第十七章

模型載入 • Assimp

發布時間：2025-06-28 閱讀時間：13 分鐘

到目前為止，我們在所有場景中都大量地使用我們的小容器朋友，但隨著時間的推移，即使是我們最好的朋友也會變得有點無聊。在大型圖形應用程式中，通常有很多複雜而有趣的模型，它們比靜態容器更賞心悅目。然而，與容器物件不同，我們無法真正手動定義複雜形狀（例如房屋、車輛或類人角色）的所有頂點、法線和紋理座標。我們想要的是將這些模型匯入到應用程式中；這些模型是由 3D 藝術家在 Blender、3DS Max 或 Maya 等工具中精心設計的。

這些所謂的「3D 建模工具」允許藝術家創建複雜的形狀並透過稱為「UV 貼圖」的過程將紋理應用到它們。然後，這些工具會自動生成所有頂點座標、頂點法線和紋理座標，同時將它們匯出為我們可以使用的模型檔案格式。透過這種方式，藝術家擁有一個廣泛的工具包來創建高品質的模型，而無需過多關心技術細節。所有技術方面都隱藏在匯出的模型檔案中。然而，作為圖形程式設計師，我們確實需要關心這些技術細節。

我們的職責是解析這些匯出的模型檔案並提取所有相關資訊，以便我們可以將它們儲存為 OpenGL 理解的格式。一個常見的問題是有數十種不同的檔案格式，每種檔案格式都以其獨特的方式匯出模型資料。像 Wavefront .obj 這樣的模型格式只包含模型資料和少量材質資訊，例如模型顏色和漫反射/鏡面貼圖，而像基於 XML 的 Collada 檔案格式 這樣的模型格式則極其廣泛，包含模型、燈光、多種類型的材質、動畫資料、攝影機、完整的場景資訊等等。Wavefront 物件格式通常被認為是一種易於解析的模型格式。建議至少瀏覽一次 Wavefront 的 wiki 頁面，以了解此類檔案格式的資料結構。這應該能讓您對模型檔案格式的通用結構有一個基本的認識。

總而言之，有許多不同的檔案格式，它們之間通常不存在通用的結構。因此，如果我們想從這些檔案格式中匯入模型，我們就必須為我們想要匯入的每種檔案格式自行編寫一個匯入器。幸運的是，恰好有一個函式庫可以解決這個問題。

模型載入函式庫

一個非常流行的模型匯入函式庫叫做 Assimp，它是 Open Asset Import Library 的縮寫。Assimp 能夠匯入數十種不同的模型檔案格式（也可以匯出到某些格式），方法是將所有模型的資料載入到 Assimp 的通用資料結構中。一旦 Assimp 載入模型，我們就可以從 Assimp 的資料結構中檢索我們需要的所有資料。因為 Assimp 的資料結構保持不變，無論我們匯入的檔案格式類型如何，它都將我們從所有不同的檔案格式中抽象出來。

當透過 Assimp 匯入模型時，它會將整個模型載入到一個「場景」物件中，該物件包含匯入模型/場景的所有資料。然後，Assimp 擁有一系列節點，其中每個節點都包含指向儲存在場景物件中資料的索引，其中每個節點都可以擁有任意數量的子節點。Assimp 結構的（簡化）模型如下所示：

  • 場景/模型的所有資料都包含在 Scene 物件中，例如所有材質和網格。它還包含對場景根節點的引用。
  • 場景的根節點可能包含子節點（像所有其他節點一樣），並且可能擁有一組指向場景物件的 mMeshes 陣列中網格資料的索引。場景的 mMeshes 陣列包含實際的 Mesh 物件，節點中 mMeshes 陣列中的值只是場景網格陣列的索引。
  • Mesh 物件本身包含渲染所需的所有相關資料，例如頂點位置、法線向量、紋理座標、面和物件的材質。
  • 一個網格包含多個面。一個面代表物件的渲染圖元（三角形、正方形、點）。一個面包含形成圖元的頂點索引。因為頂點和索引是分開的，這使得我們很容易透過索引緩衝區進行渲染（參見你好，三角形）。
  • 最後，一個網格還連結到一個 Material 物件，該物件託管多個函數以檢索物件的材質屬性。考慮顏色和/或紋理貼圖（例如漫反射和鏡面貼圖）。

我們想要做的是：首先將物件載入到 Scene 物件中，遞歸地從每個節點中檢索相應的 Mesh 物件（我們遞歸地搜尋每個節點的子節點），並處理每個 Mesh 物件以檢索頂點資料、索引及其材質屬性。結果將是一個網格資料的集合，我們希望將其包含在一個單一的 Model 物件中。

網格 在建模工具包中建模物件時，藝術家通常不會用單一形狀創建整個模型。通常，每個模型都由幾個子模型/形狀組成。每個單一形狀都稱為「網格」。想想一個類人角色：藝術家通常將頭部、四肢、衣服和武器都建模為單獨的組件，所有這些網格的組合結果代表最終模型。單個網格是我們在 OpenGL 中繪製物件所需的最小表示（頂點資料、索引和材質屬性）。模型（通常）由多個網格組成。

在下一章節中，我們將創建我們自己的 Model 和 Mesh 類，它們使用我們剛剛描述的結構載入和儲存匯入的模型。如果我們然後想要繪製模型，我們不會渲染整個模型，而是渲染模型組成的所有單個網格。但是，在我們開始匯入模型之前，我們首先需要將 Assimp 包含到我們的專案中。

建置 Assimp

您可以從 Assimp 的 GitHub 頁面下載並選擇相應的版本。本文撰寫時，使用的 Assimp 版本是 3.1.1 版。建議您自行編譯函式庫，因為它們預編譯的函式庫並非總是在所有系統上都能正常運作。如果您忘記如何透過 CMake 自行編譯函式庫，請查閱創建視窗章節。

在建置 Assimp 時可能會出現一些問題，因此我將在此處記錄它們及其解決方案，以防你們中的任何人遇到相同的錯誤：

  • CMake 在擷取設定清單時不斷出現 DirectX 函式庫遺失的錯誤，訊息如下： 
    "Could not locate DirectX
CMake Error at cmake-modules/FindPkgMacros.cmake:110 (message):
Required library DirectX not found! Install the library (including dev packages)
and try again. If the library is already installed, set the missing variables
manually in cmake."

    解決方法是安裝 DirectX SDK，以防您之前沒有安裝它。您可以從這裡下載 SDK。

  • 在安裝 DirectX SDK 時，可能會彈出錯誤碼 s1023。在這種情況下，您需要先解除安裝 C++ 可再發行套件，然後再安裝 SDK。

設定完成後，您可以生成一個解決方案檔案，打開它，然後編譯函式庫（無論是發布版本還是偵錯版本，隨您喜好）。請務必為 64 位元編譯，因為所有 LearnOpenGL 程式碼都是 64 位元。

預設設定將 Assimp 建置為動態函式庫，因此我們需要將生成的 DLL 檔案 assimp.dll（或帶有一些後綴）與應用程式的二進位檔案一起包含。您可以簡單地將 DLL 複製到應用程式可執行檔所在的相同資料夾中。

編譯生成的解決方案後，生成的函式庫和 DLL 檔案位於 code/Debug 或 code/Release 資料夾中。然後只需將 lib 和 DLL 移動到它們的適當位置，從您的解決方案中連結它們，並確保將 Assimp 的標頭檔複製到您的 include 目錄（標頭檔位於從 Assimp 下載的檔案中的 include 資料夾中）。

現在您應該已經編譯並將 Assimp 連結到您的應用程式了。如果您仍然收到任何未報告的錯誤，請隨時在評論中尋求幫助。