Android OpenGLES2.0（十六）——3D模型贴图及光照处理（obj+mtl）

2019-11-06 09:48:22

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供稿：网友

在Android OpenGLES2.0（十四）——Obj格式3D模型加载中实现了Obj格式的3D模型的加载，加载的是一个没有贴图，没有光照处理的帽子，为了呈现出立体效果，“手动”加了光照，拥有贴图的纹理及光照又该怎么加载呢？

模型文件

本篇博客例子中加载的是一个卡通形象皮卡丘，资源是在网上随便找的一个。加载出来如图所示：这里写图片描述

obj内容格式如下：

# Wavefront OBJ file# Exported by Misfit Model 3D 1.3.8# Thu Sep 27 20:02:52 2012mtllib pikachu.mtl# 191 Verticesv 34.493484 75.31411 -39.308891v 27.34606 45.516556 -47.155548#...省略若干行vt 0.859513 0.676464vt 0.769048 0.0597#...省略若干行vn -0.068504 -0.433852 -0.898376vn 0.422088 -0.855411 -0.30019#...省略若干行usemtl pikageno DrawCall_25g DrawCall_25f 2/1/1 1/2/2 3/3/3f 1/4/4 2/5/5 4/6/6#...省略若干行usemtl pikageno DrawCall_262g DrawCall_262f 2/58/58 3/59/59 17/60/60f 2/61/61 17/62/62 6/63/63#...省略若干行

mtl文件内容格式如下：

# Material file for pikachu.objnewmtl eye Ns 0 d 1 illum 2 Kd 0.8 0.8 0.8 Ks 0.0 0.0 0.0 Ka 0.2 0.2 0.2 map_Kd eye1.pngnewmtl mouth Ns 0 d 1 illum 2 Kd 0.8 0.8 0.8 Ks 0.0 0.0 0.0 Ka 0.2 0.2 0.2 map_Kd mouth1.pngnewmtl pikagen Ns 0 d 1 illum 2 Kd 0.8 0.8 0.8 Ks 0.0 0.0 0.0 Ka 0.2 0.2 0.2 map_Kd pikagen.png

关于Obj的内容格式，在上篇博客中已经做了总结，本篇博客中使用的obj，可以看到f后面的不再跟的是4个数字，而是f 2/58/58 3/59/59 17/60/60这种样子的三组数，每一组都表示为顶点坐标索引/贴图坐标点索引/顶点法线索引，三个顶点组成一个三角形。而头部的mtllib pikachu.mtl则指明使用的材质库。而mtl格式文件中，主要数据类型为：

newmtl name #name为材质名称Ns exponent #exponent指定材质的反射指数，定义了反射高光度Ka r g b #环境光反射，g和b两参数是可选的，如果只指定了r的值，则g和b的值都等于r的值Kd r g b #漫反射Ks r g b #镜面光反射# Ka Kd Ks 都还有其他两种格式，可查阅其他资料：#Kd spectral file.rfl factor#Kd xyz x y zmap_Kd picture.png #固有纹理贴图map_Ka picture1.png #阴影纹理贴图map_Ks picture2.png #高光纹理贴图illum 2 #光照模型#光照模型属性如下：#0. 色彩开，阴影色关#1. 色彩开，阴影色开#2. 高光开#3. 反射开，光线追踪开#4. 透明：玻璃开反射：光线追踪开#5. 反射：菲涅尔衍射开，光线追踪开#6. 透明：折射开反射：菲涅尔衍射关，光线追踪开#7. 透明：折射开反射：菲涅尔衍射开，光线追踪开#8. 反射开，光线追踪关#9. 透明：玻璃开反射：光线追踪关#10. 投射阴影于不可见表面

模型及贴图加载

模型加载和之前的模型加载大同小异，不同的是，这次我们需要将模型的贴图坐标、顶点法线也一起加载，并传入到shader中。其他参数，有的自然也要取到。模型加载以obj文件为入口，解析obj文件，从中获取到mtl文件相对路径，然后解析mtl文件。将材质库拆分为诸多的单一材质。obj对象的加载，根据具使用材质不同来分解为多个3D模型。具体加载过程如下：

建立保存单个材质的类

public class MtlInfo { //还有其他相关信息，需要的时候一起添加进来 public String newmtl; public float[] Ka=new float[3]; //阴影色 public float[] Kd=new float[3]; //固有色 public float[] Ks=new float[3]; //高光色 public float[] Ke=new float[3]; // public float Ns; //shininess public String map_Kd; //固有纹理贴图 public String map_Ks; //高光纹理贴图 public String map_Ka; //阴影纹理贴图 //denotes the illumination model used by the material. // illum = 1 indicates a flat material with no specular highlights, // so the value of Ks is not used. // illum = 2 denotes the PResence of specular highlights, // and so a specification for Ks is required. public int illum;}

建立保存拥有单一材质的3D对象的类

public class Obj3D { public FloatBuffer vert; public int vertCount; public FloatBuffer vertNorl; public FloatBuffer vertTexture; public MtlInfo mtl; private ArrayList<Float> tempVert; private ArrayList<Float> tempVertNorl; public ArrayList<Float> tempVertTexture; public int textureSMode; public int textureTMode; public void addVert(float d){ if(tempVert==null){ tempVert=new ArrayList<>(); } tempVert.add(d); } public void addVertTexture(float d){ if(tempVertTexture==null){ tempVertTexture=new ArrayList<>(); } tempVertTexture.add(d); } public void addVertNorl(float d){ if(tempVertNorl==null){ tempVertNorl=new ArrayList<>(); } tempVertNorl.add(d); } public void dataLock(){ if(tempVert!=null){ setVert(tempVert); tempVert.clear(); tempVert=null; } if(tempVertTexture!=null){ setVertTexture(tempVertTexture); tempVertTexture.clear(); tempVertTexture=null; } if(tempVertNorl!=null){ setVertNorl(tempVertNorl); tempVertNorl.clear(); tempVertNorl=null; } } public void setVert(ArrayList<Float> data){ int size=data.size(); ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocateDirect(size*4); buffer.order(ByteOrder.nativeOrder()); vert=buffer.asFloatBuffer(); for (int i=0;i<size;i++){ vert.put(data.get(i)); } vert.position(0); vertCount=size/3; } public void setVertNorl(ArrayList<Float> data){ int size=data.size(); ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocateDirect(size*4); buffer.order(ByteOrder.nativeOrder()); vertNorl=buffer.asFloatBuffer(); for (int i=0;i<size;i++){ vertNorl.put(data.get(i)); } vertNorl.position(0); } public void setVertTexture(ArrayList<Float> data){ int size=data.size(); ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocateDirect(size*4); buffer.order(ByteOrder.nativeOrder()); vertTexture=buffer.asFloatBuffer(); for (int i=0;i<size;){ vertTexture.put(data.get(i)); i++; vertTexture.put(data.get(i)); i++; } vertTexture.position(0); }}

实现材质库的解析方法

public static HashMap<String,MtlInfo> readMtl(InputStream stream){ HashMap<String,MtlInfo> map=new HashMap<>(); try{ InputStreamReader isr=new InputStreamReader(stream); BufferedReader br=new BufferedReader(isr); String temps; MtlInfo mtlInfo=new MtlInfo(); while((temps=br.readLine())!=null) { String[] tempsa=temps.split("[ ]+"); switch (tempsa[0].trim()){ case "newmtl": //材质 mtlInfo=new MtlInfo(); mtlInfo.newmtl=tempsa[1]; map.put(tempsa[1],mtlInfo); break; case "illum": //光照模型 mtlInfo.illum=Integer.parseInt(tempsa[1]); break; case "Kd": read(tempsa,mtlInfo.Kd); break; case "Ka": read(tempsa,mtlInfo.Ka); break; case "Ke": read(tempsa,mtlInfo.Ke); break; case "Ks": read(tempsa,mtlInfo.Ks); break; case "Ns": mtlInfo.Ns=Float.parseFloat(tempsa[1]); case "map_Kd": mtlInfo.map_Kd=tempsa[1]; break; } } }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } return map;}private static void read(String[] value,ArrayList<Float> list){ for (int i=1;i<value.length;i++){ list.add(Float.parseFloat(value[i])); }}private static void read(String[] value,float[] fv){ for (int i=1;i<value.length&&i<fv.length+1;i++){ fv[i-1]=Float.parseFloat(value[i]); }}

实现3D对象拆分解析的方法

public static List<Obj3D> readMultiObj(Context context,String file){ boolean isAssets; ArrayList<Obj3D> data=new ArrayList<>(); ArrayList<Float> oVs=new ArrayList<Float>();//原始顶点坐标列表 ArrayList<Float> oVNs=new ArrayList<>(); //原始顶点法线列表 ArrayList<Float> oVTs=new ArrayList<>(); //原始贴图坐标列表 HashMap<String,MtlInfo> mTls=null; HashMap<String,Obj3D> mObjs=new HashMap<>(); Obj3D nowObj=null; MtlInfo nowMtl=null; try{ String parent; InputStream inputStream; if (file.startsWith("assets/")){ isAssets=true; String path=file.substring(7); parent=path.substring(0,path.lastIndexOf("/")+1); inputStream=context.getAssets().open(path); Log.e("obj",parent); }else{ isAssets=false; parent=file.substring(0,file.lastIndexOf("/")+1); inputStream=new FileInputStream(file); } InputStreamReader isr=new InputStreamReader(inputStream); BufferedReader br=new BufferedReader(isr); String temps; while((temps=br.readLine())!=null){ if("".equals(temps)){ }else{ String[] tempsa=temps.split("[ ]+"); switch (tempsa[0].trim()){ case "mtllib": //材质 InputStream stream; if (isAssets){ stream=context.getAssets().open(parent+tempsa[1]); }else{ stream=new FileInputStream(parent+tempsa[1]); } mTls=readMtl(stream); break; case "usemtl": //采用纹理 if(mTls!=null){ nowMtl=mTls.get(tempsa[1]); } if(mObjs.containsKey(tempsa[1])){ nowObj=mObjs.get(tempsa[1]); }else{ nowObj=new Obj3D(); nowObj.mtl=nowMtl; mObjs.put(tempsa[1],nowObj); } break; case "v": //原始顶点 read(tempsa,oVs); break; case "vn": //原始顶点法线 read(tempsa,oVNs); break; case "vt": read(tempsa,oVTs); break; case "f": for (int i=1;i<tempsa.length;i++){ String[] fs=tempsa[i].split("/"); int index; if(fs.length>0){ //顶点索引 index=Integer.parseInt(fs[0])-1; nowObj.addVert(oVs.get(index*3)); nowObj.addVert(oVs.get(index*3+1)); nowObj.addVert(oVs.get(index*3+2)); } if(fs.length>1){ //贴图 index=Integer.parseInt(fs[1])-1; nowObj.addVertTexture(oVTs.get(index*2)); nowObj.addVertTexture(oVTs.get(index*2+1)); } if(fs.length>2){ //法线索引 index=Integer.parseInt(fs[2])-1; nowObj.addVertNorl(oVNs.get(index*3)); nowObj.addVertNorl(oVNs.get(index*3+1)); nowObj.addVertNorl(oVNs.get(index*3+2)); } } break; } } } }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } for (Map.Entry<String, Obj3D> stringObj3DEntry : mObjs.entrySet()) { Obj3D obj = stringObj3DEntry.getValue(); data.add(obj); obj.dataLock(); } return data;}

顶点着色器及片元着色器

顶点着色器

attribute vec3 vPosition;attribute vec2 vCoord;uniform mat4 vMatrix;uniform vec3 vKa;uniform vec3 vKd;uniform vec3 vKs;varying vec2 textureCoordinate;attribute vec3 vNormal; //法向量varying vec4 vDiffuse; //用于传递给片元着色器的散射光最终强度varying vec4 vAmbient; //用于传递给片元着色器的环境光最终强度varying vec4 vSpecular; //用于传递给片元着色器的镜面光最终强度void main(){ gl_Position = vMatrix*vec4(vPosition,1); textureCoordinate = vCoord; vec3 lightLocation=vec3(0.0,-200.0,-500.0); //光照位置 vec3 camera=vec3(0,200.0,0); float shininess=10.0; //粗糙度，越小越光滑 vec3 newNormal=normalize((vMatrix*vec4(vNormal+vPosition,1)).xyz-(vMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz); vec3 vp=normalize(lightLocation-(vMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz); vDiffuse=vec4(vKd,1.0)*max(0.0,dot(newNormal,vp)); //计算散射光的最终强度 vec3 eye= normalize(camera-(vMatrix*vec4(vPosition,1)).xyz); vec3 halfVector=normalize(vp+eye); //求视线与光线的半向量 float nDotViewHalfVector=dot(newNormal,halfVector); //法线与半向量的点积 float powerFactor=max(0.0,pow(nDotViewHalfVector,shininess)); //镜面反射光强度因子 vSpecular=vec4(vKs,1.0)*powerFactor; //计算镜面光的最终强度 vAmbient=vec4(vKa,1.0);}

片元着色器

precision mediump float;varying vec2 textureCoordinate;uniform sampler2D vTexture;varying vec4 vDiffuse; //接收从顶点着色器过来的散射光分量varying vec4 vAmbient; //接收传递给片元着色器的环境光分量varying vec4 vSpecular; //接收传递给片元着色器的镜面光分量void main() { vec4 finalColor=texture2D(vTexture,textureCoordinate); gl_FragColor=finalColor*vAmbient+finalColor*vSpecular+finalColor*vDiffuse;}

启动加载及渲染

完成了以上准备工作，就可以调用readMultiObj方法，将obj文件读成一个或多个带有各项参数的3D模型类，然后将每一个3D模型的参数传入shader中，进而进行渲染：

List<Obj3D> model=ObjReader.readMultiObj(this,"assets/3dres/pikachu.obj");List<ObjFilter2> filters=new ArrayList<>();for (int i=0;i<model.size();i++){ ObjFilter2 f=new ObjFilter2(getResources()); f.setObj3D(model.get(i)); filters.add(f);}mGLView.setRenderer(new GLSurfaceView.Renderer() { @Override public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) { for (ObjFilter2 f:filters){ f.create(); } } @Override public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) { for (ObjFilter2 f:filters){ f.onSizeChanged(width, height); float[] matrix= Gl2Utils.getOriginalMatrix(); Matrix.translateM(matrix,0,0,-0.3f,0); Matrix.scaleM(matrix,0,0.008f,0.008f*width/height,0.008f); f.setMatrix(matrix); } } @Override public void onDrawFrame(GL10 gl) { GLES20.glClearColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); GLES20.glClear(GLES20.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GLES20.GL_DEPTH_BUFFER_BIT); for (ObjFilter2 f:filters){ Matrix.rotateM(f.getMatrix(),0,0.3f,0,1,0); f.draw(); } }});mGLView.setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_CONTINUOUSLY);

OK，至此大功告成。