OBJ 3D模型格式介绍

为为为什么

发布于 2024-07-13 11:25:28

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发布于 2024-07-13 11:25:28

文章被收录于专栏：又见苍岚

OBJ是一种 3D 文件格式, 本文记录相关内容。

OBJ 格式

OBJ 是一种几何定义文件格式，Wavefront Technologies 公司在可视化加强动画包中第一次使用了这个格式，文件格式是公开的，并具有及其优质的兼容性和跨平台、跨行业的通用性，在所有 3D 应用软件中被支持。

OBJ 文件可以以 ASCII 编码也可以以二进制格式编码，以 ASCII 格式编码的后缀名为 .obj，以二进制格式编码的后缀名为 .mod。OBJ 格式的三维网格模型储存了模型的顶点、面片、法向量纹理等几何信息。

OBJ 文件使用标准的 Polygon（多边形）储存格式，直接储存顶点坐标和法线等数据，这导致 OBJ 文件无法导出骨骼动画，只能储存静态模型和材质信息。

规范

OBJ文件不需要任何种文件头,文件由一行行文本组成，注释行以符号“#”为开头，空格和空行可以随意加到文件中。

有字的行都由一两个标记字母也就是关键字(Keyword)开头，关键字可以说明这一行是什么样的数据。

多行可以逻辑地连接在一起表示一行，方法是在每一行最后添加一个连接符()。注意连接符()后面不能出现空格或Tab格，否则将导致文件出错。

OBJ 文件一般会与 mtl 文件与 贴图图像 文件共用, 组成一个 3D 模型文件, 有时还会附带一个 xml 文件记录坐标偏移量。

obj 文件格式

其中常见的obj数据的组成形式为：

首行：mtllib *.mtl 表示使用哪个mtl文件,以mtllib开头
顶点坐标： v x y z 表示一个顶点的坐标,以v开头
纹理坐标: vt u v 表示一个纹理的坐标，以vt开头
引用的材质：usemtl * 表示引用mtl文件的哪部分纹理，以usemtl开头
面索引：f v_i1/u_i1 v_i2/u_i2 v_i3/u_i3 ，以f开头，分别记录顶点的序号和纹理的序号，序号从1开始，一个面由三个顶点组成，所以有三个顶点序号和纹理序号

mtl 文件格式

mtl记录了纹理的一些配置信息，主要有：

newmtl *: 创建一个材质，材质名为*，对应obj中的usemtl *
ka * * *: 环境颜色
kd * * *：漫反射颜色
d *: 透明度
Ns: *: 高光指数
illum: * : 光照模型
map_kd: *.jpg:纹理图片的名称

xml 文件格式

有时会存在 xml 文件metadata.xml，记录坐标系以及起始坐标偏移量，例如：

12345678910	<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?><ModelMetadata version="1"> <!--Spatial Reference System--> <SRS>EPSG:4538</SRS> <!--Origin in Spatial Reference System--> <SRSOrigin>368521.41600946989,3540710.6352664279,262.9439999993233</SRSOrigin> <Texture> <ColorSource>Visible</ColorSource> </Texture></ModelMetadata>

这样实际的坐标系为 4538，真实坐标为 obj 记录坐标加上 SRSOrigin 标签内坐标。

OBJ 模型示例

obj 模型内部以文本存储, 示例模型如下:

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647

Blender3D v249 OBJ File: untitled.blend# www.blender3d.orgmtllib cube.mtlv 1.000000 -1.000000 -1.000000v 1.000000 -1.000000 1.000000v -1.000000 -1.000000 1.000000v -1.000000 -1.000000 -1.000000v 1.000000 1.000000 -1.000000v 0.999999 1.000000 1.000001v -1.000000 1.000000 1.000000v -1.000000 1.000000 -1.000000vt 0.748573 0.750412vt 0.749279 0.501284vt 0.999110 0.501077vt 0.999455 0.750380vt 0.250471 0.500702vt 0.249682 0.749677vt 0.001085 0.750380vt 0.001517 0.499994vt 0.499422 0.500239vt 0.500149 0.750166vt 0.748355 0.998230vt 0.500193 0.998728vt 0.498993 0.250415vt 0.748953 0.250920vn 0.000000 0.000000 -1.000000vn -1.000000 -0.000000 -0.000000vn -0.000000 -0.000000 1.000000vn -0.000001 0.000000 1.000000vn 1.000000 -0.000000 0.000000vn 1.000000 0.000000 0.000001vn 0.000000 1.000000 -0.000000vn -0.000000 -1.000000 0.000000usemtl Material_ray.pngs offf 5/1/1 1/2/1 4/3/1f 5/1/1 4/3/1 8/4/1f 3/5/2 7/6/2 8/7/2f 3/5/2 8/7/2 4/8/2f 2/9/3 6/10/3 3/5/3f 6/10/4 7/6/4 3/5/4f 1/2/5 5/1/5 2/9/5f 5/1/6 6/10/6 2/9/6f 5/1/7 8/11/7 6/10/7f 8/11/7 7/12/7 6/10/7f 1/2/8 2/9/8 3/13/8f 1/2/8 3/13/8 4/14/8

特点说明：

注释行以符号 “#” 为开头，空格和空行可以随意加到文件中。
有字的行都由一两个标记字母也就是关键字（Keyword）开头，关键字可以说明这一行是什么样的数据。
多行可以逻辑地连接在一起表示一行，方法是在每一行最后添加一个连接符 ()。注意连接符 () 后面不能出现空格或 Tab 格，否则将导致文件出错。
o用于引入一个新的 object。

关键字

顶点数据(Vertex data)：

v 顶点(Vertices)
vt 纹理坐标(Texture vertices)
vn 顶点法向量(Vertex normals)
vp 参数空格顶点 (Parameter space vertices)

元素(Elements):

p 点(Point)
l 线(Line)
f 面(Face)
curv 曲线(Curve)
curv2 2D曲线(2D curve)
surf 表面(Surface)

成组(Grouping):

g 组名称(Group name)
s 光滑组(Smoothing group)
mg 合并组(Merging group)
o 对象名称(Object name)

显示(Display)/渲染属性(render attributes):

bevel 导角插值(Bevel interpolation)
c_interp 颜色插值(Color interpolation)
d_interp 溶解插值(Dissolve interpolation)
lod 细节层次(Level of detail)
usemtl 材质名称(Material name)
mtllib 材质库(Material library)
shadow_obj 投射阴影(Shadow casting)
trace_obj 光线跟踪(Ray tracing)
ctech 曲线近似技术(Curve approximation technique)
stech 表面近似技术 (Surface approximation technique)

自由形态曲线(Free-form curve)/表面属性(surface attributes):

deg 度(Degree)
bmat 基础矩阵(Basis matrix)
step 步尺寸(Step size)
cstype 曲线或表面类型 (Curve or surface type)

自由形态曲线(Free-form curve)/表面主体陈述(surface body statements):

parm 参数值(Parameter values )
trim 外部修剪循环(Outer trimming loop)
hole 内部整修循环(Inner trimming loop)
scrv 特殊曲线(Special curve)
sp 特殊的点(Special point)
end 结束陈述(End statement)

自由形态表面之间的连接(Connectivity between free-form surfaces):

con 连接 (Connect)

重点关键字详解

obj 格式主要有一下 4 种关键字：

1. v 顶点

123	v 1.000000 -1.000000 -1.000000v 1.000000 -1.000000 1.000000v -1.000000 -1.000000 1.000000

v表示顶点位置，值分别为 x、y、z，即每个顶点在 X、Y、Z 轴的坐标。

格式：v x y z
意义：每个顶点的坐标

2. vt 顶点纹理坐标

123	vt 0.748573 0.750412vt 0.749279 0.501284vt 0.999110 0.501077

格式：vt u v w
意义：绘制模型的三角面片时，每个顶点取像素点时对应的纹理图片上的坐标。纹理图片的坐标指的是，纹理图片如果被放在屏幕上显示时，以屏幕左下角为原点的坐标。
注意：w 一般用于形容三维纹理，大部分是用不到的，基本都为 0

3. vn 顶点法向量

123	vn 0.000000 0.000000 -1.000000vn -1.000000 -0.000000 -0.000000vn -0.000000 -0.000000 1.000000

格式：vn x y z
意义：绘制模型三角面片时，需要确定三角面片的朝向，整个面的朝向，是由构成每个面的顶点对应的顶点法向量的做矢量和决定的（xyz 的坐标分别相加再除以 3 得到的）。

4. f 面

123	f 5/1/1 1/2/1 4/3/1f 5/1/1 4/3/1 8/4/1f 3/5/2 7/6/2 8/7/2

格式：f v/vt/vn v/vt/vn v/vt/vn（f 顶点索引 / 纹理坐标索引 / 顶点法向量索引）
意义：绘制三角面片的依据，每个三角面片由三个f构成，由f可以确定顶点、顶点的对应的纹理坐标（提取纹理图片对应该坐标的像素点）、通过三个顶点对应的顶点法向量可以确定三角面的方向。
补充：以 f 开头的行表示面片，之后跟上索引语句来将顶点分配给面片，索引语句一共有四种格式：
- 顶点索引：以f v1 v2 v3 …的格式分配的面片。v1、v2、v3 等是顶点序号，以文件中第一个 v 标志行为 1，逐个递增。一个面片至少分配 3 个顶点，但可以分配超过 3 个顶点，即 obj 格式不保证三角面。面中顶点的声明顺序一般按逆时针方向，即遵循右手螺旋定则。
- 纹理坐标索引：以f v1/vt1 v2/vt2 v3/vt3 …的格式分配的面片。v1、v2、v3 等是顶点序号，vt1、vt2、vt3 等是对应顶点的纹理坐标序号，序号分配方式和 v 类似。
- 顶点法线索引：以f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3 …的格式分配的面片。v1、v2、v3 等是顶点序号，vn1、vn2、vn3 等是对应顶点的法线方向序号，序号分配方式和 v 类似。
- 顶点纹理法线索引：以f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 …的格式分配的面片。v1、v2、v3 等是顶点序号，vt1、vt2、vt3等是对应顶点的纹理坐标序号，vn1、vn2、vn3 等是对应顶点的法线方向序号。

补充说明

模型一般通过 3d 建模软件，例如 Blender, 3DS Max 或者 Maya 等工具建模，导出时的数据格式变化较大，我们导入模型到 OpenGL 的任务就是：将一种模型数据文件表示的模型，转换为 OpenGL 可以利用的数据。例如上面的 Obj 文件中，我们需要解析顶点位置，纹理坐标等数据，构成 OpenGL 可以渲染的 Mesh 对象。

obj 文件在导出时一般包括两个文件 .obj 文件和 .mtl 文件和贴图图像。其中 obj 文件表示模型网络文件，mtl 文件表示模型使用的材质。

一般 obj 文件：

顶点的个数与顶点法向量的个数一样多。
顶点的个数不一定与纹理坐标的个数一样多，因为有可能很多顶点公用一个纹理坐标的像素。
面索引的个数也与其余数据数量无关。
最终每个三角面的颜色，是由构成这个三角面的三个顶点进行插值计算（有例如：一个三角面其中两个顶点对应的纹理坐标是黑色的，另外一个是白色，那整个面呈现的颜色是由黑变白渐变，而不是三个颜色值的平均值。这就是插值的作用）来确定。所以面的颜色有可能不与每个点的颜色一致。