第十三章 opengl之模型（导入3D模型）

模型

使用Assimp并创建实际的加载和转换代码。Model类结构如下：

class Model 
{public:/*  函数   */Model(char *path){loadModel(path);}void Draw(Shader shader);   private:/*  模型数据  */vector<Mesh> meshes;string directory;/*  函数   */void loadModel(string path);void processNode(aiNode *node, const aiScene *scene);Mesh processMesh(aiMesh *mesh, const aiScene *scene);vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName);
};

Model类包含一个Mesh对象的vector，构造器参数需要一个文件路径。
构造器通过loadModel来加载文件。私有函数将会处理Assimp导入过程中的一部分，私有函数还存储了 文件路径的目录，加载纹理时会用到。
Draw函数的作用：遍历所有网格，调用网格 各自的Draw函数：

void Draw(Shader shader)
{for(unsigned int i = 0; i < meshes.size(); i++)meshes[i].Draw(shader);
}

导入3D模型

导入一个模型，并将其转换到自己的数据结构中。则首先需要包含Assimp对应的头文件：

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

首先调用函数loadModel，直接从构造器中调用。在该函数汇总，使用Assimp加载模型到Assimp的一个叫做scene的数据结构中。这个是场景对象，通过它可以访问到加载后的模型中所有需要的数据。
Assimp抽象了加载不同文件格式的所有技术细节，只需要一行代码即可：

Assimp::Importer importer;
const aiScene *scene = importer.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);

代码解读：声明了Assimp命名空间内的一个Importer，之后调用ReadFile函数。该函数需要一个文件路径，第二个参数是后期处理的选项。除了加载文件外，Assimp允许设定一些选项来强制它对导入的数据做一些额外的计算。
通过设定aiProcess_Triangulate ，能告诉Assimp，如果模型不是全部由三角形组成，那么需要将模型的所有图元转换成三角形。
aiProcess_FlipUVs，将在处理的时候翻转y轴的纹理坐标，因为在OpenGL中大部分的图像的y轴都是反的，所系这个后期处理选项可以修复该问题。
其他有用的选项还有：（https://assimp.sourceforge.net/lib_html/postprocess_8h.html）

1. aiProcess_GenNormals：如果模型不包含法向量的话，就为每个顶点创建法线。
2. aiProcess_SplitLargeMeshes：将比较大的网格分割成更小的子网格，如果你的渲染有最大顶点数限制，只能渲染较小的网格，那么它会非常有用。
3. aiProcess_OptimizeMeshes：和上个选项相反，它会将多个小网格拼接为一个大的网格，减少绘制调用从而进行优化。

可以看出使用Assimp加载模型是非常容易的。难的是之后使用返回的场景对象将加载的数据转换到一个Mesh对象的数组。
完整的loadModel函数如下：

void loadModel(string path)
{Assimp::Importer import;const aiScene *scene = import.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);    if(!scene || scene->mFlags & AI_SCENE_FLAGS_INCOMPLETE || !scene->mRootNode) {cout << "ERROR::ASSIMP::" << import.GetErrorString() << endl;return;}directory = path.substr(0, path.find_last_of('/'));processNode(scene->mRootNode, scene);
}

在我们加载了模型之后，我们会检查场景和其根节点不为null，并且检查了它的一个标记(Flag)，来查看返回的数据是不是不完整的。如果遇到了任何错误，我们都会通过导入器的GetErrorString函数来报告错误并返回。我们也获取了文件路径的目录路径。
如果什么错误都没有发生，我们希望处理场景中的所有节点，所以我们将第一个节点（根节点）传入了递归的processNode函数。因为每个节点（可能）包含有多个子节点，我们希望首先处理参数中的节点，再继续处理该节点所有的子节点，以此类推。这正符合一个递归结构，所以我们将定义一个递归函数。递归函数在做一些处理之后，使用不同的参数递归调用这个函数自身，直到某个条件被满足停止递归。在我们的例子中退出条件(Exit Condition)是所有的节点都被处理完毕。

Assimp结构中，每个节点包含一系列网格索引，每个索引指向场景对象中的那个特定网格。接下来需要去获取这些网格索引，获取每个网格，处理每个网格，接着对每个节点的子节点重复这个过程，则processNode函数如下：

void processNode(aiNode *node, const aiScene *scene)
{// 处理节点所有的网格（如果有的话）for(unsigned int i = 0; i < node->mNumMeshes; i++){aiMesh *mesh = scene->mMeshes[node->mMeshes[i]]; meshes.push_back(processMesh(mesh, scene));         }// 接下来对它的子节点重复这一过程for(unsigned int i = 0; i < node->mNumChildren; i++){processNode(node->mChildren[i], scene);}
}

我们首先检查每个节点的网格索引，并索引场景的mMeshes数组来获取对应的网格。返回的网格将会传递到processMesh函数中，它会返回一个Mesh对象，我们可以将它存储在meshes列表/vector。

所有网格都被处理之后，我们会遍历节点的所有子节点，并对它们调用相同的processMesh函数。当一个节点不再有任何子节点之后，这个函数将会停止执行。

下一步是将Assimp的数据解析到Mesh类中。就是将一根aiMesh对象转化为自己的网格对象。只需要访问网格的相关属性并将它们存储到自己的对象中。processMesh函数如下：

Mesh processMesh(aiMesh *mesh, const aiScene *scene)
{vector<Vertex> vertices;vector<unsigned int> indices;vector<Texture> textures;for(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumVertices; i++){Vertex vertex;// 处理顶点位置、法线和纹理坐标...vertices.push_back(vertex);}// 处理索引...// 处理材质if(mesh->mMaterialIndex >= 0){...}return Mesh(vertices, indices, textures);
}

处理网格的过程主要有三部分：获取所有的顶点数据，获取它们的网格索引，并获取相关的材质数据。处理后的数据将会储存在三个vector当中，我们会利用它们构建一个Mesh对象，并返回它到函数的调用者那里。
1。获取顶点数据：定义了一个Vertex结构体，将在每个迭代之后将它加入到vertices数组中。会遍历网格中的所有顶点——使用mesh->mNumVertices来获取。每个迭代中，使用所有的相关数据填充这个结构体，顶点的位置如下：

glm::vec3 vector; 
vector.x = mesh->mVertices[i].x;
vector.y = mesh->mVertices[i].y;
vector.z = mesh->mVertices[i].z; 
vertex.Position = vector;

使用了vec3的临时变量，是因为Assimp对向量，矩阵，字符串等都有自己的一套数据类型，并不能完美地转换到GLM的数据类型中。
处理法线的过程类似：

vector.x = mesh->mNormals[i].x;
vector.y = mesh->mNormals[i].y;
vector.z = mesh->mNormals[i].z;
vertex.Normal = vector;

纹理坐标的处理也大体相似，但Assimp允许一个模型在一个顶点上有最多8个不同的纹理坐标，我们不会用到那么多，我们只关心第一组纹理坐标。我们同样也想检查网格是否真的包含了纹理坐标：

if(mesh->mTextureCoords[0]) // 网格是否有纹理坐标？
{glm::vec2 vec;vec.x = mesh->mTextureCoords[0][i].x; vec.y = mesh->mTextureCoords[0][i].y;vertex.TexCoords = vec;
}
elsevertex.TexCoords = glm::vec2(0.0f, 0.0f);

vertex结构体现在已经填充好了需要的顶点属性，我们会在迭代的最后将它压入vertices这个vector的尾部。这个过程会对每个网格的顶点都重复一遍。

Assimp的接口定义了每个网格都有一个面(Face)数组，每个面代表了一个图元，在例子中（由于使用了aiProcess_Triangulate选项）它总是三角形。一个面包含了多个索引，它们定义了在每个图元中，我们应该绘制哪个顶点，并以什么顺序绘制，所以如果我们遍历了所有的面，并储存了面的索引到indices这个vector中就可以了。

for(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumFaces; i++)
{aiFace face = mesh->mFaces[i];for(unsigned int j = 0; j < face.mNumIndices; j++)indices.push_back(face.mIndices[j]);
}

到目前为止，有了一系列的顶点和索引数据，可以通过glDrawElements函数来绘制网格。为了提供一些细节，还需要处理网格的材质。
一个网格只包含了一个指向材质对象的索引。如果要获取网格真正的材质，还需要索引场景的mMaterials数组。网格材质索引位于其mMaterialIndex属性，同样可以用它来检测一个网格是否包含有材质：

if(mesh->mMaterialIndex >= 0)
{aiMaterial *material = scene->mMaterials[mesh->mMaterialIndex];vector<Texture> diffuseMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_DIFFUSE, "texture_diffuse");textures.insert(textures.end(), diffuseMaps.begin(), diffuseMaps.end());vector<Texture> specularMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_SPECULAR, "texture_specular");textures.insert(textures.end(), specularMaps.begin(), specularMaps.end());
}

我们首先从场景的mMaterials数组中获取aiMaterial对象。接下来我们希望加载网格的漫反射和/或镜面光贴图。一个材质对象的内部对每种纹理类型都存储了一个纹理位置数组。不同的纹理类型都以aiTextureType_为前缀。我们使用一个叫做loadMaterialTextures的工具函数来从材质中获取纹理。这个函数将会返回一个Texture结构体的vector，我们将在模型的textures的尾部之后存储它。

loadMaterialTextures函数遍历了给定纹理类型的所有纹理位置，获取了纹理的文件位置，并加载并和生成了纹理，将信息储存在了一个Vertex结构体中。loadMaterialTextures函数它看起来会像这样：

vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName)
{vector<Texture> textures;for(unsigned int i = 0; i < mat->GetTextureCount(type); i++){aiString str;mat->GetTexture(type, i, &str);Texture texture;texture.id = TextureFromFile(str.C_Str(), directory);texture.type = typeName;texture.path = str;textures.push_back(texture);}return textures;
}

我们首先通过GetTextureCount函数检查储存在材质中纹理的数量，这个函数需要一个纹理类型。我们会使用GetTexture获取每个纹理的文件位置，它会将结果储存在一个aiString中。我们接下来使用另外一个叫做TextureFromFile的工具函数，它将会（用stb_image.h）加载一个纹理并返回该纹理的ID。第二个参数是模型的文件路径。

注意：我们假设了模型文件中纹理文件的路径是相对于模型文件的本地(Local)路径，比如说与模型文件处于同一目录下。我们可以将纹理位置字符串拼接到之前获取的目录字符串上（TextureFromFile），来获取完整的纹理路径（这也是为什么GetTexture函数也需要一个目录字符串）。

在网络上找到的某些模型会对纹理位置使用绝对(Absolute)路径，这就不能在每台机器上都工作了。在这种情况下，你可能会需要手动修改这个文件，来让它对纹理使用本地路径（如果可能的话）。

综上，是使用Assimp导入模型的全部。

优化

优化不是必须的，但是可以提高加载过程。
大多数场景都会在多个网络中 重用部分纹理。比如：一个纹理不仅可以用到人身上，也能用到物体身上。当然就是用同一个纹理进行加载。但是同样的纹理已经被加载过了很多遍，对每个网格仍会加载并生成一个新的纹理。很快就会变成模型加载实现的性能瓶颈。
可以被模型的代码进行调整，将所有加载过的纹理全局存储。每当要加载一个纹理的时候，首先去检查是否被加载过，如果有的话，直接使用那个纹理，并跳过整个加载流程。为了能够比较纹理，还需要存储它们的路径：

struct Texture {unsigned int id;string type;aiString path;  // 我们储存纹理的路径用于与其它纹理进行比较
};

接下来我们将所有加载过的纹理储存在另一个vector中，在模型类的顶部声明为一个私有变量：

vector<Texture> textures_loaded;

在loadMaterialTextures函数中，我们希望将纹理的路径与储存在textures_loaded这个vector中的所有纹理进行比较，看看当前纹理的路径是否与其中的一个相同。如果是的话，则跳过纹理加载/生成的部分，直接使用定位到的纹理结构体为网格的纹理。更新后的函数如下：

vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName)
{vector<Texture> textures;for(unsigned int i = 0; i < mat->GetTextureCount(type); i++){aiString str;mat->GetTexture(type, i, &str);bool skip = false;for(unsigned int j = 0; j < textures_loaded.size(); j++){if(std::strcmp(textures_loaded[j].path.data(), str.C_Str()) == 0){textures.push_back(textures_loaded[j]);skip = true; break;}}if(!skip){   // 如果纹理还没有被加载，则加载它Texture texture;texture.id = TextureFromFile(str.C_Str(), directory);texture.type = typeName;texture.path = str.C_Str();textures.push_back(texture);textures_loaded.push_back(texture); // 添加到已加载的纹理中}}return textures;
}

所以现在我们不仅有了个灵活的模型加载系统，我们也获得了一个加载对象很快的优化版本。

综上，完整代码如下：

#ifndef MODEL_H
#define MODEL_H#include <glad/glad.h> #include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>
#include <stb_image.h>
#include <assimp/Importer.hpp>
#include <assimp/scene.h>
#include <assimp/postprocess.h>#include <learnopengl/mesh.h>
#include <learnopengl/shader.h>#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>
#include <map>
#include <vector>
using namespace std;unsigned int TextureFromFile(const char *path, const string &directory, bool gamma = false);class Model 
{
public:// model data vector<Texture> textures_loaded;	// stores all the textures loaded so far, optimization to make sure textures aren't loaded more than once.vector<Mesh>    meshes;string directory;bool gammaCorrection;// constructor, expects a filepath to a 3D model.Model(string const &path, bool gamma = false) : gammaCorrection(gamma){loadModel(path);}// draws the model, and thus all its meshesvoid Draw(Shader &shader){for(unsigned int i = 0; i < meshes.size(); i++)meshes[i].Draw(shader);}private:// loads a model with supported ASSIMP extensions from file and stores the resulting meshes in the meshes vector.void loadModel(string const &path){// read file via ASSIMPAssimp::Importer importer;const aiScene* scene = importer.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_GenSmoothNormals | aiProcess_FlipUVs | aiProcess_CalcTangentSpace);// check for errorsif(!scene || scene->mFlags & AI_SCENE_FLAGS_INCOMPLETE || !scene->mRootNode) // if is Not Zero{cout << "ERROR::ASSIMP:: " << importer.GetErrorString() << endl;return;}// retrieve the directory path of the filepathdirectory = path.substr(0, path.find_last_of('/'));// process ASSIMP's root node recursivelyprocessNode(scene->mRootNode, scene);}// processes a node in a recursive fashion. Processes each individual mesh located at the node and repeats this process on its children nodes (if any).void processNode(aiNode *node, const aiScene *scene){// process each mesh located at the current nodefor(unsigned int i = 0; i < node->mNumMeshes; i++){// the node object only contains indices to index the actual objects in the scene. // the scene contains all the data, node is just to keep stuff organized (like relations between nodes).aiMesh* mesh = scene->mMeshes[node->mMeshes[i]];meshes.push_back(processMesh(mesh, scene));}// after we've processed all of the meshes (if any) we then recursively process each of the children nodesfor(unsigned int i = 0; i < node->mNumChildren; i++){processNode(node->mChildren[i], scene);}}Mesh processMesh(aiMesh *mesh, const aiScene *scene){// data to fillvector<Vertex> vertices;vector<unsigned int> indices;vector<Texture> textures;// walk through each of the mesh's verticesfor(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumVertices; i++){Vertex vertex;glm::vec3 vector; // we declare a placeholder vector since assimp uses its own vector class that doesn't directly convert to glm's vec3 class so we transfer the data to this placeholder glm::vec3 first.// positionsvector.x = mesh->mVertices[i].x;vector.y = mesh->mVertices[i].y;vector.z = mesh->mVertices[i].z;vertex.Position = vector;// normalsif (mesh->HasNormals()){vector.x = mesh->mNormals[i].x;vector.y = mesh->mNormals[i].y;vector.z = mesh->mNormals[i].z;vertex.Normal = vector;}// texture coordinatesif(mesh->mTextureCoords[0]) // does the mesh contain texture coordinates?{glm::vec2 vec;// a vertex can contain up to 8 different texture coordinates. We thus make the assumption that we won't // use models where a vertex can have multiple texture coordinates so we always take the first set (0).vec.x = mesh->mTextureCoords[0][i].x; vec.y = mesh->mTextureCoords[0][i].y;vertex.TexCoords = vec;// tangentvector.x = mesh->mTangents[i].x;vector.y = mesh->mTangents[i].y;vector.z = mesh->mTangents[i].z;vertex.Tangent = vector;// bitangentvector.x = mesh->mBitangents[i].x;vector.y = mesh->mBitangents[i].y;vector.z = mesh->mBitangents[i].z;vertex.Bitangent = vector;}elsevertex.TexCoords = glm::vec2(0.0f, 0.0f);vertices.push_back(vertex);}// now wak through each of the mesh's faces (a face is a mesh its triangle) and retrieve the corresponding vertex indices.for(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumFaces; i++){aiFace face = mesh->mFaces[i];// retrieve all indices of the face and store them in the indices vectorfor(unsigned int j = 0; j < face.mNumIndices; j++)indices.push_back(face.mIndices[j]);        }// process materialsaiMaterial* material = scene->mMaterials[mesh->mMaterialIndex];    // we assume a convention for sampler names in the shaders. Each diffuse texture should be named// as 'texture_diffuseN' where N is a sequential number ranging from 1 to MAX_SAMPLER_NUMBER. // Same applies to other texture as the following list summarizes:// diffuse: texture_diffuseN// specular: texture_specularN// normal: texture_normalN// 1. diffuse mapsvector<Texture> diffuseMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_DIFFUSE, "texture_diffuse");textures.insert(textures.end(), diffuseMaps.begin(), diffuseMaps.end());// 2. specular mapsvector<Texture> specularMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_SPECULAR, "texture_specular");textures.insert(textures.end(), specularMaps.begin(), specularMaps.end());// 3. normal mapsstd::vector<Texture> normalMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_HEIGHT, "texture_normal");textures.insert(textures.end(), normalMaps.begin(), normalMaps.end());// 4. height mapsstd::vector<Texture> heightMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_AMBIENT, "texture_height");textures.insert(textures.end(), heightMaps.begin(), heightMaps.end());// return a mesh object created from the extracted mesh datareturn Mesh(vertices, indices, textures);}// checks all material textures of a given type and loads the textures if they're not loaded yet.// the required info is returned as a Texture struct.vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName){vector<Texture> textures;for(unsigned int i = 0; i < mat->GetTextureCount(type); i++){aiString str;mat->GetTexture(type, i, &str);// check if texture was loaded before and if so, continue to next iteration: skip loading a new texturebool skip = false;for(unsigned int j = 0; j < textures_loaded.size(); j++){if(std::strcmp(textures_loaded[j].path.data(), str.C_Str()) == 0){textures.push_back(textures_loaded[j]);skip = true; // a texture with the same filepath has already been loaded, continue to next one. (optimization)break;}}if(!skip){   // if texture hasn't been loaded already, load itTexture texture;texture.id = TextureFromFile(str.C_Str(), this->directory);texture.type = typeName;texture.path = str.C_Str();textures.push_back(texture);textures_loaded.push_back(texture);  // store it as texture loaded for entire model, to ensure we won't unnecessary load duplicate textures.}}return textures;}
};unsigned int TextureFromFile(const char *path, const string &directory, bool gamma)
{string filename = string(path);filename = directory + '/' + filename;unsigned int textureID;glGenTextures(1, &textureID);int width, height, nrComponents;unsigned char *data = stbi_load(filename.c_str(), &width, &height, &nrComponents, 0);if (data){GLenum format;if (nrComponents == 1)format = GL_RED;else if (nrComponents == 3)format = GL_RGB;else if (nrComponents == 4)format = GL_RGBA;glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, format, width, height, 0, format, GL_UNSIGNED_BYTE, data);glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);stbi_image_free(data);}else{std::cout << "Texture failed to load at path: " << path << std::endl;stbi_image_free(data);}return textureID;
}
#endif

使用3D模型

加载一个3D模型，这个模型被输出为一个.obj文件和一个.mtl文件，.mtl文件包含了模型的漫反射，镜面光，法线贴图。
注意：所有的纹理和模型文件应该位于同一个目录下，以供加载纹理。
在代码中，声明一个Model对象，将模型的文件位置传入。接下来模型会自动加载并在渲染循环中使用它的Draw函数来绘制物体。不再需要缓冲分配、属性指针和渲染指令，只需要一行代码就可以了。