软件光栅器实现（四、OBJ文件加载）

　　本节介绍软件光栅器的OBJ和MTL文件加载，转载请注明出处。

　　在管线的应用程序阶段，我们需要设置光栅器所渲染的模型数据。这些模型数据包括模型顶点的坐标、纹理、法线和材质等等，可以由我们手动编写，也可以通过文件读取。OBJ文件就是一种常用的存储模型数据的文件格式，它内部包含有所有渲染所需的信息。

　　比如：

　　mtllib myteapot.mtl 表示模型的材质文件名

　　v  7.0000 12.0000 -0.0000 顶点位置

　　vn 0.9667 -0.2557 0.0105 法线向量

　　vt 0.5000 1.9000 0.0000 纹理坐标

　　f 1/1/1 2/2/2 3/3/3 f开头的行，表示一个三角面的三个顶点信息索引值，比如1/1/1表示顶点索引1的点，法线信息取vn的第1个，纹理信息取vt的第1个。

　　在模型加载时调用相关方法，从设定的路径读取obj文件即可：

    GeometryGenerator::GetInstance()->LoadOBJModel(m_box, "Models/myteapot.obj");
//从obj文件加载茶壶模型 Models/myteapot.obj Models/probeColor.obj

　　其中m_box为自定义的网格数据结构GeometryGenerator::MeshData* ：

class GeometryGenerator
{
private:
    GeometryGenerator() {}

public:
    static GeometryGenerator* GetInstance()//饿汉
    {
        static GeometryGenerator instance;
        return &instance;
    }

    //基本网络结构：顶点集合+索引集合
    struct MeshData
    {
        std::vector<VertexIn>    vertices;
        std::vector<UINT>    indices;
    };

    //创建一个立方体：指定宽(X方向)、高(Y方向)、深(Z方向)
    void CreateBox(float width, float height, float depth, MeshData &mesh);
    void LoadOBJModel(MeshData &mesh, char* filename);
};

　　LoadOBJModel()方法就是用于加载OBJ文件的核心方法：

void GeometryGenerator::LoadOBJModel(MeshData &mesh,char* filename){
    //载入obj文件,获取顶点纹理法线数据
    ObjParser* pObjParser = new ObjParser();
    pObjParser->SetFileName(filename);//myteapot.obj probeColor
    pObjParser->ReadFileCounts();//统计顶点纹理和法线数mVertexCount、mTexcoordCount等等

    //将数据传入顶点、纹理、法线和面数组
    // After get enough memory, clear these counts to 0, use it as index
    VertexType* vertices = new VertexType[pObjParser->mVertexCount];
    VertexType* texcoords = new VertexType[pObjParser->mTexcoordCount];
    VertexType* normals = new VertexType[pObjParser->mNormalCount];
    FaceType* faces = new FaceType[pObjParser->mFaceCount];

    std::ifstream fin;
    fin.open(pObjParser->mInFile);
    if (fin.fail())
    {
        pObjParser->mErr << "Open input file : Failed." << std::endl;
        return;
    }
    char input;
    char ignore;
    int iver = 0, itex = 0, inor = 0, ifac = 0;
    fin.get(input);
    while (!fin.eof())
    {
        if (input == 'v')
        {
            fin.get(input);
            switch (input)
            {
            case ' ':
            {
                fin >> vertices[iver].x >> vertices[iver].y >> vertices[iver].z;//写入顶点数组
                //vertices[iver].z *= -1.0f;  // RH->LH
                iver++;
                break;
            }
            case 't':
            {
                fin >> texcoords[itex].x >> texcoords[itex].y >>texcoords[itex].z;//写入纹理数组
                //texcoords[itex].y = 1.0f - texcoords[itex].y;  // RH->LH
                itex++;
                break;
            }
            case 'n':
            {
                fin >> normals[inor].x >> normals[inor].y >> normals[inor].z;//写入法线数组
                //normals[inor].z *= -1.0f; // RH->LH
                inor++;
                break;
            }
            }
        }
        if (input == 'f')
        {
            fin.get(input);
            if (input == ' ')
            {//写入三角面的数组,换个旋转方向，要不然会被背面剔除
                fin >> faces[ifac].vIndex1 >> ignore >> faces[ifac].tIndex1 >> ignore >> faces[ifac].nIndex1;
                fin >> faces[ifac].vIndex2 >> ignore >> faces[ifac].tIndex2 >> ignore >> faces[ifac].nIndex2;
                fin >> faces[ifac].vIndex3 >> ignore >> faces[ifac].tIndex3 >> ignore >> faces[ifac].nIndex3;
                ifac++;
            }
        }
        while (input != '
')
            fin.get(input);

        fin.get(input);
    }
    fin.close();
    //以上代码将数据读取到vertices、texcoords、normals和faces数组中

    mesh.vertices.clear();
    mesh.indices.clear();
    mesh.vertices.resize(pObjParser->mFaceCount * 3);
    //一共36个索引(每面6个)
    mesh.indices.resize(pObjParser->mFaceCount * 3);
    int i = 0, j = 0;
    for (; i < pObjParser->mFaceCount * 3;){
        mesh.indices[i] = i;
        mesh.indices[i + 1] = i + 1;
        mesh.indices[i + 2] = i + 2;

        mesh.vertices[i].pos.x = vertices[faces[j].vIndex1 - 1].x;//绑定顶点坐标
        mesh.vertices[i].pos.y = vertices[faces[j].vIndex1 - 1].y;
        mesh.vertices[i].pos.z = vertices[faces[j].vIndex1 - 1].z;
        mesh.vertices[i].pos.w = 1;
        ZCVector tmp1 = mesh.vertices[i].pos;
        mesh.vertices[i].tex.u = texcoords[faces[j].tIndex1 - 1].x;//绑定纹理坐标
        mesh.vertices[i].tex.v = texcoords[faces[j].tIndex1 - 1].y;
        mesh.vertices[i].normal.x = normals[faces[j].nIndex1 - 1].x;//绑定法线
        mesh.vertices[i].normal.y = normals[faces[j].nIndex1 - 1].y;
        mesh.vertices[i].normal.z = normals[faces[j].nIndex1 - 1].z;
        mesh.vertices[i].normal.w = 0;
        mesh.vertices[i].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);//绑定颜色
        mesh.vertices[i].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);
        mesh.vertices[i].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);

        mesh.vertices[i + 1].pos.x = vertices[faces[j].vIndex2 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 1].pos.y = vertices[faces[j].vIndex2 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 1].pos.z = vertices[faces[j].vIndex2 - 1].z;
        mesh.vertices[i + 1].pos.w = 1;
        ZCVector tmp2 = mesh.vertices[i+1].pos;
        mesh.vertices[i + 1].tex.u = texcoords[faces[j].tIndex2 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 1].tex.v = texcoords[faces[j].tIndex2 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 1].normal.x = normals[faces[j].nIndex2 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 1].normal.y = normals[faces[j].nIndex2 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 1].normal.z = normals[faces[j].nIndex2 - 1].z;
        mesh.vertices[i + 1].normal.w = 0;
        mesh.vertices[i + 1].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);
        mesh.vertices[i + 1].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);
        mesh.vertices[i + 1].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);

        mesh.vertices[i + 2].pos.x = vertices[faces[j].vIndex3 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 2].pos.y = vertices[faces[j].vIndex3 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 2].pos.z = vertices[faces[j].vIndex3 - 1].z;
        mesh.vertices[i + 2].pos.w = 1;
        ZCVector tmp3 = mesh.vertices[i+2].pos;
        mesh.vertices[i + 2].tex.u = texcoords[faces[j].tIndex3 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 2].tex.v = texcoords[faces[j].tIndex3 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 2].normal.x = normals[faces[j].nIndex3 - 1].x;
        mesh.vertices[i + 2].normal.y = normals[faces[j].nIndex3 - 1].y;
        mesh.vertices[i + 2].normal.z = normals[faces[j].nIndex3 - 1].z;
        mesh.vertices[i + 2].normal.w = 0;
        mesh.vertices[i + 2].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);
        mesh.vertices[i + 2].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);
        mesh.vertices[i + 2].color = ZCVector(0.f, 0.f, 0.f, 1.f);

        i += 3;
        j++;
    }
}

　　以上代码，先遍历一遍，将该obj文件的顶点数量、纹理数量等等计算出来，确定各属性数组的大小；然后再遍历一遍obj文件的索引，将将数据读取到vertices、texcoords、normals和faces数组中；然后第三次遍历时，根据f开头的行表示的索引，将顶点信息组装成mesh网格信息。

　　其中ReadFileCounts()方法用于遍历一遍顶点，记录下该obj文件的顶点数量、纹理数量等等：

bool ObjParser::ReadFileCounts()
{
    char input;
    std::ifstream fin;
    fin.open(mInFile);
    if (fin.fail())
    {
        mErr << "Open input file : Failed." << std::endl;
        return false;
    }

    fin.get(input);
    while (!fin.eof())
    {
        if (input == 'v')
        {
            fin.get(input);
            switch (input)
            {
                case ' ':
                {
                    mVertexCount++;
                    break;
                }
                case 't':
                {
                    mTexcoordCount++;
                    break;
                }
                case 'n':
                {
                    mNormalCount++;
                    break;
                }
            }
        }
        if (input == 'f')
        {
            fin.get(input);
            if (input == ' ')
                mFaceCount++;
        }

        // otherwise read in the remainder of the line.
        while (input != '
')
            fin.get(input);

        // start reading the beginning of the next line.
        fin.get(input);
    }
    fin.close();

    return true;
}

　　在导入OBJ模型后，还可以导入mtl材质文件，mtl文件一般可以通过3dsMax生成模型时设置附带生成，记录了模型的材质信息。光栅器中通过该方法导入：

LoadMaterial("Models/myteapot.mtl");//从mtl文件获得bmp纹理贴图的位置,获取模型的材质 3dsmax导出myteapot.mtl

　　LoadMaterial()方法的实现：

void BoxDemo::LoadMaterial(char* fileName){
    std::stringstream ss;
    string mtlfile;
    ss << fileName;
    ss >> mtlfile;
    std::ifstream fin;
    std::ofstream mErr;
    fin.open(mtlfile);
    if (fin.fail())
    {
        mErr << "Open input file : Failed." << std::endl;
    }
    char input;
    fin.get(input);
    while (!fin.eof())
    {
        if (input == '	'){
            fin.get(input);
        }
        if (input == 'K')
        {
            fin.get(input);
            switch (input)
            {
            case 'a':
            {
                //fin >> vertices[mVertexCount].x >> vertices[mVertexCount].y >> vertices[mVertexCount].z;
                fin >> m_material.ambient.x >> m_material.ambient.y >> m_material.ambient.z;
                break;
            }
            case 'd':
            {
                fin >> m_material.diffuse.x >> m_material.diffuse.y >> m_material.diffuse.z;
                break;
            }
            case 's':
            {
                fin >> m_material.specular.x >> m_material.specular.y >> m_material.specular.z;
                m_material.specular.w = 1.f;
                break;
            }
            }
        }
        if (input == 'm'){
            fin.get(input); fin.get(input); fin.get(input); fin.get(input); fin.get(input);
            if (input == 'd'){//获得漫反射贴图
                fin.get(input); fin.get(input);
                stringstream ss2;
                while (input != '
'){
                    ss2 << input;
                    fin.get(input);
                }
                ss2 >> bmplocation;
            }
        }

        // otherwise read in the remainder of the line.
        while (input != '
')
            fin.get(input);

        // start reading the beginning of the next line.
        fin.get(input);
    }

}

　　以上代码通过遍历mtl材质文件，将指向该模型的环境光系数、漫反射系数、镜面反射系数、高光系数和纹理、法线贴图等路径加载到光栅器维护的数据容器中，供之后的PS像素着色器阶段使用。

　　myteapot.obj和myteapot.mtl文件最终的渲染效果：

 　　

　（完）