MD2关键桢动画3D模型加载.

时间：2023-03-09 20:15:20
MD2关键桢动画3D模型加载.

　　在看Cg教程中，看到关键桢插值来表示一个动画的物体，例如一个动物拥有站着，奔跑，下跪等动画序列，美工将这些特定的姿态称为一个关键桢。为什么要用关键桢这种来表示了，这个比较容易理解，我们知道我们看的一些卡通动画，都不是每桢来画的，都是准备一些关键的过渡动画，然后，美工人员在根据每二幅之间来补充一些中间的动画，以增加精细的效果。

　　MD2模型文件就是存储一些关键桢的动画模型，格式还是很简单的，对比OBJ模型来说，更容易读取，分为几个主要部分，一部分是头文件，里面对相应的数据描述在那，如多个面，多少桢，从那读顶点，读桢都有说明，头文件后就是数据存放位置了。

　　我们先来看下头文件的定义，有用的部分我做了注释。

 type Md2Header =

     struct

         val magic:           int         //MD2文件标示

         val version:         int         //MD2版本

         val skinWidth:       int         //纹理宽度

         val skinHeight:      int         //纹理长度

         val frameSize:       int         //桢的大小

         val numSkins:        int         //

         val numVertices:     int         //多少个顶点(每桢数量相同，数据不同)

         val numTexCoords:    int         //多少个纹理顶点(所有桢共用)

         val numTriangles:    int         //每桢由多少个三角形组成，所有桢是一样的

         val numGlCommands:   int         //用VBO直接放弃

         val numFrames:       int         //多少桢

         val offsetSkins:     int         //

         val offsetTexCoords: int         //从那开始读纹理数据

         val offsetTriangles: int         //从那开始读三角形

         val offsetFrames:    int         //从那开始读桢数据

         val offsetGlCommands:int         //无用

         val offsetEnd:       int         //可以用来检查

     end

MD2 头部格式

　　然后就是对MD2模型文件的读取了，对MD2整个解析，不包含着色器代码只有200行，可以说读取与绘制比较容易，需要注意的是，一个MD2模型文件中三角形也就我们要画的面是所有桢共有的，在三角形中包含当前顶点的偏移量。这样在所有桢中，三角形的顶点不一样，但是他的纹理索引与纹理是一样的，每桢要画的三角形的个数也是一样的。所以在模型中，他们可以共有纹理缓冲区与顶点索引缓冲区，而每桢要自己建立顶点缓冲区，因顶点的不同，造成法线也会变，故每桢还需要自己建立法线缓冲区，下面是主要代码。

 type Md2Frame(md2Model: Md2Model,count:int) =

     let mutable points = Array2D.create   .f

     let mutable vbo =

     member val Vectexs = Array.create count Vector3.Zero

     member val Name = ""

     member this.VBO with get() = vbo

     member this.Faces with get() : ArrayList<int[]*int[]> = md2Model.Faces

     member this.TexCoords with get():ArrayList<float32*float32> = md2Model.TexCoords

     member this.ElementCount with get() = md2Model.ElementCount

     member this.DataArray

         with get() =

             if points.Length =  then this.CreateData()

             points

     //MD2中不变的是面的面数.面里的顶点根据桢里保存的不同而不同,而面用的纹理是用的同一数据

     member this.CreateData() =

         let normals = Array.create this.Vectexs.Length (.f,Vector3.Zero)

         //遍历第一次,生成面法线,记录对应点的共面,共法线信息

         this.Faces.ForEach(fun p ->

             let vi = fst p

             let p1 = this.Vectexs.[vi.[]] - this.Vectexs.[vi.[]]

             let p2 = this.Vectexs.[vi.[]] - this.Vectexs.[vi.[]]

             let normal = -Vector3.Cross(p1,p2)

             vi |> Array.iter(fun v ->

                 let mutable ind,n = normals.[v]

                 n <- n + normal

                 normals.[v] <- (ind+.f,n)

                 )

             )

         //平均点的法线信息并且组装N3fV3f

         points <- Array2D.init this.ElementCount  (fun i j ->

             //当前面,当前面的第几个点

             let m,n = i/,i%

             let vi = fst this.Faces.[m]

             match j with

             | || ->

                 let vn = snd normals.[vi.[n]]/fst normals.[vi.[n]]

                 if j =  then vn.X elif j =  then vn.Y else vn.Z

             | || ->

                 let p = this.Vectexs.[vi.[n]]

                 if j =  then p.X elif j =  then p.Y else p.Z

             )

     member this.CreateVBO() =

         if vbo =  then

             vbo <- GL.GenBuffers()

             GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,vbo)

             GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer,IntPtr ( * this.ElementCount * ),this.DataArray,BufferUsageHint.StaticDraw)

 and Md2Model(fileName:string,?texureName:string) =

     inherit ModelCommon()

     let mutable vbo,ebo = ,

     member val Header = Md2Header() with get,set

     member val Faces = new ArrayList<int[]*int[]>()

     member val TexCoords = new ArrayList<float32*float32>()

     member val Frames = new ArrayList<Md2Frame>()

     member val texID =  with get,set

     member val CurrentFrame = .f with get,set

     member this.ElementCount with get() = this.Faces.Count *

     member this.TotalFrames with get() = this.Frames.Count

     member this.LoadModel() =

         //加载纹理

         if texureName.IsSome then

             let dict = Path.GetDirectoryName(fileName)

             this.texID <- TexTure.Load(Path.Combine(dict,texureName.Value))

         //加载MD2程序

         let file = new FileStream(fileName,FileMode.Open, FileAccess.Read)

         let binary = new BinaryReader(file)

         let size = Marshal.SizeOf(this.Header)

         let mutable bytes = Array.create size 0uy

         file.Read(bytes, , bytes.Length) |> ignore

         let allocIntPtr = Marshal.AllocHGlobal(size)

         Marshal.Copy(bytes,,allocIntPtr,size)

         this.Header <- Marshal.PtrToStructure(allocIntPtr,typeof<Md2Header>) :?> Md2Header

         //读取纹理数据

         file.Seek(int64 this.Header.offsetTexCoords,SeekOrigin.Begin)|> ignore

         let mTexCoords = Array.init this.Header.numTexCoords (fun p ->

             float32 (binary.ReadInt16())/float32 this.Header.skinWidth,

             float32 (binary.ReadInt16())/float32 this.Header.skinWidth

             )

         this.TexCoords.AddRange(mTexCoords)

         //读取面数(顶点索引与纹理索引)

         file.Seek(int64 this.Header.offsetTriangles,SeekOrigin.Begin)|> ignore

         let mtriangles = Array.init this.Header.numTriangles (fun p ->

             [|int (binary.ReadInt16());int (binary.ReadInt16());int (binary.ReadInt16())|],

             [|int (binary.ReadInt16());int (binary.ReadInt16());int (binary.ReadInt16())|]

             )

         this.Faces.AddRange(mtriangles)

         //读取所有桢

         file.Seek(int64 this.Header.offsetFrames,SeekOrigin.Begin)|> ignore

         let frames = Array.init this.Header.numFrames (fun p ->

             let frame = Md2Frame(this,this.Header.numVertices)

             let scale = Vector3(binary.ReadSingle(),binary.ReadSingle(),binary.ReadSingle())

             let translate = Vector3(binary.ReadSingle(),binary.ReadSingle(),binary.ReadSingle())

             let name = binary.ReadChars()

             //这桢的所有点

             let vectexs = Array.init this.Header.numVertices (fun t ->

                 let mvertex = [|binary.ReadByte();binary.ReadByte();binary.ReadByte()|]

                 let mlightNormalIndex = binary.ReadByte()

                 mvertex,mlightNormalIndex

                 )

             //桢上的点精确化

             vectexs |> Array.iteri(fun i v ->

                 frame.Vectexs.[i].X <- float32 (fst v).[] * scale.X + translate.X

                 frame.Vectexs.[i].Y <- float32 (fst v).[] * scale.Z + translate.Z

                 frame.Vectexs.[i].Z <- float32 (fst v).[] * -scale.Y - translate.Y

                 )

             frame

             )

         this.Frames.AddRange(frames)

         //生成正确的数据

         binary.Close()

         file.Close()

     member this.FrameStep

         with get() =

            let currentFrame = int (Math.Floor(float this.CurrentFrame))

            let step = this.CurrentFrame - float32 currentFrame

            currentFrame,step

     member this.CreateEBO() =

         let len = this.ElementCount -

         let eboData = [|..len|]

         ebo <- GL.GenBuffers()

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ElementArrayBuffer,ebo)

         GL.BufferData(BufferTarget.ElementArrayBuffer,IntPtr ( * this.ElementCount),eboData,BufferUsageHint.StaticDraw)

     member this.CreateVBO() =

         let texCoords = Array2D.init this.ElementCount  (fun i j ->

             //当前面,当前面的第几个点

             let m,n = i/,i%

             let ti = snd this.Faces.[m]

             let u,v = this.TexCoords.[ti.[n]]

             if j =  then u else v

             )

         vbo <- GL.GenBuffers()

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,vbo)

         GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer,IntPtr ( *  * this.ElementCount),texCoords,BufferUsageHint.StaticDraw)

     member this.Render() =

         if vbo =  then this.CreateVBO()

         if ebo =  then this.CreateEBO()

         if this.CurrentFrame >= float32 this.TotalFrames - .f then this.CurrentFrame <- .f

         let currentFrame = this.Frames.[fst this.FrameStep]

         let nextFrame = this.Frames.[fst this.FrameStep + ]

         currentFrame.CreateVBO()

         nextFrame.CreateVBO()

         //当前桢的法线与顶点

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,currentFrame.VBO)

         GL.InterleavedArrays(InterleavedArrayFormat.N3fV3f,,IntPtr.Zero)

         //如果有纹理

         if this.texID >  && vbo >  then

             GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,vbo)

             GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture0)

             GL.EnableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

             GL.TexCoordPointer(,TexCoordPointerType.Float,,IntPtr.Zero)

         //下一桢的法线与顶点存放在Texture1与Texture2

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,nextFrame.VBO)

         //下一桢顶点

         GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture1)

         GL.EnableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

         GL.TexCoordPointer(,TexCoordPointerType.Float,,IntPtr )

         //下一桢法线

         GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture2)

         GL.EnableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

         GL.TexCoordPointer(,TexCoordPointerType.Float,,IntPtr.Zero)

         //绘画

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ElementArrayBuffer,ebo)

         GL.DrawElements(BeginMode.Triangles,this.ElementCount,DrawElementsType.UnsignedInt,IntPtr.Zero)

         //一定要按顺序执行这几行，不行，会影响后面的代码

         GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture0)

         GL.DisableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

         GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture1)

         GL.DisableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

         GL.ClientActiveTexture(TextureUnit.Texture2)

         GL.DisableClientState(ArrayCap.TextureCoordArray)

MD2 读取模型。

　　一些部分我做了注释，相信看懂不难。这段代码有些长，因为读取与存取缓冲区，绘画全在这里了，介绍一下主要方法实现，为了免去桢与模型中的数据交换，故让他们互相引用，其中F#需要二个类用and来连接，Md2Model的方法LoadModel主要加载纹理，然后根据头文件里的各部分偏移量加载纹理坐标信息，加载三角形面数，加载桢数据，需要注意的量，纹理读取出的是当前像素位置，意思给opengl需要除以对应的长宽，而桢里的数据因为MD2模型生成工具的Z是向上的，Y是从人向屏幕的方向，而Opengl中Z是屏幕向人的方向，Y才是向上的，帮我们需要仔细对应。

　　如前面所面，模型自己建立了纹理数组的缓冲区以及顶点索引缓冲区，在Md2Model中用vbo,ebo表示，而在桢里，需要自己建立桢自己的顶点与法线缓冲区，法线生成方法和上遍中OBJ模型中法线生成是一样的，定义一个和顶点一样长的数据，以顶点的下标来表示顶点的法线。

　　建立了各个缓冲区，我们需要来画了，根据前面对关键桢的介绍，我想我们需要当前桢与下一桢的数据，在这里面，我们定义一个不断向前走的CurrentFrame，他在等于2.3时，我们知道，他在第二桢与第三桢之间，靠近第二桢多点。在Md2Model里的Renader有具体实现，对当前桢，我们以正常的方式传入，顶点，法线以OpenGL的方式来，但是下一桢的数据如何传了，在这里和上遍中OBJ传入切线的方法比较相似，我们用当前第几份纹理来存取，不用着色器可不容易取来当正确数据用了，分别设点当前纹理，然后存入对应下一桢的顶点与法线到对应的纹理坐标中，这里首先要注意，顶点与法线放在一个数组里，所以设定的时候要注意正确的偏移量，最后注意要执行下面的关闭纹理代码，不然会影响当前与后面执行过程。

　　数据传入OpenGL后，我们需要在顶点着色器中执行插值过程，使之看起来连续，一般我们采用线性插值方式，使用的是Cg着色器语言，后面如果没特别指定，默认都是Cg着色器语言，相关如果启用Cg环境，请看上篇文章。　　

 void v_main(float3 positionA : POSITION,

             float3 normalA : NORMAL,

             float2 texCoord : TEXCOORD0,

             float3 positionB : TEXCOORD1,

             float3 normalB : TEXCOORD2,

             out float4 oPosition : POSITION,

             out float3 objectPos : TEXCOORD0,

             out float3 oNormal : TEXCOORD1,

             out float2 oTexCoord : TEXCOORD2,

             uniform float framstep,

             uniform float4x4 mvp)

 {

     float3 position = lerp(positionA, positionB,framstep);//positionA;

     oPosition = mul(mvp,float4(position,1.0));

     oNormal = lerp(normalA, normalB,framstep);//normalA;

     oTexCoord = texCoord;

     objectPos = position.xyz;

 }

顶点着色器

　　整个过程很简单，对当前桢与下一桢做线性插值，传入的不带前缀的参数中，对应的后缀指向当前Opengl传入的数据，如POSITION是当前桢的顶点，Normal是当前桢的法线，而TEXCOORD1与TEXCOORD2分别指定下一桢的顶点与法线。带Out前缀的，除了POSITION后缀有意义，别的后缀都只是用来与片断着色器对应的，没有具体的意义。

　　片断着色器和上篇中的一样，就不贴出来了，下面看下效果图。

MD2关键桢动画3D模型加载.

　　主要代码 引用DLL Md2模型文件 和前面一样，其中EDSF前后左右移动，鼠标右键加移动鼠标控制方向，空格上升，空格在SHIFT下降。

　　大家组织好对应目录应该就可以看到效果了。

PS 2013/12/20 16:20.

　　在上面的把数据从OpenGL传入着色器中时,模访的是Cg基础教程16课,但是总感觉别扭,把法线顶点分别放入纹理这种方式,就和前面把切线放入本来颜色位置一样,感觉不爽,虽然功能是实现了,但是代码总感觉阅读时容易出乱子,后查找得这个API(glvertexattribpointer),在GLSL里,着色器根据传入的attribut来对每个顶点附加数据,glsl里有的,没道理cg里没有,查找在http://3dgep.com/?p=2665中如下:

Cg defines the following default semantics and the default generic attribute ID’s that are bound to the semantic.

BINDING SEMANTICS NAME CORRESPONDING DATA
POSITION, ATTR0 Input Vertex, Generic Attribute 0
BLENDWEIGHT, ATTR1 Input vertex weight, Generic Attribute 1
NORMAL, ATTR2 Input normal, Generic Attribute 2
DIFFUSE, COLOR0, ATTR3 Input primary color, Generic Attribute 3
SPECULAR, COLOR1, ATTR4 Input secondary color, Generic Attribute 4
TESSFACTOR, FOGCOORD, ATTR5 Input fog coordinate, Generic Attribute 5
PSIZE, ATTR6 Input point size, Generic Attribute 6
BLENDINDICES, ATTR7 Generic Attribute 7
TEXCOORD0-TEXCOORD7, ATTR8-ATTR15 Input texture coordinates (texcoord0-texcoord7), Generic Attributes 8-15
TANGENT, ATTR14 Generic Attribute 14
BINORMAL, ATTR15 Generic Attribute 15

Don’t worry if this concept of semantics doesn’t make sense yet. I will go into more detail about semantics when I show how we send the vertex data to the shader program. I will just define a few macros that are used to refer to these predefined generic attributes.

　　根据上面描述,把原来里面绘制二桢数据传值部分改为:

     member this.Render() =

         if vbo =  then this.CreateVBO()

         if ebo =  then this.CreateEBO()

         if this.CurrentFrame >= float32 this.TotalFrames - .f then this.CurrentFrame <- .f

         let currentFrame = this.Frames.[fst this.FrameStep]

         let nextFrame = this.Frames.[fst this.FrameStep + ]

         currentFrame.CreateVBO()

         nextFrame.CreateVBO()

         //当前桢的法线与顶点

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,currentFrame.VBO)

         GL.VertexAttribPointer(,,VertexAttribPointerType.Float,false,,IntPtr )

         GL.EnableVertexAttribArray()

         GL.VertexAttribPointer(,,VertexAttribPointerType.Float,false,,IntPtr.Zero)

         GL.EnableVertexAttribArray()

         //如果有纹理

         if this.texID >  && vbo >  then

             GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,vbo)

             GL.VertexAttribPointer(,,VertexAttribPointerType.Float,false,,IntPtr.Zero)

             GL.EnableVertexAttribArray()

         //下一桢的法线与顶点存放在Texture1与Texture2

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer,nextFrame.VBO)

         GL.VertexAttribPointer(,,VertexAttribPointerType.Float,false,,IntPtr )

         GL.EnableVertexAttribArray()

         GL.VertexAttribPointer(,,VertexAttribPointerType.Float,false,,IntPtr.Zero)

         GL.EnableVertexAttribArray()

         //绘画

         GL.BindBuffer(BufferTarget.ElementArrayBuffer,ebo)

         GL.DrawElements(BeginMode.Triangles,this.ElementCount,DrawElementsType.UnsignedInt,IntPtr.Zero)

新版 绘画动画

　　着色器部分改为:

 void v_main(float3 positionA : ATTR0,

             float3 normalA : ATTR3,

             float2 texCoord : ATTR8,

             float3 positionB :  ATTR9,

             float3 normalB : ATTR10,

             out float4 oPosition : POSITION,

             out float3 objectPos : TEXCOORD0,

             out float3 oNormal : TEXCOORD1,

             out float2 oTexCoord : TEXCOORD2,

             uniform float framstep,

             uniform float4x4 mvp)

 {

     float3 position = lerp(positionA, positionB,framstep);//positionA;

     oPosition = mul(mvp,float4(position,1.0));

     oNormal = lerp(normalA, normalB,framstep);//normalA;

     oTexCoord = texCoord;

     objectPos = position.xyz;

 }

新版 着色器

　　可以看到,完美运行,这部分附件就不放了,大家直接复制到原来的代码上就好了,其中,代码里的glvertexattribpointer给的序号与Opengl脱离顶点,法线等对应关系上,上面写的好像0对应顶点一样,实际我的代码开始也是根据对应关系来写的,但是根据实际测试,1放顶点,只要着色器ATTR1对应放顶点也是可以的,这样想想才是对的,都已经脱离固定管线了,本来传上来的数据各式各样,系统根据定义名称来对应本就死板,给我们自己联系就好.改好后,看这代码再也没别扭的地方了.