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第16课：模型加载 (Model Loading) | LearnOpenGL

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LearnOpenGL 教学系列 — 第0016课

模型加载 (Model Loading)

经过光照阶段的学习，我们已经掌握了如何让物体在三维空间中呈现真实的明暗效果。但到目前为止，我们所有的几何体都是手动在代码中定义顶点数据——一个立方体、一个平面、一个球体。在实际的游戏引擎（如 Unity、UE、Godot）中，场景中的物体都是从 3D 模型文件导入的。

本课将介绍如何使用 Assimp 库加载复杂的 3D 模型，理解模型文件的内部结构，并构建可复用的 Model 类和 Mesh 类。

1. Assimp 库简介

Assimp（Open Asset Import Library，开放资源导入库）是一个跨平台的 3D 模型加载库，支持导入超过 40 种 3D 模型格式，包括：

  • FBX — Autodesk 的通用交换格式，Unity/UE 最常用的格式
  • OBJ — 经典的 Wavefront 格式，结构简单
  • glTF — Khronos 标准的”3D 界的 JPEG”，Web 和实时渲染的首选
  • Collada (DAE) — 基于 XML 的交换格式
  • STL、3DS、Blend 等

Assimp 将不同格式的模型统一解析为内部的数据结构（aiScene），开发者无需关心具体格式的差异。这正是引擎开发中的”适配器模式”——将多种外部格式统一为内部表示。

#include <assimp/Importer.hpp>
#include <assimp/scene.h>
#include <assimp/postprocess.h>
 
Assimp::Importer importer;
const aiScene* scene = importer.ReadFile(path,
    aiProcess_Triangulate |          // 将多边形三角化
    aiProcess_GenSmoothNormals |     // 生成平滑法线
    aiProcess_FlipUVs |              // 翻转 UV（OpenGL 坐标）
    aiProcess_CalcTangentSpace);     // 计算切线空间（法线贴图用）

INFO

引擎连接：Unity 的模型导入

当你在 Unity 中将一个 FBX 文件拖入项目时，Unity 内部做了类似 Assimp 的事情：解析文件格式，提取网格、材质、动画、骨骼数据，然后转换为 Unity 内部的 Mesh 和 Material 对象。不同之处在于 Unity 使用自己的 C++ 导入器（或 FBX SDK），并且会生成中间 Asset 文件来提高导入速度。Godot 则直接使用 Assimp 作为其模型导入后端。

2. 场景图结构：aiScene / aiNode / aiMesh

Assimp 将模型文件解析为一棵”场景树”（Scene Graph），其核心结构如下：

aiScene（场景）

场景的根容器，包含所有数据：

  • mRootNode — 根节点指针
  • mNumMeshes / mMeshes[] — 所有网格的数组
  • mNumMaterials / mMaterials[] — 所有材质的数组
  • mNumTextures / mTextures[] — 内嵌纹理（较少使用）

aiNode（节点）

场景图的节点，形成树状层级结构：

  • mName — 节点名称
  • mTransformation — 节点的本地变换矩阵（位移/旋转/缩放）
  • mNumMeshes / mMeshes[] — 该节点引用的网格索引数组
  • mNumChildren / mChildren[] — 子节点数组

aiMesh（网格）

实际的几何数据：

  • mVertices[] — 顶点位置数组
  • mNormals[] — 法线数组
  • mTextureCoords[8][] — 最多 8 组纹理坐标
  • mTangents[] / mBitangents[] — 切线/副切线
  • mFaces[] — 面数据（包含顶点索引）
  • mMaterialIndex — 使用的材质索引
// 场景图遍历示意
void processNode(aiNode* node, const aiScene* scene) {
    // 处理当前节点的所有网格
    for (unsigned int i = 0; i < node->mNumMeshes; i++) {
        aiMesh* mesh = scene->mMeshes[node->mMeshes[i]];
        // 提取顶点数据、索引、材质...
    }
    // 递归处理子节点
    for (unsigned int i = 0; i < node->mNumChildren; i++) {
        processNode(node->mChildren[i], scene);
    }
}

INFO

引擎连接：Unity 的 Transform 层级

Unity 场景面板中的 GameObject 层级结构，本质上就是一棵场景图。每个 GameObject 的 Transform 组件对应 aiNode 的 mTransformation。当你将一个 FBX 模型拖入 Unity 场景时，Unity 会根据 FBX 文件内部的节点层级自动创建对应的 GameObject 层级。这在 UE 中称为 Actor 层级，在 Godot 中则是 Node 树。

3. Mesh 类封装

Mesh 类将单个网格的数据封装为可直接渲染的 OpenGL 对象。从源文件 mesh.h 中可以看到：

Vertex 结构体

struct Vertex {
    glm::vec3 Position;    // 位置
    glm::vec3 Normal;      // 法线
    glm::vec2 TexCoords;   // 纹理坐标
    glm::vec3 Tangent;     // 切线（法线贴图用）
    glm::vec3 Bitangent;   // 副切线
    int m_BoneIDs[4];      // 骨骼 ID（蒙皮动画用）
    float m_Weights[4];    // 骨骼权重
};

Texture 结构体

struct Texture {
    unsigned int id;    // OpenGL 纹理 ID
    string type;        // 类型：diffuse / specular / normal / height
    string path;        // 文件路径（用于去重）
};

setupMesh() 核心逻辑

构造函数中调用 setupMesh()，完成以下工作：

  1. 生成 VAO、VBO、EBO
  2. 将顶点数据上传到 VBO
  3. 将索引数据上传到 EBO
  4. 设置顶点属性指针（位置、法线、UV、切线、副切线、骨骼）

Draw() 渲染流程

Draw() 方法按类型编号纹理（如 texture_diffuse1、texture_diffuse2），逐个激活纹理单元并绑定，最后通过 glDrawElements 绘制索引网格。

void Draw(Shader &shader) {
    // 1. 绑定所有纹理到对应的纹理单元
    for (unsigned int i = 0; i < textures.size(); i++) {
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i);
        // 设置纹理单元编号到着色器 uniform
        glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID,
            (name + number).c_str()), i);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textures[i].id);
    }
    // 2. 绘制 mesh
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices.size(),
        GL_UNSIGNED_INT, 0);
    glBindVertexArray(0);
}

INFO

引擎连接：Unity Mesh 和 Material

Unity 中的 Mesh 类包含 vertices、normals、uv、tangents 等数组，与我们的 Vertex 结构体一一对应。Unity 的 Material 类管理纹理引用和渲染状态，对应我们 Mesh 中的 textures 数组。区别在于 Unity 在 C# 侧管理这些数据，底层通过 Graphics API 的 GfxDevice 进行实际的缓冲区和绘制调用。

4. Model 类封装

Model 类代表一个完整的 3D 模型，封装了场景图遍历和多个 Mesh 的管理。

构造函数

Model(string const &path, bool gamma = false) : gammaCorrection(gamma) {
    loadModel(path);
}

loadModel() 加载流程

  1. 使用 Assimp::Importer 读取文件，指定后处理标志
  2. 获取 aiScene 指针，检查有效性
  3. 提取目录路径（用于加载外部纹理文件）
  4. 从根节点开始递归处理

纹理去重优化

模型可能包含多个网格共享同一纹理文件。Model 类维护 textures_loaded 列表，在加载纹理时按路径查重，避免同一纹理被多次加载到 GPU 内存。

// 纹理去重逻辑
bool skip = false;
for (unsigned int j = 0; j < textures_loaded.size(); j++) {
    if (std::strcmp(textures_loaded[j].path.data(),
        str.C_Str()) == 0) {
        textures.push_back(textures_loaded[j]);
        skip = true;
        break;
    }
}

材质导入

loadMaterialTextures() 从 aiMaterial 中提取指定类型的纹理：

  • aiTextureType_DIFFUSE → texture_diffuse（漫反射贴图）
  • aiTextureType_SPECULAR → texture_specular（高光贴图）
  • aiTextureType_HEIGHT → texture_normal（法线贴图）
  • aiTextureType_AMBIENT → texture_height（高度贴图）

加载纹理使用 stb_image.h，支持的格式包括 JPG、PNG、TGA、BMP 等。

5. 主程序中的使用

// 使用 Model 类仅需两行代码：
Model ourModel("resources/objects/backpack/backpack.obj");

// 在渲染循环中：
shader.use();
shader.setMat4("projection", projection);
shader.setMat4("view", view);
shader.setMat4("model", model);
ourModel.Draw(shader);

启用深度测试使得模型的前后遮挡关系正确。

6. 完整的加载管线

从模型文件到屏幕渲染的完整流程：

  1. 文件解析：Assimp 读取 FBX/OBJ/glTF 文件，生成 aiScene
  2. 场景图遍历：从 aiScene→mRootNode 开始递归，收集所有 aiMesh
  3. 顶点提取：从 aiMesh 中提取位置、法线、UV、切线
  4. 材质提取：从 aiMaterial 中提取纹理路径并加载到 GPU
  5. Mesh 创建：上传顶点数据和纹理到 OpenGL 缓冲区
  6. 渲染：在渲染循环中绑定 Shader，调用 Model::Draw()

7. 练习

INFO

练习：加载一个自定义模型

  1. 下载任意一个 glTF 或 OBJ 格式的 3D 模型（如 Sketchfab、Free3D 等网站）
  2. 修改程序中的模型路径，加载该模型
  3. 如果纹理没有正确显示，检查着色器中的纹理名称是否与 Model 类生成的名称一致
  4. 尝试在模型周围添加多个光源，验证法线贴图是否正确
  5. 进阶：修改 Model 类以支持 aiProcess_JoinIdenticalVertices 标志

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