OpenGLを学びます。 レッスン3.3-3Dモデルクラス

3Dモデルクラス

さあ、袖をまくり、Assimpのデータ読み込みとデータ変換コードを扱うジャングルに飛び込みましょう！ このレッスンのタスクは、別のクラスを作成することです。これは、多くのポリゴンメッシュを含むモデル全体であり、場合によっては複数のサブオブジェクトで構成されます。 木製のバルコニー、タワー、たとえばプールのある建物は、引き続き単一のモデルとしてロードされます。 Assimpを使用して、データをロードし、前回のレッスンのMeshタイプの多くのオブジェクトに変換します。





猫の尻尾を引っ張らないようにしましょう-Modelクラスの構造を理解します。

class Model { public: /*  */ Model(char *path) { loadModel(path); } void Draw(Shader shader); private: /*   */ vector<Mesh> meshes; string directory; /*  */ void loadModel(string path); void processNode(aiNode *node, const aiScene *scene); Mesh processMesh(aiMesh *mesh, const aiScene *scene); vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName); };
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ご覧のとおり、クラスにはMesh型のオブジェクトのベクトルが含まれており、コンストラクターでモデルファイルへのパスを指定する必要があります。 両方の読み込みはコンストラクターで直接行われ、ヘルパーメソッドloadModelを使用します。 すべてのプライベートメソッドは、Assimpデータインポートプロセスの一部で作業する責任があり、以下で詳細に検討します。

Drawメソッドは簡単です。ポリゴンメッシュのリストを反復処理し、それらのDrawメソッドを呼び出します。

 void Draw(Shader shader) { for(unsigned int i = 0; i < meshes.size(); i++) meshes[i].Draw(shader); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

OpenGLに3Dモデルをインポートする

まず、Assimpに必要なヘッダーファイルを有効にします。

 #include <assimp/Importer.hpp> #include <assimp/scene.h> #include <assimp/postprocess.h>
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

コンストラクターで呼び出される最初のメソッドはloadModelです 。これは、ライブラリを使用して、モデルをAssimpの用語でシーンオブジェクトと呼ばれる構造にロードします。 セクションの最初のレッスンを思い出してください-シーンオブジェクトはAssimpのデータ階層のルートオブジェクトであることがわかります。 完成したシーンオブジェクトを取得するとすぐに、必要なすべてのモデルデータにアクセスできます。



Assimp APIの注目すべき特性は、さまざまな形式のロードの特殊性と技術的詳細からの抽象化です。 すべてのダウンロードは1回の呼び出しで行われます。

 Assimp::Importer importer; const aiScene *scene = importer.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

最初に、 Importerクラスのインスタンスが作成され、次に、 ReadFileが呼び出され、モデルファイルへのパスパラメーターと後処理用のフラグのリストが指定されます。 単純なデータのロードに加えて、APIでは、インポートされたデータに対してAssimpに追加の処理を強制するフラグを指定できます。 aiProcess_Triangulateを設定すると、モデルに三角形で構成されていないオブジェクトがある場合、ライブラリはそのようなオブジェクトを三角形のグリッドに変換します。 aiProcess_FlipUVsフラグは、必要に応じてoY軸に沿ったテクスチャ座標の反転をアクティブにします（ テクスチャチュートリアルから学んだように、OpenGLでは、ほとんどすべての画像がoY軸に沿って反転されたため、このフラグはすべてを正しく修正するのに役立ちます）。 さらに便利なオプションがいくつかあります。

• aiProcess_GenNormals ：ソースデータに何もない場合、頂点の法線を計算します。
• aiProcess_SplitLargeMes​​hes ：大きなポリゴンメッシュを小さなメッシュに分割します。これは、レンダーで処理される値の数に制限がある場合に便利です。
• aiProcess_OptimizeMeshes ：逆のアクションを実行します-多くのグリッドを1つの大きなグリッドにステッチして、レンダリングの呼び出し数を最適化します。

ライブラリAPIには、さらに多くの処理オプションが含まれています 。 モデル自体のロードは驚くほど簡単です。 結果のシーンオブジェクトからデータを抽出し、それをメッシュオブジェクトに変換する作業は、もう少し複雑です。



loadModelメソッドの完全なリスト：

 void loadModel(string path) { Assimp::Importer import; const aiScene *scene = import.ReadFile(path, aiProcess_Triangulate | aiProcess_FlipUVs); if(!scene || scene->mFlags & AI_SCENE_FLAGS_INCOMPLETE || !scene->mRootNode) { cout << "ERROR::ASSIMP::" << import.GetErrorString() << endl; return; } directory = path.substr(0, path.find_last_of('/')); processNode(scene->mRootNode, scene); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ロード後、シーンオブジェクトとシーンのルートノードへの非ゼロポインター、および返されたデータの不完全性を報告するステータスフラグをチェックします。 これらのイベントはいずれも、インポートオブジェクトGetErrorStringのメソッドから取得した説明を含むエラーメッセージの出力につながり、さらに関数を終了します。 また、ファイルへのフルパスから、ディレクトリへのパスを分離します。



すべてがエラーなく実行された場合、ルートノードを再帰的なメソッドprocessNodeに渡すことにより、シーンのノードの処理に進みます。 再帰的な処理形式は、シーン階層にとって明らかなように選択されます。現在のノードを処理した後、その子孫があればそれを処理する必要があります。 再帰関数はいくつかの処理を実行し、いくつかの条件（終了条件）に違反するまで、変更されたパラメーターで自身を呼び出します。 私たちの場合、そのような条件は、処理のための新しいノードがないことです。



お気付きのとおり、Assimpデータ構造は、各ノードがポリゴンメッシュインデックスのセットを格納していることを前提としており、これらは実際にシーンオブジェクトに格納されます。 したがって、各ノードとその子孫について、ノードに保存されているメッシュのインデックスのリストを使用して、ポリゴンメッシュのデータを選択する必要があります。 processNodeメソッドのリストを以下に示します。

 void processNode(aiNode *node, const aiScene *scene) { //      ( ) for(unsigned int i = 0; i < node->mNumMeshes; i++) { aiMesh *mesh = scene->mMeshes[node->mMeshes[i]]; meshes.push_back(processMesh(mesh, scene)); } //          for(unsigned int i = 0; i < node->mNumChildren; i++) { processNode(node->mChildren[i], scene); } }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

まず 、現在のノードのインデックスを使用して、 mmeshes配列からシーンオブジェクトを取得することにより、Assimpメッシュオブジェクトへのポインターを取得します。 次に、 aiMeshオブジェクトは processMeshメソッドを使用してMeshクラスのインスタンスに変換され、 メッシュリストに保存されます。



ノードのすべてのポリゴンメッシュを受け取った後、子孫のリストを調べて、既に同じprocessNodeを実行します。 子孫リストがなくなると、メソッドは終了します。

気配りのある読者は、ノード内のインデックスが混乱することなく、シーンオブジェクトに格納されている配列を単純に調べることでグリッドのリストを取得できることに気付くでしょう。 ただし、使用されたより複雑な方法は、ポリゴンメッシュ間の親子関係を確立する機能によって正当化されます。 再帰パスを使用すると、特定のオブジェクト間で同様の関係を確立できます。

アプリケーション例：車などのあらゆる多成分移動モデル。 移動するときは、すべての依存部品（エンジン、ステアリングホイール、タイヤなど）も移動する必要があります。 オブジェクトの同様のシステムは、親子階層として簡単に作成できます。



現時点ではこのようなシステムは使用していませんが、将来、ポリゴンメッシュを管理するための機能を追加したい場合は、このアプローチに従うことをお勧めします。 最終的に、これらの関係は、このモデルを作成したモデリングアーティストによって確立されます。

次のステップは、Assimpデータを前に作成したMeshクラスの形式に変換することです。

AssimpをMeshに変換

aiMeshオブジェクトを内部形式に直接変換することは、それほど負担にはなりません。 必要なポリゴンメッシュのオブジェクトの属性を読み取り、 Meshタイプのオブジェクトに保存するだけで十分です。 processMeshメソッドのスケルトンを以下に示します。

 Mesh processMesh(aiMesh *mesh, const aiScene *scene) { vector<Vertex> vertices; vector<unsigned int> indices; vector<Texture> textures; for(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumVertices; i++) { Vertex vertex; //  ,      ... vertices.push_back(vertex); } //   ... //   if(mesh->mMaterialIndex >= 0) { ... } return Mesh(vertices, indices, textures); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

処理は、頂点、インデックスの読み取り、マテリアルデータの取得の3つのステップに削減されます。 受信したデータは、 メッシュオブジェクトの作成に使用される3つの宣言されたベクターのいずれかに格納され、返されます。



頂点データの取得は簡単です。 頂点構造体を宣言し、そのインスタンスを各処理ステップで頂点配列に追加します。 ループは、保存された頂点データがなくなるまで実行されます（値mesh-> mNumVerticesによって決定されます）。 ループの本体では、たとえば、頂点の位置などの関連データを構造体フィールドに入力します。

 glm::vec3 vector; vector.x = mesh->mVertices[i].x; vector.y = mesh->mVertices[i].y; vector.z = mesh->mVertices[i].z; vertex.Position = vector;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

Assimpは、内部データ型に情報を保存するため、タイプvec3のヘルパーオブジェクトを宣言します。これは、glmによって宣言された型に直接変換することはできません。

Assimpの頂点位置の配列は単にmVerticesと呼ばれ、これはやや直感的ではありません。

法線の場合、プロセスは同様です：

 vector.x = mesh->mNormals[i].x; vector.y = mesh->mNormals[i].y; vector.z = mesh->mNormals[i].z; vertex.Normal = vector;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

読み取りテクスチャ座標がどのように見えるかすでに推測しましたか？ Assimpは、頂点が最大8セットのテクスチャ座標を持つ可能性を想定しています。 このような富は必要ありません。最初のセットのデータを取得するだけで十分です。 そして同時に、問題のグリッドが原則的にテクスチャ座標を持っているかどうかをチェックすることは素晴らしいことです：

 if(mesh->mTextureCoords[0]) //     ? { glm::vec2 vec; vec.x = mesh->mTextureCoords[0][i].x; vec.y = mesh->mTextureCoords[0][i].y; vertex.TexCoords = vec; } else vertex.TexCoords = glm::vec2(0.0f, 0.0f);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

この時点での頂点構造のインスタンスは、頂点の必須属性を完全に備えており、保存のために頂点配列に送信できます。 このプロセスは、ポリゴンメッシュの頂点の数に応じて繰り返されます。

指数

Assimpライブラリは、各ポリゴンメッシュが面の配列を含むものとして定義します。各面は特定のプリミティブによって表されます。 私たちの場合、これらは常に三角形です（インポートオプションaiProcess_Triangulateのおかげです ）。 面自体には、この面のプリミティブの描画に使用される頂点と順序を示すインデックスのリストが含まれています。 したがって、面のリストを調べて、すべてのインデックスデータを読み取ることができます。

 for(unsigned int i = 0; i < mesh->mNumFaces; i++) { aiFace face = mesh->mFaces[i]; for(unsigned int j = 0; j < face.mNumIndices; j++) indices.push_back(face.mIndices[j]); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

外側のループを完了すると、OpenGL glDrawElementsプロシージャを使用してグリッドを表示するのに十分なインデックスの完全なリストが手元にあります。 ただし、レッスンが完了するように、マテリアルを処理してモデルに詳細を追加します。

素材

メッシュオブジェクトは、 シーンオブジェクトのmMaterials配列に実際に保存されているオブジェクトのマテリアルのみをインデックスで参照します。 したがって、マテリアルがグリッドに割り当てられている場合、マテリアルデータはこのインデックスによって取得できます。

 if(mesh->mMaterialIndex >= 0) { aiMaterial *material = scene->mMaterials[mesh->mMaterialIndex]; vector<Texture> diffuseMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_DIFFUSE, "texture_diffuse"); textures.insert(textures.end(), diffuseMaps.begin(), diffuseMaps.end()); vector<Texture> specularMaps = loadMaterialTextures(material, aiTextureType_SPECULAR, "texture_specular"); textures.insert(textures.end(), specularMaps.begin(), specularMaps.end()); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

まず、 ユニバースオブジェクトのmMaterials配列からaiMaterialオブジェクトへのポインターを取得します。 次に、拡散テクスチャおよび/または鏡面光沢テクスチャをロードします。 マテリアルオブジェクトには、各タイプのテクスチャへのパスの配列が含まれています。 テクスチャの各タイプには、接頭辞aiTextureType_を持つ独自の識別子があります。 補助メソッドloadMaterialTexturesは、マテリアルオブジェクトから抽出された対応するタイプのテクスチャを含むTextureオブジェクトのベクトルを返します。 これらのベクトルのデータは、モデルオブジェクトの一般的なテクスチャ配列に格納されます。



ループ内のloadMaterialTextures関数は、指定されたタイプのすべてのテクスチャを通過し、ファイルパスを読み取り、OpenGLテクスチャをロードして生成し、必要な情報をTexture構造体のインスタンスに保存します。

 vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName) { vector<Texture> textures; for(unsigned int i = 0; i < mat->GetTextureCount(type); i++) { aiString str; mat->GetTexture(type, i, &str); Texture texture; texture.id = TextureFromFile(str.C_Str(), directory); texture.type = typeName; texture.path = str; textures.push_back(texture); } return textures; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

まず、 GetTextureCountを呼び出すことでテクスチャの数がチェックされ、対象のテクスチャのタイプが渡されます。 次に、 GetTextureメソッドを使用してテクスチャファイルへのパスが読み取られます。このメソッドは、 aiString型の文字列として結果を返します。 別のヘルパー関数TextureFromFileは、その識別子を返すことで、直接ファイルのロードとテクスチャ生成（SOILライブラリを使用）を実行します。 この関数がどのように見えるのかわからない場合は、記事の最後にある完全なプログラムコードでその全文を見つけることができます。

このコードでは、モデルファイルに保存されているテクスチャファイルへのパスの性質に関する仮定があることに注意してください。 これらのパスは、モデルファイルを含むフォルダーに相対的であると考えています。 この場合、以前に保存されたフォルダーへのパスをモデル（ loadModelメソッドで実行）とテクスチャへのパス（したがって、フォルダーへのパスもGetTextureに転送されます）とマージすることにより、テクスチャファイルへのフルパスを取得できます。



一部のモデルは、絶対形式でネットワークストアのテクスチャパスにダウンロードできます。これにより、マシンで明らかに問題が発生します。 おそらくエディターを使用して、テクスチャパスを順番に並べる必要があります。

さて、Assimpを使用してモデルをインポートすることに関するすべてのように思えますか？

大幅な最適化

そうでもない。 最適化の機会は開いたままです（必須ではありませんが）。 多くのシーンでは、一部のオブジェクトは特定の数のテクスチャを再利用できます。 花崗岩のテクスチャが壁に使用されている家を想像してください。 しかし、同じテクスチャーは床、天井、階段に最適であり、テーブルや遠くの小さな井戸にも最適です。 ファイルからテクスチャをロードするのは最も軽量な手順ではなく、現在の実装では、そのようなファイルがすでにロードされている場合でも、各メッシュのテクスチャオブジェクトを個別にロードおよび作成します。 このような見落としは、モデルファイルの読み込みの実装におけるボトルネックになりやすくなります。



最適化として、既にロードされたテクスチャの個別のリストを作成し、それをModelオブジェクトのスコープに保持します。別のテクスチャをロードするとき、ロードされたテクスチャのリストにその存在をチェックします。 これにより、複製の計算能力を適切に節約できます。 ただし、重複をチェックするには、テクスチャへのパスをテクスチャ構造に保存する必要があります。

 struct Texture { unsigned int id; string type; aiString path; //          };
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

既にロードされたテクスチャのリストは、 Modelクラスのプライベート変数として宣言されたベクトルとしてフォーマットされます：

 vector<Texture> textures_loaded;
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

そして、 loadMaterialTexturesメソッドでは 、このベクトルでロードされたテクスチャのパスの発生を検索し、コピーがある場合、ロードをスキップし、すでにロードされたテクスチャの識別子を現在のポリゴンメッシュのテクスチャ配列に置き換えます。

 vector<Texture> loadMaterialTextures(aiMaterial *mat, aiTextureType type, string typeName) { vector<Texture> textures; for(unsigned int i = 0; i < mat->GetTextureCount(type); i++) { aiString str; mat->GetTexture(type, i, &str); bool skip = false; for(unsigned int j = 0; j < textures_loaded.size(); j++) { if(std::strcmp(textures_loaded[j].path.C_Str(), str.C_Str()) == 0) { textures.push_back(textures_loaded[j]); skip = true; break; } } if(!skip) { //      –   Texture texture; texture.id = TextureFromFile(str.C_Str(), directory); texture.type = typeName; texture.path = str; textures.push_back(texture); //       textures_loaded.push_back(texture); } } return textures; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

できた！ 私たちは普遍的なだけでなく、そのタスクに非常に迅速に対応する最適化されたモデル読み込みシステムも手にしています。

Assimpの一部のバージョンは著しく遅くなり、デバッグバージョンとしてビルドされるか、プロジェクトのデバッグビルドで使用されます。 この動作が発生した場合は、リリースビルドを使用してみてください。

最適化を含む完全なソースコードはこちらにあります 。

コンテナ-ダウン！

さて、プロの3Dアーティストによって開発された本物のモデルを戦場でテストし、ひざの上のネットワークKulibinによって奇跡的に判断されることなく、システムをテストするときです（ただし、これらのコンテナーは、これまでに見た中で最高のキューブの一部であると認めていますが） ここですべての名声を得ることを望んでいないので、私は他の人々の創造性に目を向けます：実験モデルは、CrytekのCrysisシューターのナノテクノロジースーツです （この場合、tf3dm.comからダウンロードされ、他のモデルも動作します）。 モデルは、.objファイルと、拡散、ミラーテクスチャ、および法線マップ上のデータを含む補助.mtlの形式で準備されます。 ここからモデルをダウンロードできます（わずかに変更されています）。 また、すべてのテクスチャがモデルフォルダーにあることを思い出します。

モデルファイルの変更では、テクスチャへのパスを、元のファイルに保存されている絶対パスではなく、相対パスに変更します。

コードでは、Modelのインスタンスを宣言し、モデルファイルへのパスをコンストラクターに渡します。 正常にロードされると、メインプログラムループでDrawメソッドを呼び出してモデルが表示されます。 実際、それだけです！ バッファの選択、頂点属性へのポインタの割り当て、OpenGLプロシージャを介したレンダリングの呼び出しに混乱はありません-1行で十分です。 フラグメントがモデルの拡散テクスチャの色のみを生成するシェーダーの単純なセットを作成するためだけに残ります。 結果は次のようになります。







完全なソースコードはこちらです。

鏡面反射マップの使用と対応するレッスンの照明計算モデルを接続する2つの光源を導入することにより、驚くべき結果を得ることができます。







これも私の愛する容器の複雑さの結果であることを認めざるを得ません。 Assimpを使用すると、ネットワーク上で利用可能な数千のモデルのほぼすべてをダウンロードできます。 複数の形式のモデルを無料でダウンロードできるリソースはありません。 もちろん、すべてのモデルが正常にロードされたり、テクスチャへのパスが正しくなかったり、原則としてAssimpでサポートされていない形式になることはありません。



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