复制名称，然后检查这种材质的照明模型。在本教程中，我们仅需关注Phong或Gouraud着色模型，因此，如果不是其中之一，则将名称设置为“DefaultMaterial”以表明渲染应使用其自身的材质值。

继续上面的代码：

    ...
    }
    else
    {
        aiColor3D dif(0.f,0.f,0.f);
        aiColor3D amb(0.f,0.f,0.f);
        aiColor3D spec(0.f,0.f,0.f);
        float shine = 0.0;

        material->Get(AI_MATKEY_COLOR_AMBIENT, amb);
        material->Get(AI_MATKEY_COLOR_DIFFUSE, dif);
        material->Get(AI_MATKEY_COLOR_SPECULAR, spec);
        material->Get(AI_MATKEY_SHININESS, shine);

        mater->Ambient = QVector3D(amb.r, amb.g, amb.b);
        mater->Diffuse = QVector3D(dif.r, dif.g, dif.b);
        mater->Specular = QVector3D(spec.r, spec.g, spec.b);
        mater->Shininess = shine;

        mater->Ambient *= .2;
        if (mater->Shininess == 0.0)
            mater->Shininess = 30;
    }

    return mater;
}

我们只对环境光照，漫反射，镜面反射和光泽特性感兴趣。您可以在此处⁽³⁾中看到更长的可用属性列表。调用aiMaterial::Get(key, value)获取所需的值，然后将其复制到MaterialInfo对象。

请注意，我们在此处缩小了环境光照值。这是因为我们用于渲染的OpenGL着色器只会针对环境光照，漫反射和镜面入射光使用同一个照明强度向量（LightInfo::Intensity）。另外，我们的着色器可以对光源的环境光照，漫反射和镜面反射分量使用单独的矢量，以实现更好的控制。我们还检查是否为模型指定了亮度值，如果没有，则将默认值设置为30。

加载网格

回到 Load() 函数中：

    if (scene->HasMeshes())
    {
        for (unsigned int ii = 0; ii < scene->mNumMeshes; ++ii)
        {
            m_meshes.push_back(processMesh(scene->mMeshes[ii]));
        }
    }
    else
    {
        qDebug() << "Error: No meshes found";
        return false;
    }

所有网格都存储在aiScene::mMeshes数组中，并且数组大小为aiScene::nNumMeshes。我们遍历每个对象，并将其传递给我们的ModelLoader::processMesh函数，该函数将为我们返回一个新的Mesh对象。变量m_meshes将包含场景中的所有网格。

此时，每个网格将与一种材质相关联。如果在模型中未指定任何材质，它将具有默认材质，其MaterialInfo::Name设置为DefaultMaterial。要加载网格，我们需要执行以下操作：

计算索引偏移量（Mesh::indexOffset）。这将告诉我们该网格的数据在缓冲区中的何处开始。
将所有顶点数据从aiMesh::mVertices[]复制到我们的顶点缓冲区（ModelLoader::m_vertices）。
将所有法线数据从aiMesh::mNormals[]复制到我们的法线缓冲区（ModelLoader::m_normals）。
（可选，本教程未介绍）复制纹理相关数据。
计算索引数据并添加到我们的索引缓冲区（ModelLoader::m_indices）。
设置网格的索引计数（Mesh::indexCount），这是网格中的顶点数。
设置网格的材质（Mesh::material）。

QSharedPointer<Mesh> ModelLoader::processMesh(aiMesh *mesh)
{
    QSharedPointer<Mesh> newMesh(new Mesh);
    newMesh->name = mesh->mName.length != 0 ? mesh->mName.C_Str() : "";
    newMesh->indexOffset = m_indices.size();
    unsigned int indexCountBefore = m_indices.size();
    int vertindexoffset = m_vertices.size()/3;

    // Get Vertices
    if (mesh->mNumVertices > 0)
    {
        for (uint ii = 0; ii < mesh->mNumVertices; ++ii)
        {
            aiVector3D &vec = mesh->mVertices[ii];

            m_vertices.push_back(vec.x);
            m_vertices.push_back(vec.y);
            m_vertices.push_back(vec.z);
        }
    }

    // Get Normals
    if (mesh->HasNormals())
    {
        for (uint ii = 0; ii < mesh->mNumVertices; ++ii)
        {
            aiVector3D &vec = mesh->mNormals[ii];
            m_normals.push_back(vec.x);
            m_normals.push_back(vec.y);
            m_normals.push_back(vec.z);
        };
    }

    // Get mesh indexes
    for (uint t = 0; t < mesh->mNumFaces; ++t)
    {
        aiFace* face = &mesh->mFaces[t];
        if (face->mNumIndices != 3)
        {
            qDebug() << "Warning: Mesh face with not exactly 3 indices, ignoring this primitive.";
            continue;
        }

        m_indices.push_back(face->mIndices[0]+vertindexoffset);
        m_indices.push_back(face->mIndices[1]+vertindexoffset);
        m_indices.push_back(face->mIndices[2]+vertindexoffset);
    }

    newMesh->indexCount = m_indices.size() - indexCountBefore;
    newMesh->material = m_materials.at(mesh->mMaterialIndex);

    return newMesh;
}

其中大多数很简单。由于每个顶点只使用一个缓冲区（Assimp每个网格有一个缓冲区），因此需要将偏移量添加到索引值。

aiMesh将索引数据存储在aiFace对象数组中。 aiFace表示一个基本绘制图形。如果face的索引数量不等于3，则它不是三角形，因此在本教程中我们将忽略它。

如果face是三角形，则将索引值添加到m_indices。请记住要向其中添加顶点偏移值，因为Assimp给出的索引是相对于网格的，而我们将所有网格的索引存储在一个缓冲区中。

由于我们已经处理了该网格的所有索引，因此现在我们可以计算该网格的索引计数，并设置网格的材质。

在本教程中，我们仅关注顶点，法线和索引，但是您可以在此处加载其他信息，例如顶点纹理座标或切线。可下载的示例代码⁽⁴⁾也包含获得这些信息的函数。

加载节点

接下来，我们必须从根节点开始处理aiScene中的节点。节点定义相对于彼此绘制网格的位置。确保aiScene的根节点不为null，然后将其传递给processNode()，这将实现用所有模型数据填充ModelLoader::m_rootNode。

    if (scene->mRootNode != NULL)
    {
        Node *rootNode = new Node;
        processNode(scene, scene->mRootNode, 0, *rootNode);
        m_rootNode.reset(rootNode);
    }
    else
    {
        qDebug() << "Error loading model";
        return false;
    }

    return true;
}

这是processNode实现的步骤。我们需要执行以下步骤：

（可选）设置节点的名称。
设置节点的转换矩阵。
将指针复制到该节点的每个网格。
添加子节点，并为每个子节点调用ModelLoader::processNode。这将递归处理所有子级。

void ModelLoader::processNode(const aiScene *scene, aiNode *node, Node *parentNode, Node &newNode)
{
    newNode.name = node->mName.length != 0 ? node->mName.C_Str() : "";

    newNode.transformation = QMatrix4x4(node->mTransformation[0]);

    newNode.meshes.resize(node->mNumMeshes);
    for (uint imesh = 0; imesh < node->mNumMeshes; ++imesh)
    {
        QSharedPointer<Mesh> mesh = m_meshes[node->mMeshes[imesh]];
        newNode.meshes[imesh] = mesh;
    }

    for (uint ich = 0; ich < node->mNumChildren; ++ich)
    {
        newNode.nodes.push_back(Node());
        processNode(scene, node->mChildren[ich], parentNode, newNode.nodes[ich]);
    }
}

收尾工作

该类可以如下使用：

    ModelLoader model;

    if (!model.Load("head.3ds"))
    {
        m_error = true;
        return;
    }

    QVector<float> *vertices;
    QVector<float> *normals;
    QVector<unsigned int> *indices;

    model.getBufferData(&vertices, &normals, &indices);

    m_rootNode = model.getNodeData();

至此，您已经拥有了使用OpenGL显示模型所需的所有数据。

可下载示例⁽⁴⁾的完整源代码，包括qmake项目文件。如果存在Assimp 3以上的库，则它可以在任何平台上运行。您可能需要调整项目文件中的路径。在最新版本的Linux（例如Ubuntu）上，合适的版本的Assimp可作为Linux发行版的一部分提供。在Mac和Windows上，您可能需要从源代码构建Assimp。着色器和场景类有两组，一组用于OpenGL 3.3，另一组用于OpenGL 2.1 / OpenGL ES2。它将尝试运行3.3版本，但在必要时应自动回退到GL 2版本。

总结

这篇博客文章演示了如何使用Qt和Assimp库加载3D模型。

阅读第2部分Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型

参考文献

Open Asset Import Library, accessed April 30, 2014, assimp.sourceforge.net
Phong Shading, Wikipedia article, accessed April 30, 2014, en.wikipedia.org/wiki/Phong_shading
Assimp Material System, accessed April 30, 2014, assimp.sourceforge.net/lib_html/materials.html
此博客文章的可下载代码：OpenGL博客文章文件

关于作者

Eric Stone

Eric是ICS的软件工程师，具有使用C++进行编程的丰富经验。他已经使用Qt和OpenGL进行编程超过六年，并且在开发台式机和嵌入式设备上的应用程序方面具有实践经验。

原文：https://www.ics.com/blog/qt-and-opengl-loading-3d-model-open-asset-import-library-assimp

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Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型

Qt和OpenGL：使用Open Asset Import Library（ASSIMP）加载3D模型

介绍

加载材质

加载网格

加载节点

收尾工作

总结

参考文献

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