深入理解加载FBX模型文件

每个模型文件都有自己的格式，有自研引擎的模型格式，有AutoDesk提供的模型文件格式，比如FBX模型文件，因为Unity与UE4引擎的使用而备受关注，FBX文件是AutoDesk提供的SDK，已经封装好了，我们并不能查看到其内部结构。网上也有很多关于这方面的文章，但是都没有真正解释FBX文件的内部结构，以及自己如何封装程序加载FBX模型文件。本篇博客就教给读者这两方面的知识，这样更有助于读者理解FBX文件，从而可以将FBX的加载代码移植到自己的引擎中或者自己的SDK中，当然也有助于理解Unity和UE4引擎中使用的FBX模型文件，下面我们先介绍FBX文件内部结构。

FBX文件内部结构

我们要加载模型文件，必须要清楚模型文件的内部结构，否则我们无法写程序加载模型文件，FBX模型文件是一种二进制文件，我们打开只能看到一些局部信息，无法知道它真正的内部结构，也有的文件提供了模型文件的内部结构比如OBJ文件，OBJ文件是无法导出骨骼动画的，只能是静态的，但是它文件的内部结构是可以参考的，所有模型格式的文件内部结构有自己的共性，比如模型信息：模型面数，三角形数，顶点坐标，骨骼动画信息，模型版本号信息等等，这些信息每个模型文件都会有的。
接下来我们分析FBX文件的内部结构，我们先打开FBX模型的二进制文件：

这个是我们的FBX文件模型，虽然它是二进制的，但是我们从二进制模型文件信息中还是可以看到一点端倪的，比如FBXVersion 版本号，NodeAttributeL结点属性，ObjectTypeS 对象类型，RotationPivotS旋转信息，ScalingOffsetS缩放偏移等等，相信读者看起来还是比较费劲的。
下面先看看我们已经实现的FBX文件内部结构，如下图所示：

上图显示的是我们带有动作的FBX模型文件内部结构，node attribute， animation curve node，body，skin等等，这些我们需要通过代码实现，我们使用的是C++语言，下面我们把FBX模型文件中的重要内容给读者展示如下：

上图是FBX文件的核心内容的标识，在具体实现时，我们可通过枚举表示，代码定义如下所示：

    enum class Type{ROOT,GEOMETRY,MATERIAL,MESH,TEXTURE,LIMB_NODE,NULL_NODE,NODE_ATTRIBUTE,CLUSTER,SKIN,ANIMATION_STACK,ANIMATION_LAYER,ANIMATION_CURVE,ANIMATION_CURVE_NODE};

下面我们告诉读者如何加载FBX模型文件，该模块也可以移植到自己的引擎或者SDK中，作者自己写的引擎使用的也是FBX SDK，用的也是本博客实现的接口模块。

加载FBX模型文件

我们先从加载FBX模型文件开始，加载模型文件的实现内容如下所示：

    FILE* fp = fopen("c.fbx", "rb");if (!fp) return false;fseek(fp, 0, SEEK_END);long file_size = ftell(fp);fseek(fp, 0, SEEK_SET);auto* content = new ofbx::u8[file_size];fread(content, 1, file_size, fp);g_scene = ofbx::load((ofbx::u8*)content, file_size);

看着是不是眼熟，上面的代码我们经常用于读取二进制文件，在这段代码中最为关键的函数是load加载FBX模型文件，下面实现load函数，如下所示：

IScene* load(const u8* data, int size)
{std::unique_ptr<Scene> scene = std::make_unique<Scene>();scene->m_data.resize(size);memcpy(&scene->m_data[0], data, size);OptionalError<Element*> root = tokenize(&scene->m_data[0], size);if (root.isError()){Error::s_message = "";root = tokenizeText(&scene->m_data[0], size);if (root.isError()) return nullptr;}scene->m_root_element = root.getValue();assert(scene->m_root_element);if(!parseConnections(*root.getValue(), scene.get())) return nullptr;if(!parseTakes(scene.get())) return nullptr;if(!parseObjects(*root.getValue(), scene.get())) return nullptr;parseGlobalSettings(*root.getValue(), scene.get());return scene.release();
}

在load函数中，首先判断加载的文件是不是fbx文件，如果是再执行下面的操作，parseConnections和parseTakes也是针对FBX文件的验证信息，它们验证的信息，我们通过代码已经将其实现出来了，截图如下所示：

关键函数是parseObjects，这个是解释FBX文件的全部内容，首先实现的是Mesh，Material，Texture的解释，模型必须有材质贴图的，材质信息在FBX模型文件中也带有此信息的，下面的代码就是解决此问题的，接口如下：

if (iter.second.element->id == "Geometry"){Property* last_prop = iter.second.element->first_property;while (last_prop->next) last_prop = last_prop->next;if (last_prop && last_prop->value == "Mesh"){obj = parseGeometry(*scene, *iter.second.element);}}else if (iter.second.element->id == "Material"){obj = parseMaterial(*scene, *iter.second.element);}

parseGeometry函数解决的是模型的几何信息，具体实现如下所示：

static OptionalError<Object*> parseGeometry(const Scene& scene, const Element& element)
{assert(element.first_property);const Element* vertices_element = findChild(element, "Vertices");if (!vertices_element || !vertices_element->first_property) return Error("Vertices missing");const Element* polys_element = findChild(element, "PolygonVertexIndex");if (!polys_element || !polys_element->first_property) return Error("Indices missing");std::unique_ptr<GeometryImpl> geom = std::make_unique<GeometryImpl>(scene, element);std::vector<Vec3> vertices;if (!parseDoubleVecData(*vertices_element->first_property, &vertices)) return Error("Failed to parse vertices");std::vector<int> original_indices;if (!parseBinaryArray(*polys_element->first_property, &original_indices)) return Error("Failed to parse indices");std::vector<int> to_old_indices;geom->triangulate(original_indices, &geom->to_old_vertices, &to_old_indices);geom->vertices.resize(geom->to_old_vertices.size());for (int i = 0, c = (int)geom->to_old_vertices.size(); i < c; ++i){geom->vertices[i] = vertices[geom->to_old_vertices[i]];}geom->to_new_vertices.resize(vertices.size()); // some vertices can be unused, so this isn't necessarily the same size as to_old_vertices.const int* to_old_vertices = geom->to_old_vertices.empty() ? nullptr : &geom->to_old_vertices[0];for (int i = 0, c = (int)geom->to_old_vertices.size(); i < c; ++i){int old = to_old_vertices[i];add(geom->to_new_vertices[old], i);}const Element* layer_material_element = findChild(element, "LayerElementMaterial");if (layer_material_element){const Element* mapping_element = findChild(*layer_material_element, "MappingInformationType");const Element* reference_element = findChild(*layer_material_element, "ReferenceInformationType");std::vector<int> tmp;if (!mapping_element || !reference_element) return Error("Invalid LayerElementMaterial");if (mapping_element->first_property->value == "ByPolygon" &&reference_element->first_property->value == "IndexToDirect"){geom->materials.reserve(geom->vertices.size() / 3);for (int& i : geom->materials) i = -1;const Element* indices_element = findChild(*layer_material_element, "Materials");if (!indices_element || !indices_element->first_property) return Error("Invalid LayerElementMaterial");if (!parseBinaryArray(*indices_element->first_property, &tmp)) return Error("Failed to parse material indices");int tmp_i = 0;for (int poly = 0, c = (int)tmp.size(); poly < c; ++poly){int tri_count = getTriCountFromPoly(original_indices, &tmp_i);for (int i = 0; i < tri_count; ++i){geom->materials.push_back(tmp[poly]);}}}else{if (mapping_element->first_property->value != "AllSame") return Error("Mapping not supported");}}const Element* layer_uv_element = findChild(element, "LayerElementUV");while (layer_uv_element){const int uv_index = layer_uv_element->first_property ? layer_uv_element->first_property->getValue().toInt() : 0;if (uv_index >= 0 && uv_index < Geometry::s_uvs_max){std::vector<Vec2>& uvs = geom->uvs[uv_index];std::vector<Vec2> tmp;std::vector<int> tmp_indices;GeometryImpl::VertexDataMapping mapping;if (!parseVertexData(*layer_uv_element, "UV", "UVIndex", &tmp, &tmp_indices, &mapping)) return Error("Invalid UVs");if (!tmp.empty()){uvs.resize(tmp_indices.empty() ? tmp.size() : tmp_indices.size());splat(&uvs, mapping, tmp, tmp_indices, original_indices);remap(&uvs, to_old_indices);}}do{layer_uv_element = layer_uv_element->sibling;} while (layer_uv_element && layer_uv_element->id != "LayerElementUV");}const Element* layer_tangent_element = findChild(element, "LayerElementTangents");if (layer_tangent_element){std::vector<Vec3> tmp;std::vector<int> tmp_indices;GeometryImpl::VertexDataMapping mapping;if (findChild(*layer_tangent_element, "Tangents")){if (!parseVertexData(*layer_tangent_element, "Tangents", "TangentsIndex", &tmp, &tmp_indices, &mapping)) return Error("Invalid tangets");}else{if (!parseVertexData(*layer_tangent_element, "Tangent", "TangentIndex", &tmp, &tmp_indices, &mapping))  return Error("Invalid tangets");}if (!tmp.empty()){splat(&geom->tangents, mapping, tmp, tmp_indices, original_indices);remap(&geom->tangents, to_old_indices);}}const Element* layer_color_element = findChild(element, "LayerElementColor");if (layer_color_element){std::vector<Vec4> tmp;std::vector<int> tmp_indices;GeometryImpl::VertexDataMapping mapping;if (!parseVertexData(*layer_color_element, "Colors", "ColorIndex", &tmp, &tmp_indices, &mapping)) return Error("Invalid colors");if (!tmp.empty()){splat(&geom->colors, mapping, tmp, tmp_indices, original_indices);remap(&geom->colors, to_old_indices);}}const Element* layer_normal_element = findChild(element, "LayerElementNormal");if (layer_normal_element){std::vector<Vec3> tmp;std::vector<int> tmp_indices;GeometryImpl::VertexDataMapping mapping;if (!parseVertexData(*layer_normal_element, "Normals", "NormalsIndex", &tmp, &tmp_indices, &mapping)) return Error("Invalid normals");if (!tmp.empty()){splat(&geom->normals, mapping, tmp, tmp_indices, original_indices);remap(&geom->normals, to_old_indices);}}return geom.release();
}

它主要解决的问题是读取模型的顶点，多边形索引，法线，切线，UV等模型信息。再看看parseMaterial函数实现的内容如下所示：

static OptionalError<Object*> parseMaterial(const Scene& scene, const Element& element)
{MaterialImpl* material = new MaterialImpl(scene, element);const Element* prop = findChild(element, "Properties70");material->diffuse_color = { 1, 1, 1 };if (prop) prop = prop->child;while (prop){if (prop->id == "P" && prop->first_property){if (prop->first_property->value == "DiffuseColor"){material->diffuse_color.r = (float)prop->getProperty(4)->getValue().toDouble();material->diffuse_color.g = (float)prop->getProperty(5)->getValue().toDouble();material->diffuse_color.b = (float)prop->getProperty(6)->getValue().toDouble();}}prop = prop->sibling;}return material;
}

以上实现的内容效果如下所示：

这样我们把FBX模型文件的关键信息就一一解释出来了，在这里还有一个很重要的就是骨骼动画信息，并且FBX也有变形的实现，在这里我们都做了一一解释，代码如下所示：

else if (iter.second.element->id == "AnimationStack"){obj = parse<AnimationStackImpl>(*scene, *iter.second.element);if (!obj.isError()){AnimationStackImpl* stack = (AnimationStackImpl*)obj.getValue();scene->m_animation_stacks.push_back(stack);}}else if (iter.second.element->id == "AnimationLayer"){obj = parse<AnimationLayerImpl>(*scene, *iter.second.element);}else if (iter.second.element->id == "AnimationCurve"){obj = parseAnimationCurve(*scene, *iter.second.element);}else if (iter.second.element->id == "AnimationCurveNode"){obj = parse<AnimationCurveNodeImpl>(*scene, *iter.second.element);}else if (iter.second.element->id == "Deformer"){IElementProperty* class_prop = iter.second.element->getProperty(2);if (class_prop){if (class_prop->getValue() == "Cluster")obj = parseCluster(*scene, *iter.second.element);else if (class_prop->getValue() == "Skin")obj = parse<SkinImpl>(*scene, *iter.second.element);}}

对应的实现效果如下所示:

上面显示的是Take001动画文件信息，当然并不只限于以上信息，还有动作文件名字，动作播放动画时间信息，实现的效果如下所示：

以上关于FBX文件关键信息解释，另外还有很多细节函数实现，在这里就不一一给读者展示了，文章最后会把代码给读者，我们封装的模块可以直接用于DX或者OpenGL的加载的，我们上面用于演示的FBX动作文件在Unity中的显示如下所示：

我们的代码是用VS2017实现的，代码下载地址：
链接：https://pan.baidu.com/s/1q5vvdrkr5VBKdtWbw2UUBg 密码：7mvi

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