Lib3DS教程

贺俊材

2023-12-01

版权归原作者

我决定写这个lib3ds教程，那是因为现在网上关于lib3ds的信息还非常少。仅仅是一个例子演示文件和一些毫无生机文档。在这第一个lib3ds教程里，你将会使用lib3ds写一个非常简单的程序来渲染你的3ds模型。第一个例子仅用了lib3ds库中很小的一部分接口，以便向你介绍lib3ds。因此，它不支持纹理，材质等等（那是接下来教程的事）。

基本原理
写代码之前，我们先要了解一些关于3DS格式的理论。一个3DS模型通常是从结点建立的。结点通常有一个类树的结构，有一个根结点，根结点又有两个分枝（子结点），然而，这些分枝又有自己的分枝等等。在lib3ds中，结点可以是很多东西，比如有几何结点、光源结点、相机结点。
每个几何结点都有一个相应的网格。你或许很好奇，什么是网格？简单说：就是面。它是一串带有相应材质的多边形。每个网格由好几个面（多边形）组成，这些面在lib3ds里就是一个带有自己坐标和法矢的三角形。本教程里，为了避免结点的困扰，我们只处理网格。

代码
好了，现在我们已经粗略的浏览了基本原理，接下来是写代码的时候了。我的代码用C++些的（但想转回C也不太难），并且使用OpenGL渲染（lib3ds并不依赖图形库，所有你可以用DX写渲染代码）以及QT4写Winodws代码。之所以选择了QT，那是因为它还包含加载图像的功能（以后我们还会用到纹理贴图）。

一个模型类
我们要做的第一件事就是创建一个简单的3DS模型类（以后可做扩展）：
// Our 3DS model class
class CModel3DS
{
      public:
            CModel3DS(std:: string filename);
            virtual void Draw() const;
            virtual void CreateVBO();
            virtual ~CModel3DS();
      protected:
            void GetFaces();
            unsigned int m_TotalFaces;
            Lib3dsFile * m_model;
            GLuint m_VertexVBO, m_NormalVBO;
};
就像你看到的，这个类中的公共区域有如下函数：一个构造函数，一个（虚）析构函数，一个绘画函数和一个计算vbo的函数。这个CreateVBO函数将从lib3ds拷贝数据并存储到一个变量。可以传递此变量到我们的顶点缓冲对象中去的。我们使用顶点缓冲对象来增加渲染性能。
在保护区域，有一个计算面数的函数并将其值存到m_TotalFaces。好了，现在要到我们的第一个lib3ds代码了：m_model的声明。这是我们这个类中最重要的变量，因为它是获取我们的模型所有信息的关键。稍后再回到m_model上来。
类中最后两个变量，是我们的顶点缓冲对象的标识符。

在我们做任何渲染之前，我们要用lib3ds去加载我们的模型，这将在我们的构造函数中完成：
// Load 3DS model
CModel3DS::CModel3DS(std:: string filename)
{
      m_TotalFaces = 0;

      m_model = lib3ds_file_load(filename.c_str());
      // If loading the model failed, we throw an exception
      if(!m_model)
      {
            throw strcat("Unable to load ", filename.c_str());
      }
}

构造函数以模型的文件名为第一个参数，并把它传递给lib3ds_file_load()这个函数。从此加载模型到内存中，并返回一个Lib3dsFile的指针。我们将把这个指针存储到m_model里。加载出错是时有可能的，所有有必要判断是否成功，出错就抛出异常。

下面让我们来电更有激情的代码，计算我们模型中面数总和的GetFaces函数。

// Count the total number of faces this model has
void CModel3DS::GetFaces()
{
      assert(m_model != NULL);

      m_TotalFaces = 0;
      Lib3dsMesh * mesh;
      // Loop through every mesh
      for(mesh = m_model->meshes;mesh != NULL;mesh = mesh->next)
      {
            // Add the number of faces this mesh has to the total faces
            m_TotalFaces += mesh->faces;
      }
}

我们首先创建一个名为mesh的Lib3dsMesh指针。在循环中mesh先被赋值为m_model->meshes指向模型中第一个网格。然后一直循环下去，直到mesh为NULL（这意味着我们没有下一个网格了）。
我们的网格包含多样的种类或变量（包含下一网格的指针和网格的面数）。我们从此来计算模型中面数的总和。我们要依次来分配足够的内存来存储所有的顶点和法矢。

好了，我们现在到了最有趣的部分，CreateVBO()函数。此函数创建两个顶点缓冲对象：一个存储法矢，一个存储顶点。但是在传递数据到我们的vbo之前，我们需要在一个连续的数组中保存这些顶点和法矢。不幸的是，lib3ds并没有以我们想要的方式给出数据，因为这些几何量存储在每一个网格中。

// Copy vertices and normals to the memory of the GPU
void CModel3DS::CreateVBO()
{
      assert(m_model != NULL);

      // Calculate the number of faces we have in total
      GetFaces();

      // Allocate memory for our vertices and normals
      Lib3dsVector * vertices = new Lib3dsVector[m_TotalFaces * 3];
      Lib3dsVector * normals = new Lib3dsVector[m_TotalFaces * 3];

      Lib3dsMesh * mesh;
      unsigned int FinishedFaces = 0;
      // Loop through all the meshes
      for(mesh = m_model->meshes;mesh != NULL;mesh = mesh->next)
      {
            lib3ds_mesh_calculate_normals(mesh, &normals[FinishedFaces*3]);
            // Loop through every face
            for(unsigned int cur_face = 0; cur_face faces;cur_face++)
            {
                     Lib3dsFace * face = &mesh->faceL[cur_face];
                     for(unsigned int i = 0;i
                     {
                              memcpy(&vertices[FinishedFaces*3+i], mesh->pointL[face->points[ i ]].pos, sizeof(Lib3dsVector));
                     }
                     FinishedFaces++;
            }
      }

      // Generate a Vertex Buffer Object and store it with our vertices
      glGenBuffers(1, &m_VertexVBO);
      glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VertexVBO);
      glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(Lib3dsVector) * 3 * m_TotalFaces, vertices, GL_STATIC_DRAW);

      // Generate another Vertex Buffer Object and store the normals in it
      glGenBuffers(1, &m_NormalVBO);
      glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_NormalVBO);
      glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(Lib3dsVector) * 3 * m_TotalFaces, normals, GL_STATIC_DRAW);

      // Clean up our allocated memory
      delete vertices;
      delete normals;

      // We no longer need lib3ds
      lib3ds_file_free(m_model);
      m_model = NULL;
}

我们首先调用GetFaces来计算面数，然后为存储我们的顶点和法矢分配内存空间。如你所见，我在使用Lib3dsVector：一个来自lib3ds很棒的工具，其实它只是一个包含3个浮点数值数组的类型定义。
由于一个面包含3个顶点（要记得那是一个三角形^_^），我在为m_TotalFaces*3个顶点分配内存空间。
然后，创建两个变量，mesh(保存当前网格，就像在函数GetFaces中那样)和FinishedFaces。使用FinishedFaces来记录我们已经处理过的面数，因此我知道该从数组中何处开始拷贝数据。你或许已经从GetFaces中认出这个for循环了。在mesh循环中我使用了lib3ds的函数lib3ds_mesh_caculate_normals()获取当前网格的法矢，由于它处理一个连续的法矢数组，我们就可以传递我们的法矢变量到lib3ds_mesh_calculate_normals()。这样计算得到的法矢会自动拷贝到我们的法矢变量中去。
顶点存储在mesh->pointL中，但是mesh->pointL的索引却存在网格的面中。所有我们要循环经过网格中的每一个面。如上，我使用了mesh->faces来循环遍历这些面，然后把一个指针临时地存储到faceL(一个面数组)中的当前面。然后，创建一个循环来复制这些顶点到变量vertices(记着一个三角形三个顶点)。face->points提供了顶点数组pointL中第i个顶点的位置。从中得到的元素是一个Lib3dsPoint。一个Lib3dsPoint仅有一个域：pos，这是一个Lib3dsVector。这正是我们想要的，因此，把它拷贝到我们的顶点数组中。
现在我们有了自己想要格式的顶点和法矢，我们要把这些数组传递给OpenGL。我不会叙述过多的细节，因为这不是个OpenGL教程。但它要做的是：生成并绑定一个vbo，然后把数组传递给OpenGL。
做完这些之后，我们要移除我们的数组，因为不再需要（因为数据已经存储在GPU了）。同样释放Lib3dsFile，因为不再需要（我们所要的一切都在GPU的内存里了）。

CModel3DS的最后一个函数就是绘图了。没什么有趣的，都是些标准的OpenGL代码：

// Render the model using Vertex Buffer Objects
void CModel3DS:: Draw() const
{
      assert(m_TotalFaces != 0);

      // Enable vertex and normal arrays
      glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
      glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);

      // Bind the vbo with the normals
      glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_NormalVBO);
      // The pointer for the normals is NULL which means that OpenGL will use the currently bound vbo
      glNormalPointer(GL_FLOAT, 0, NULL);

      glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VertexVBO);
      glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, NULL);

      // Render the triangles
      glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, m_TotalFaces * 3);

      glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
      glDisableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
}

这些代码只是绑定vbo，然后告诉OpenGL在当前VBO中寻找数据。之后，就是使用glDrawArrays来渲染我们的数组了。

Qt代码
下面是一些特定的QT代码并包含了一些OGL代码，如果没兴趣，你可以跳过这一部分（毕竟这是一个lib3ds教程）。

QT有特定的类来处理OGL渲染：QGLWidget。它包含一些预制函数，比如renderText可以渲染字体到OGL场景。在QT中使用OGL，你要创建自己的控件，继承自QGLWidget。QGLWidget有一些特定的函数可以被QT的主循环调用。你可以重写这些函数来响应特定的事件。我要重写的3个函数是：paintGL()，每次窗口需要重绘的时候被调用；resizeGL，当调整了控件大小时会被调用；和initializeGL，你可以用来写所有的OGL初始化代码。
// A render widget for QT
class CRender : public QGLWidget
{
      public:
            CRender(QWidget *parent = 0);
      protected:
            virtual void initializeGL();
            virtual void resizeGL(int width, int height);
            virtual void paintGL();
      private:
            CModel3DS * monkey;
};

这是个类最最基础的，唯一有趣的是有一个叫做monkey的CModel3DS对象。
在我们的构造函数中，要加载这个monkey,3ds模型。如果得到一个异常，我们就打印一条消息到标准错误，并退出。

// Constructor, initialize our model-object
CRender::CRender(QWidget *parent) : QGLWidget(parent)
{
      try
      {
            monkey = new CModel3DS("monkey.3ds");
      }
      catch(std::
string error_str)
      {
            std::cerr
            exit(1);
      }
}

在initializeGL里，是我们初始化OGL的一些代码并且创建了我们的vbo：

// Initialize some OpenGL settings
void CRender::initializeGL()
{
      glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
      glShadeModel(GL_SMOOTH);

      // Enable lighting and set the position of the light
      glEnable(GL_LIGHT0);
      glEnable(GL_LIGHTING);
      GLfloat pos[] = { 0.0, 4.0, 4.0 };
      glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, pos);

      // Generate Vertex Buffer Objects
      monkey->CreateVBO();
}

首先设置我们的清屏颜色（如果我们清除屏幕，屏幕就会被重置为此颜色）为黑色，然后设置阴影模型为光滑（这意味着我们的一个几何单元可以有多重颜色）。之后，我们启用光照并把光源设置到视场后面的某个地方。最后，我们调用CreateVBO()为我们的3DS模型生成顶点缓冲单元(vbo)。

下面的函数resizeGL在调整控件大小的时候会被QT调用，所有，我们重置了视场并调整了MODELVIEW和PROJECTION矩阵。

// Reset viewport and projection matrix after the window was resized
void CRender::resizeGL(int width, int height)
{
      // Reset the viewport
      glViewport(0, 0, width, height);
      // Reset the projection and modelview matrix
      glMatrixMode(GL_PROJECTION);
      glLoadIdentity();
      // 10 x 10 x 10 viewing volume
      glOrtho(-5.0, 5.0, -5.0, 5.0, -5.0, 5.0);
      glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
      glLoadIdentity();
}

glViewport改变了视场（OGL渲染的区域）。然后，改变当前矩阵操作为PROJECTION并重置为标准单位阵。使用glOrtho()设置视景体为一个10*10*10的立方体，然后切换回模型视点矩阵操作，同样重置了当前阵。

渲染函数委实简单：

// Do all the OpenGL rendering
void CRender:: paintGL()
{
      glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

      // Draw our model
      monkey->Draw();

      // We don't need to swap the buffers, because QT does that automaticly for us
}

首先清屏，然后调用3ds模型的绘制函数，由它完成所有的渲染。我们不必交换前后缓冲区，QT会为我们自动完成这些。

最后，是主函数了。
int main(int argc, char **argv)
{
      QApplication app(argc, argv);
      CRender * window = new CRender();
      window->show();
      return app.exec();
}

首先我们第创建了一个QT程序，然后我们创建了自己的控件，通过show函数使之可视。要开始我们的程序，只要调用app.exe()就可以开启一个处理所有窗口事件的主循环。

下载并编译代码
我已经做好了这些代码的tar.gz压缩包，包括3DS模型和一个qmake工程文件。
下载代码
要编译代码，可以运行以下命令：

qmake # generate Makefile
make # compile code

本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u1/56532/showart_1361371.html

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