本章讲述使用opengl加载obj模型，如果你想自己实现，你需要一个opengl的开发环境，以及相关的知识，最好是看完LearnOpenGL CN 的入门教程

使用opengl开发的同学都需要加载模型，github上有很多的现成库，比较常用的是 Assimp 。这篇博客主要记录自己手动去加载模型的一个过程，首先建模软件有很多，模型的格式也不一样，像 fbx，obj，.blend等，这里加载的模型是obj格式的，可以从这里下载，不知道为什么csdn上传资源下载一定要积分.... ，有需要的可以私我发给你。

模型文件格式

一个使用Blender、3DS Max或者Maya等建模软件制作出来的模型一般由一个或者多个网格（Mesh）组成,在游戏中，我们的主角模型可以由头部，身体，四肢，武器等多个网格组成。我们在opengl去渲染一个模型可以分别渲染模型的多个mesh ，那么渲染一个mesh通常都需要哪些属性呢？首先顶点是必不可少的，可能还有纹理和纹理坐标，法线，切线等，一个mesh就是由这些属性组成的。之所以选择加载obj格式的模型，是因为我们可以直接看到obj模型的对应属性，模型文件可以在这里下载，model文件夹下是模型 script文件下是具体代码。下载解压完资源后我们可以直接将文件夹内 spongebob_bind.obj 的后缀改为txt ，使用文本工具打开可以看到obj模型的数据组织格式，如下图所示：

可以看到obj的数据格式是按照行来组织的，最明显的以 v 开头行，代表记录着一个顶点，将文本往下拉，可以看到还有以 vt 、vn 、f 、usemtl等字符开头的，以下常见的开头字符所代表的数据：

v   x y z    v ：表示本行指定一个顶点，此关键字后跟着3个单精度浮点数，代表着该顶点坐标值
vt  u v      vt：表示本行指定一个纹理坐标，此关键字后跟着2个单精度浮点数，代表着该纹理坐标UV值
vn  x y z    vn：表示本行指定一个法线向量，此关键字后跟着3个单精度浮点数，代表着该法向量坐标值
f   v/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn  f：面 代表一个三角形（三个顶点），v/vt/vn 描述了一个顶点的基本数据，顶点位置、纹理坐标和法线 。要注意的是这里存储的只是索引
g 3D_Object_4     g:表示一个名称为3D_Object_4的组，指定从此行开始到下一个g开头的所有对象为一组
o 3D_Object_4     o:指定一个名称为3D_Object_4的对象（也就是一个mesh）
mtllib spongebob_bind.mtl   mtllib:此关键字后为文件名称，指定了obj所使用的材质库文件名称
usemtl spongebob            usemtl:此关键字后为材质名称，指定了从此行之后到下一个以usemtl开头的行之间的所有表面所使用的材质名称，该材质可以在obj文件所附属的mtl文件中找到具体信息

我们需要看一下obj的数据组织格式，首先按数据类型（顶点，纹理坐标，法线各自放在一起）分类，放在文件的前面，然后以关键字 f 指定三角面的每个顶点的顶点坐标(v)、纹理坐标(vt)、法线向量(vn)的索引，这样就已经可以绘制一个mesh的形状了。另外需要说明的就是mtlib ，该关键字指定了一个关联的材质库文件，该文件后缀为mtl，一般来说与obj文件在同一目录，里面包含了obj模型使用到的材质列表，材质中存储着贴图、光照参数等属性，跟obj文件一样，我们可以通过将后缀改为txt，来查看mtl文件的内容

数据格式也与obj一样按行组织，使用关键字符进行标识，下面是关键字符对应的具体含义

newmtl spongebob    newmtl: 定义一个名称为XX的材质
Ns  0               Ns: 材质的光亮度
d   1               d:  材质的Alpha透明度
illum  2            illum:  材质的照明度
Kd 0.8 0.8 0.8      Kd: 漫反射参数
Ks 0.0 0.0 0.0      Ks: 镜面参数
Ka 0.2 0.2 0.2      Ka: 环境参数
map_Ka  spongebob.png  map_Ka:环境贴图

这里我们只列出了上面给到的obj文件中出现的关键字符，还有很多其他的关键字符，如果不知道代表着什么含义，可以参考这里。在了解obj和mtl文件格式后，我们需要加载对应的文件，其实这就是一个文本解析的过程，定义合适的数据结构，解析每一行的关键字，读取对应的数据到数据结构中就可以了。

数据结构

顶点MVertex中需要包含顶点的位置，法线，以及贴图坐标：

struct  MVertex
{vec3 pos;vec3 normal;vec2 texcoord;
};

材质MMaterial根据mtl文件出现的数据定义结构如下图，与mtl文件的关键字一一对应

struct  MMaterial
{string name;// Specular Exponentfloat Ns;// Dissolvefloat d;// Illuminationfloat illlum;vec3 Ka; // ambient Colorvec3 Kd; // diffuse Color vec3 Ks; // specular Colorstring map_Ka; //  Ambient Texture Mapint  ka_id;  // Ambient Texture id
};

我们使用一个MMesh类来存储mesh的所有数据，包含当前mesh的顶点和索引，以及所使用的材质。

class MMesh
{
public:string name;vector<MVertex> vertexs;vector<unsigned int> indecies;MMaterial material;MMesh() {}MMesh(vector<MVertex> Vertexs, vector<unsigned int> Indecies){vertexs = Vertexs;indecies = Indecies;}
};

再使用一个MModel 来存储Model的所有数据，主要包含所有的mesh 以及材质

class MModel
{
public:vector<MMaterial> loadedMaterials;vector<MMesh> loadedMeshes;
};

接下来只要写一个解析函数，将obj和mtl文件数据加载到对应数据结构中就可以了。我直接将这个解析过程定义在了MModel的构造函数中，下面是该构造函数的实现

MModel::MModel(string path)
{string str(absolutePath);path = str + path;if (path.substr(path.size() - 4, 4) != ".obj"){cout << "Only Load Obj Model" << path << endl;return;}ifstream file(path);if (!file.is_open()){cout << "file is not exist   " << path << endl;return;}bool isFirst = true;string meshName;MMesh tmpMesh;vector<vec3> allPos;vector<vec3> allNormals;vector<vec2> allTexcoords;vector<MVertex> allVertexs;vector<unsigned int> allIndices;vector<string> meshMatNames;string curline;while (getline(file, curline)){// Tools::FirstToken 取当前行的关键字 string firstToken = Tools::FirstToken(curline); if (firstToken == "o" || firstToken == "g"){if (isFirst){isFirst = false;// Tools::TailToken 取当前行关键字后面的内容meshName = Tools::TailToken(curline);}else{if (!allIndices.empty() && !allVertexs.empty()){tmpMesh = MMesh(allVertexs, allIndices);tmpMesh.name = meshName;loadedMeshes.push_back(tmpMesh);allIndices.clear();allVertexs.clear();meshName.clear();meshName = Tools::TailToken(curline);}else{meshName = Tools::TailToken(curline);}}}else if(firstToken == "v"){vector<string> strVec;vec3 pos;Tools::split(Tools::TailToken(curline), strVec, " ");pos.x = stof(strVec[0]);pos.y = stof(strVec[1]);pos.z = stof(strVec[2]);allPos.push_back(pos);}else if (firstToken == "vn"){vector<string> strVec;vec3 normal;Tools::split(Tools::TailToken(curline), strVec, " ");normal.x = stof(strVec[0]);normal.y = stof(strVec[1]);normal.z = stof(strVec[2]);allNormals.push_back(normal);}else if (firstToken == "vt"){vector<string> strVec;vec2 texcoord;Tools::split(Tools::TailToken(curline), strVec, " ");texcoord.x = stof(strVec[0]);texcoord.y = stof(strVec[1]);allTexcoords.push_back(texcoord);}else if (firstToken == "f"){vector<MVertex> vVerts;GenVerticesObj(vVerts, allPos, allNormals, allTexcoords, curline);for (int i = 0;i < vVerts.size();i++){allVertexs.push_back(vVerts[i]);}for (int i = 0; i < 3; i++){unsigned int indnum = (unsigned int)((allVertexs.size()) - vVerts.size()) + i;allIndices.push_back(indnum);}}else if (firstToken == "mtllib"){vector<string> pathArr;string mtlPath;Tools::split(path, pathArr, "/");for (int i = 0; i < pathArr.size() - 1; i++){mtlPath += pathArr[i] + "/";}mtlPath += Tools::TailToken(curline);LoadMaterial(mtlPath);}else if (firstToken == "usemtl"){string matName = Tools::TailToken(curline);meshMatNames.push_back(matName);}}if (!allIndices.empty() && !allVertexs.empty()){tmpMesh = MMesh(allVertexs, allIndices);tmpMesh.name = meshName;loadedMeshes.push_back(tmpMesh);}file.close();for (int i = 0;i < meshMatNames.size();i++){string meshMatName = meshMatNames[i];for (int j = 0;j < loadedMaterials.size();j++){if (loadedMaterials[j].name == meshMatName){loadedMeshes[i].material = loadedMaterials[j];break;}}}
}

上面这个解析函数相对比较简单，就是逐行读取关键字，根据不同的关键字将后面的内容赋值到对应的数据结构中，其中用到了三个工具函数，Tools::FirstToken 和 Tools::TailToken分别是读取当前行的关键字和关键字后面的内容，Tools::split是根据字符分割字符串。

在解析关键字 f开头的行时用到了函数 GenVerticesObj(vVerts, allPos, allNormals, allTexcoords, curline) ，该函数根据关键字 f 开头的行，构造一个面的三个顶点数据结构，因为 f 后面的数据是三角面的每个顶点的顶点坐标(v)、纹理坐标(vt)、法线向量(vn)的索引号，所以需要将前面加载得到的所有顶点，纹理坐标，法线数据都传进去，才能根据索引号取到具体数据。另外还需要注意一点，在代码中取纹理坐标时，取得值是 tmpVertex.texcoord.y = 1 - tmpVertex.texcoord.y，这是因为openGl里纹理空间的原点位于左下角，而文件中的纹理坐标是基于纹理空间原点位于左上角的。

void MModel::GenVerticesObj(vector<MVertex> &outVerts, vector<vec3>& poses, vector<vec3>& normals, vector<vec2>& texcoords, std::string curline)
{std::vector<std::string> faces, verts;Tools::split(Tools::TailToken(curline), faces, " ");for (int i = 0;i < faces.size();i++){MVertex tmpVertex;verts.clear();Tools::split(faces[i], verts, "/");int types = verts.size();tmpVertex.pos = Tools::getElement(poses, verts[0]);tmpVertex.normal = Tools::getElement(normals, verts[2]);tmpVertex.texcoord = Tools::getElement(texcoords, verts[1]);tmpVertex.texcoord.y = 1 - tmpVertex.texcoord.y;outVerts.push_back(tmpVertex);}
}

另外在解析关键字mtllib时使用了LoadMaterial(mtlPath)去加载解析一个mtl文件，方式与加载obj文件一样，代码如下

bool MModel::LoadMaterial(string path)
{if (path.substr(path.size() - 4, path.size()) != ".mtl")return false;ifstream file;file.open(path);MMaterial material;string curline;bool isFirst = true;while (std::getline(file, curline)){string first = Tools::FirstToken(curline);if (first == "newmtl"){if (isFirst){if (curline.size() > 7) material.name = Tools::TailToken(curline);}else{loadedMaterials.push_back(material);material = MMaterial();if (curline.size() > 7) material.name = Tools::TailToken(curline);}}else if (first == "Ns"){material.Ns = stof(Tools::TailToken(curline));}else if (first == "d"){material.d = stof(Tools::TailToken(curline));}else if (first == "illum"){material.illlum = stof(Tools::TailToken(curline));}else if (first == "Ka"){vector<string> kaArr;Tools::split(Tools::TailToken(curline), kaArr, " ");material.Ka = glm::vec3(stof(kaArr[0]), stof(kaArr[1]), stof(kaArr[2]));}else if (first == "Kd"){vector<string> kdArr;Tools::split(Tools::TailToken(curline), kdArr, " ");material.Kd = glm::vec3(stof(kdArr[0]), stof(kdArr[1]), stof(kdArr[2]));}else if (first == "Ks"){vector<string> ksArr;Tools::split(Tools::TailToken(curline), ksArr, " ");material.Ks = glm::vec3(stof(ksArr[0]), stof(ksArr[1]), stof(ksArr[2]));}else if (first == "map_Ka"){material.map_Ka = Tools::TailToken(curline);vector<string> pathArr;string texturePath;Tools::split(path, pathArr, "/");for (int i = 0;i < pathArr.size() - 1;i++){texturePath += pathArr[i] + "/";}texturePath += material.map_Ka;material.ka_id = TextureFromFile(texturePath.c_str());}}loadedMaterials.push_back(material);if (loadedMaterials.empty()) return false;return true;
}

到这里我们已经将模型的数据全部加载完了，接下来就是使用这些数据进行绘制，绘制是以mesh为单位进行的，所以我们在MMesh类中添加函数SetupMesh 、 Draw，来分别设置mesh的渲染状态和绘制mesh。下面是MMesh的代码

class MMesh
{
public:string name;vector<MVertex> vertexs;vector<unsigned int> indecies;MMaterial material;MMesh() {}MMesh(vector<MVertex> Vertexs, vector<unsigned int> Indecies){vertexs = Vertexs;indecies = Indecies;setupMesh();}void Draw(ShaderC shader);private:unsigned int VAO, VBO, EBO;void setupMesh();};void MMesh::setupMesh()
{glGenVertexArrays(1, &VAO);glGenBuffers(1, &VBO);glGenBuffers(1, &EBO);glBindVertexArray(VAO);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(MVertex) * vertexs.size(), &vertexs[0], GL_STATIC_DRAW);glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(MVertex), (void*)0);glEnableVertexAttribArray(1);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(MVertex), (void*)offsetof(MVertex, normal));glEnableVertexAttribArray(2);glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(MVertex), (void*)offsetof(MVertex, texcoord));glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indecies.size() * sizeof(unsigned int), &indecies[0], GL_STATIC_DRAW);glBindVertexArray(0);
}void MMesh::Draw(ShaderC shader)
{shader.setInt("diffTex", 0);glActiveTexture(GL_TEXTURE0);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, material.ka_id);glBindVertexArray(VAO);glDrawElements(GL_TRIANGLES, indecies.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0);glBindVertexArray(0);glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
}

此处在Draw函数中我们只用到了材质数据中的环境贴图map_Ka ，并将其赋值到shader中定义的uniform变量中，以便片段着色器进行纹理采样，其他的数据也可以使用，关键在于你的shader怎么写，需要什么数据。另外我们将mesh的顶点数据放在mesh的构造函数中设置。到这里，其实一个obj已经能够加载渲染出来了，无非是根据一个路径创建一个MModel类，在构造函数中加载所有数据，在每一帧使用自定义的shader去调用所有mesh的Draw函数。下面的文章开始提供的oibj模型的渲染结果（很可爱的一个海绵宝宝）：

博客所涉及的所有代码都在资源的scrpit文件中，但它并不是一个可以运行的工程，因为我认为像这种知识，一定要自己去实现一遍才行，看看博客，运行一下别人的工程，始终是过眼云烟，结合上LearnOpenGL CN的入门教程是很容易实现的

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