🛬 👶🏼 🌲 GLTFおよびGLB形式の基本、パート1 💷 ✊🏿 🍜

GLTFおよびGLBとは何ですか？

GLTF（GL Transmission Format）は、3Dシーンとモデルを保存するためのファイル形式であり、非常にわかりやすく（構造はJSON標準で記述されています）、拡張可能で、最新のWebテクノロジーと簡単にやり取りできます。この形式は、3次元シーンを適切に圧縮し、WebGLおよびその他のAPIを使用するアプリケーションの実行時間を最小限に抑えます。現在、GLTFはKhronos Groupによって3Dの世界からのJPEGとして積極的に宣伝されています。 GLTFバージョン2.0が現在使用されています。 GLBと呼ばれるこの形式のバイナリバージョンもありますが、唯一の違いは、すべてがGLB拡張子を持つ1つのファイルに保存されることです。

この記事は2の1です。その中で、 Scene、Node、Buffer、BufferView、Accessor、Meshなどのフォーマットアーティファクトとその属性を検討します。 2番目の記事では、残りのマテリアル、テクスチャ、アニメーション、スキン、カメラについて検討します。 より一般的な形式の情報は、ここで見つけることができます。

記事の閲覧中にこの形式で個人的に作業したい場合は、 GitHubの公式KhronosリポジトリからGLTF 2.0モデルをダウンロードできます。

問題とその解決策

当初、GLTF形式は、インターネットを介して3Dコンテンツを転送するためのソリューションとしてKhronos Groupによって考案され、グラフィックAPIを使用して作成されるさまざまなタイプのインポーターとコンバーターの数を最小限に抑えるように設計されました。

現在、GLTFとそのバイナリ兄弟GLBは、CADプログラム（Autodesk Maya、Blenderなど）、ゲームエンジン（Unreal Engine、Unityなど）、AR / VRアプリケーション、ソーシャルサービスで統一された形式として使用されています。ネットワークなど

クロノスグループの代表者は次のように述べています。

GLTFは普遍的です-単純なジオメトリだけでなく、アニメーション、さまざまなマテリアルなどの複雑なシーンにも同様に使用できます。
とてもコンパクトです。はい、これは議論の余地があります。すべてが変換アルゴリズムに依存しているためです。GLBXが元のファイルよりも大きい場合（FBXファイルなど）を個人的に知っていますが、ほとんどの場合はそうです。
データ分析の容易さは、この形式の根本的なプラスです。 GLTF階層はJSONを使用し、ジオメトリはバイナリ形式で保存されるため、デコードは不要です！

座標系と単位

GLTFは右手座標系を使用します。つまり、+ Xと+ Yの外積により+ Zが得られます。ここで、+ Yは上部軸です。 3D GLTFアセットの前面は+ Z軸に面しています。すべての直線距離の測定単位はメートルで、角度はラジアンで測定され、オブジェクトの正の回転は反時計回りです。アニメーションのノード変換とチャネルパスは、次のデータ型とセマンティクスを持つ3次元ベクトルまたはクォータニオンです。

translation ：x、y、z軸に沿った平行移動を含む3次元ベクトル

回転：クォータニオン（x、y、z、w）、wはスカラー

scale ：x、y、zスケーリング係数を含む3次元ベクトル

GLTF-内観

上記のように、GLTFは、通常、2つのファイルで構成されます。1つ目は.gltf形式で3Dシーンの構造をJSON形式で保存し、2つ目は.bin形式でこのシーンのすべてのデータを直接保存します。

形式構造は厳密に階層的であり、次の形式をとります。

構造についてさらに説明しますが、最も単純なGLTFファイルの例を使用します。GLTFファイルには、1つの片面三角形がデフォルトのマテリアルとともに保存されます。必要に応じて、任意のGLTFビューアーにコピーアンドペーストして、ファイルの内容を個人的に「感じる」ことができます。私の練習では、さまざまなものを使用しましたが、Thunder.jsを内部で使用するこれで解決しました。また、GLTFプラグインでVisual Studio Codeを使用することも良い選択肢です。したがって、Babylon.js、Cesium、Three.jsの3つのエンジンからすぐに選択できます。

シーンおよびノード要素

最初の最初のものは、シーンと呼ばれるメインノードです。これは、すべてが開始されるファイル内のルートポイントです。このノードには、GLTFが保存するシーンの配列と、ファイルを開いた後にデフォルトでロードされるシーンの選択が含まれます。 3Dシーンのコンテンツは、「ノード」と呼ばれる次のオブジェクトから始まります。シーンとノードの配列は、無駄ではないことに言及しました。複数のシーンを1つのファイルに保存する機能が実装されていますが、実際には1つのシーンを1つのファイルに保存しようとします。

{ "scenes" : [ { "nodes" : [ 0 ] } ], "nodes" : [ { "mesh" : 0 } ], "scene": 0

各ノードは、個々のオブジェクトを記述するための「エントリポイント」です。オブジェクトが複雑で複数のメッシュで構成されている場合、そのようなオブジェクトは「親」ノードと「子」ノードによって記述されます。たとえば、車体と車輪で構成される自動車は、次のように記述できます。メインノードは、自動車、特に車体を表します。このノードには、「子ノード」のリストが含まれています。このリストは、ホイールなどの残りのコンポーネントを順番に説明しています。すべての要素は再帰的に処理されます。ノードには、TRS（平行移動、回転、スケール、別名変位、回転、およびスケーリング）アニメーションを含めることができます。このような変換は、メッシュ自体に直接影響するという事実に加えて、まったく同じ方法で子ノードにも影響します。上記のすべてに加えて、ユーザーのフレーム内にオブジェクトを表示する責任がある内部「カメラ」がある場合、それもNodeオブジェクトに付加されることに言及する価値があると思います。オブジェクトは適切な属性を使用して相互に参照します。シーンにはノード属性があり、ノードオブジェクトにはメッシュ属性があります。わかりやすくするために、上記のすべてを次の図に示します。

バッファー、BufferView、およびアクセサー

バッファオブジェクトとは、構造、継承、値なしの未処理のバイナリデータの格納を意味します。バッファには、ジオメトリ、アニメーション、スキニングに関する情報が格納されます。バイナリデータの主な利点は、GPUによって非常に効率的に処理されることです。おそらく解凍を除き、追加の解析は必要ありません。バッファ内のデータはURI属性によって見つけることができます。これにより、データの場所が明確になり、2つのオプションしかありません。データは.bin形式の外部ファイルに保存されるか、JSON自体に埋め込まれます。最初の場合、URIには外部ファイルへのリンクが含まれます。この場合、GLTFファイルが存在するフォルダーはルートと見なされます。 2番目の場合、ファイルは.glb形式になります。これは、ファイルの数という点で、GLTFの兄弟であるGLB形式という、よりコンパクトなものを指します。バイナリファイルのデータは、バイト単位でそのまま保存されます。

三角形の例のJSONは次のようになります。

base64エンコードバッファの例：

 "buffers" : [ { "uri" : "data:application/octet-stream;base64,AAABAAIAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAIA/AAAAAAAAAAAAAAAAAACAPwAAAAA=", "byteLength" : 44 } ],

外部ファイルがある場合、JSONはビューを次のように変換します。

 "buffers" : [ { "uri" : "duck.bin", "byteLength" : 102040 } ],

Buffersブロックには、バッファーサイズの値を格納する追加のbyteLength属性もあります。

バッファからデータを構造化する最初のステップは、BufferViewオブジェクトです。 BufferViewは、Bufferからの情報の「スライス」と呼ばれます。これは、バッファーの先頭からの特定のバイトシフトによって特徴付けられます。この「スライス」は、読み取りバッファーの先頭からの「シフト」カウントとスライス自体の長さの2つの属性を使用して記述されます。例に基づいて使用方法を説明するためのいくつかのBufferViewオブジェクトの簡単な例：

  "bufferViews" : [ { "buffer" : 0, "byteOffset" : 0, "byteLength" : 6, "target" : 34963 }, { "buffer" : 0, "byteOffset" : 8, "byteLength" : 36, "target" : 34962 } ],

ご覧のとおり、この例には4つの主要な属性が含まれています。

バッファは、バッファのインデックスを指します（0から始まるバッファ配列のシーケンス番号）。
byteOffset-この「スライス」のオリジンの「シフト」をバイト単位で定義します
byteLength- 「スライス」の長さを定義します
target -bufferViewに含まれるデータのタイプを定義します

最初のBufferViewには、バッファーの最初の6バイトが含まれ、シフトはありません。 2番目の「スライス」では、すべてがもう少し複雑です。ご覧のとおり、そのシフトは予想される6番目ではなく8メガバイトです。これらの2バイトは空であり、「パディング」と呼ばれるプロセスのおかげで、バッファー生成プロセス中に追加されました。値は、境界バイトの値を4バイトに調整する必要があります。このトリックは、バッファからデータをより速く簡単に読み取るために必要です。

ターゲット属性についていくつかの言葉を言う価値があります。 bufferViewによって参照される情報のタイプを分類するために使用されます。オプションは2つだけです。頂点属性を参照するために使用される値34962（頂点属性-34962-ARRAY_BUFFER）または頂点インデックスに使用される34963（頂点インデックス-34963-ELEMENT_ARRAY_BUFFER）のいずれかです。 Buffer内のすべての情報を理解して構造化する最後の仕上げは、Accessorオブジェクトです。

アクセサーは、BufferViewにアクセスするオブジェクトであり、BufferViewからのデータのタイプと場所を決定する属性を含みます。アクセサーのデータ型は、typeおよびcomponentTypeでエンコードされます。 type属性の値は文字列で、次の値があります。スカラー値の場合はSCALAR、3次元ベクトルの場合はVEC3、4x4マトリックスまたはクォータニオンの場合はMAT4。回転の説明に使用されます。

次に、ComponentTypeは、このデータのコンポーネントのタイプを示します。これはGL定数であり、たとえば、要素に浮動小数点などがあることを示すために、5126（FLOAT）または5123（UNSIGNED_SHORT）などの値を持つことができます。

これらのプロパティのさまざまな組み合わせを使用して、任意のデータ型を記述できます。三角形に基づく例。

  "accessors" : [ { "bufferView" : 0, "byteOffset" : 0, "componentType" : 5123, "count" : 3, "type" : "SCALAR", "max" : [ 2 ], "min" : [ 0 ] }, { "bufferView" : 1, "byteOffset" : 0, "componentType" : 5126, "count" : 3, "type" : "VEC3", "max" : [ 1.0, 1.0, 0.0 ], "min" : [ 0.0, 0.0, 0.0 ] } ],

JSONで表される属性を分析してみましょう。

bufferView-アクセサが使用するBufferView配列のBufferViewのシーケンス番号を示します。次に、BufferViewはインデックスに関する情報を保存します。
byteOffset-現在のアクセサーからデータの読み取りを開始するためのバイトシフト。複数のAccessorオブジェクトが1つのBufferViewを参照できます。
componentTypeは、要素のタイプを示す定数です。データ型UNSIGNED_SHORTに対応する値5123、またはFLOATの5126を持つことができます。
count-バッファに保存されている要素の数を表示します。
type-データ型を定義します：スカラー、ベクトル、行列。
maxおよびmin-空間内のこれらの要素の位置の最小値と最大値を決定する属性。

メッシュ

Meshesオブジェクトには、シーンにあるメッシュに関する情報が含まれています。 1つのノード（ノードオブジェクト）に保存できるメッシュは1つだけです。タイプがmeshの各オブジェクトには、タイプがmesh.primitiveの配列が含まれています。次に、プリミティブは、メッシュ自体を構成するプリミティブオブジェクト（三角形など）です。このオブジェクトには多くの追加属性が含まれていますが、これらはすべて、オブジェクトの表示に関する情報の正しい保存という1つの目的に役立ちます。メッシュの主な属性：

POSITION -XYZ軸に沿った頂点の位置
NORMAL-正規化されたXYZ頂点法線
TANGENT-頂点のXYZWタンジェント。 Wは接線の方向を示し、+ 1または-1の値を持ちます。
TEXCOORD_0 -UVテクスチャ座標。複数のセットを保存できます。
COLOR_0-頂点のRGBまたはRGBA色。
JOINTS_0-この属性には、対応するジョイント配列からのジョイント/ジョイントのインデックスが含まれます。これは、頂点（頂点）に影響します。
WEIGHTS_0-この属性のデータは、ジョイントが頂点に与える影響を示す重みを決定します。
weights-モーフィングの重みを担う属性。
材料 -インデックスが含まれます。これは、材料配列内の材料の数です。

このオブジェクトには、このケースでは次の形式があります。

  "meshes" : [ { "primitives" : [ { "attributes" : { "POSITION" : 1 }, "indices" : 0 } ] } ],

残念ながら、制限のため、すべての素材が1つの記事に収まらなかったため、残りは2番目の記事で見つけることができます。残りのアーティファクト、素材、テクスチャ、アニメーション、スキン、カメラ 、 および最小限の作業GLTFファイルを収集します。

第2部の継続： https : //habr.com/en/post/448298/

GLTFおよびGLB形式の基本、パート1