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网格

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小牛编辑
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2023-12-01

通过使用Assimp,我们可以加载不同的模型到程序中,但是载入后它们都被储存为Assimp的数据结构。我们最终仍要将这些数据转换为OpenGL能够理解的格式,这样才能渲染这个物体。我们从上一节中学到,网格(Mesh)代表的是单个的可绘制实体,我们现在先来定义一个我们自己的网格类。

首先我们来回顾一下我们目前学到的知识,想想一个网格最少需要什么数据。一个网格应该至少需要一系列的顶点,每个顶点包含一个位置向量、一个法向量和一个纹理坐标向量。一个网格还应该包含用于索引绘制的索引以及纹理形式的材质数据(漫反射/镜面光贴图)。

既然我们有了一个网格类的最低需求,我们可以在OpenGL中定义一个顶点了:

struct Vertex {
    glm::vec3 Position;
    glm::vec3 Normal;
    glm::vec2 TexCoords;
};

我们将所有需要的向量储存到一个叫做Vertex的结构体中,我们可以用它来索引每个顶点属性。除了Vertex结构体之外,我们还需要将纹理数据整理到一个Texture结构体中。

struct Texture {
    unsigned int id;
    string type;
};

我们储存了纹理的id以及它的类型,比如是漫反射贴图或者是镜面光贴图。

知道了顶点和纹理的实现,我们可以开始定义网格类的结构了:

class Mesh {
    public:
        /*  网格数据  */
        vector<Vertex> vertices;
        vector<unsigned int> indices;
        vector<Texture> textures;
        /*  函数  */
        Mesh(vector<Vertex> vertices, vector<unsigned int> indices, vector<Texture> textures);
        void Draw(Shader shader);
    private:
        /*  渲染数据  */
        unsigned int VAO, VBO, EBO;
        /*  函数  */
        void setupMesh();
};  

你可以看到这个类并不复杂。在构造器中,我们将所有必须的数据赋予了网格,我们在setupMesh函数中初始化缓冲,并最终使用Draw函数来绘制网格。注意我们将一个着色器传入了Draw函数中,将着色器传入网格类中可以让我们在绘制之前设置一些uniform(像是链接采样器到纹理单元)。

构造器的内容非常易于理解。我们只需要使用构造器的参数设置类的公有变量就可以了。我们在构造器中还调用了setupMesh函数:

Mesh(vector<Vertex> vertices, vector<unsigned int> indices, vector<Texture> textures)
{
    this->vertices = vertices;
    this->indices = indices;
    this->textures = textures;
    setupMesh();
}

这里没什么可说的。我们接下来讨论setupMesh函数。

初始化

由于有了构造器,我们现在有一大列的网格数据用于渲染。在此之前我们还必须配置正确的缓冲,并通过顶点属性指针定义顶点着色器的布局。现在你应该对这些概念都很熟悉了,但我们这次会稍微有一点变动,使用结构体中的顶点数据:

void setupMesh()
{
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    glGenBuffers(1, &EBO);
    glBindVertexArray(VAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertices.size() * sizeof(Vertex), &vertices[0], GL_STATIC_DRAW);  
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.size() * sizeof(unsigned int), 
                 &indices[0], GL_STATIC_DRAW);
    // 顶点位置
    glEnableVertexAttribArray(0);   
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)0);
    // 顶点法线
    glEnableVertexAttribArray(1);   
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Normal));
    // 顶点纹理坐标
    glEnableVertexAttribArray(2);   
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, TexCoords));
    glBindVertexArray(0);
}  

代码应该和你所想得没什么不同,但有了Vertex结构体的帮助,我们使用了一些小技巧。

C++结构体有一个很棒的特性,它们的内存布局是连续的(Sequential)。也就是说,如果我们将结构体作为一个数据数组使用,那么它将会以顺序排列结构体的变量,这将会直接转换为我们在数组缓冲中所需要的float(实际上是字节)数组。比如说,如果我们有一个填充后的Vertex结构体,那么它的内存布局将会等于:

Vertex vertex;
vertex.Position  = glm::vec3(0.2f, 0.4f, 0.6f);
vertex.Normal    = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
vertex.TexCoords = glm::vec2(1.0f, 0.0f);
// = [0.2f, 0.4f, 0.6f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f];

由于有了这个有用的特性,我们能够直接传入一大列的Vertex结构体的指针作为缓冲的数据,它们将会完美地转换为glBufferData所能用的参数:

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertices.size() * sizeof(Vertex), &vertices[0], GL_STATIC_DRAW);

自然sizeof运算也可以用在结构体上来计算它的字节大小。这个应该是32字节的(8个float * 每个4字节)。

结构体的另外一个很好的用途是它的预处理指令offsetof(s, m),它的第一个参数是一个结构体,第二个参数是这个结构体中变量的名字。这个宏会返回那个变量距结构体头部的字节偏移量(Byte Offset)。这正好可以用在定义glVertexAttribPointer函数中的偏移参数:

glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Normal)); 

偏移量现在是使用offsetof来定义了,在这里它会将法向量的字节偏移量设置为结构体中法向量的偏移量,也就是3个float,即12字节。注意,我们同样将步长参数设置为了Vertex结构体的大小。

使用这样的一个结构体不仅能够提供可读性更高的代码,也允许我们很容易地拓展这个结构。如果我们希望添加另一个顶点属性,我们只需要将它添加到结构体中就可以了。由于它的灵活性,渲染的代码不会被破坏。

渲染

我们需要为Mesh类定义最后一个函数,它的Draw函数。在真正渲染这个网格之前,我们需要在调用glDrawElements函数之前先绑定相应的纹理。然而,这实际上有些困难,我们一开始并不知道这个网格(如果有的话)有多少纹理、纹理是什么类型的。所以我们该如何在着色器中设置纹理单元和采样器呢?

为了解决这个问题,我们需要设定一个命名标准:每个漫反射纹理被命名为texture_diffuseN,每个镜面光纹理应该被命名为texture_specularN,其中N的范围是1到纹理采样器最大允许的数字。比如说我们对某一个网格有3个漫反射纹理,2个镜面光纹理,它们的纹理采样器应该之后会被调用:

uniform sampler2D texture_diffuse1;
uniform sampler2D texture_diffuse2;
uniform sampler2D texture_diffuse3;
uniform sampler2D texture_specular1;
uniform sampler2D texture_specular2;

根据这个标准,我们可以在着色器中定义任意需要数量的纹理采样器,如果一个网格真的包含了(这么多)纹理,我们也能知道它们的名字是什么。根据这个标准,我们也能在一个网格中处理任意数量的纹理,开发者也可以自由选择需要使用的数量,他只需要定义正确的采样器就可以了(虽然定义少的话会有点浪费绑定和uniform调用)。

Important

像这样的问题有很多种不同的解决方案。如果你不喜欢这个解决方案,你可以自己想一个你自己的解决办法。

最终的渲染代码是这样的:

void Draw(Shader shader) 
{
    unsigned int diffuseNr = 1;
    unsigned int specularNr = 1;
    for(unsigned int i = 0; i < textures.size(); i++)
    {
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i); // 在绑定之前激活相应的纹理单元
        // 获取纹理序号(diffuse_textureN 中的 N)
        string number;
        string name = textures[i].type;
        if(name == "texture_diffuse")
            number = std::to_string(diffuseNr++);
        else if(name == "texture_specular")
            number = std::to_string(specularNr++);
        shader.setFloat(("material." + name + number).c_str(), i);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textures[i].id);
    }
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    // 绘制网格
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
    glBindVertexArray(0);
}

我们首先计算了每个纹理类型的N-分量,并将其拼接到纹理类型字符串上,来获取对应的uniform名称。接下来我们查找对应的采样器,将它的位置值设置为当前激活的纹理单元,并绑定纹理。这也是我们在Draw函数中需要着色器的原因。我们也将"material."添加到了最终的uniform名称中,因为我们希望将纹理储存在一个材质结构体中(这在每个实现中可能都不同)。

Important

注意我们在将漫反射计数器和镜面光计数器插入stringstream时,对它们进行了递增。在C++中,这个递增操作:variable++将会返回变量本身,之后再递增,而++variable则是递增,再返回值。在我们的例子中是首先将原本的计数器值插入stringstream,之后再递增它,供下一次循环使用。

你可以在这里找到Mesh类的完整源代码

我们刚定义的Mesh类是我们之前讨论的很多话题的抽象结果。在下一节中,我们将创建一个模型,作为多个网格对象的容器,并真正地实现Assimp的加载接口。