OpenGL之obj + mtl 格式说明

OBJ(或 .OBJ)是一种开放的几何定义文件格式，最初由Wavefront Technologies公司开发，用以描述其Advanced Visualizer动画包。该格式已被其他3D图形应用供应商采纳，是一种被绝大多数普遍公认的格式。

OBJ文件格式为简单数据格式，它仅表现3D几何体，即顶点的位置、以顶点列表方式定义每个多边形的顶点、法向量和面的UV坐标，以及纹理顶点。顶点默认以逆时针方向存储，不必显式声明法向。

1. 文件格式

注释行以#号起首
# 这是注释
一个OBJ文件包含几类定义：
# 顶点列表，用(x,y,z[,w])坐标表示，w为可选

  v 0.123 0.234 0.345 1.0v ......

# 纹理坐标，用(u,v[,w])坐标表示，w为可选

vt 0.500 -1.352 [0.234]
vt ...
...

# 法向量，用(x,y,z)的形式，法向量非单位向量

vn 0.707 0.000 0.707
vn ...
...

# 面的定义详见下

f 1 2 3
f 3/1 4/2 5/3
f 6/4/1 3/5/3 7/6/5
f ...
...

2. 面的定义

面通过顶点列表、纹理及法向的索引来定义。定义多边形（诸如四边形）时可超过三张顶点/纹理/法向索引。OBJ文件也支持自由曲面，如NURB（非均匀有理B样条）。
有多种方式定义一个面，然而每行面定义语句都以f起首。

2.1 顶点
合法的顶点索引从1开始，对应于预先定义的顶点列表中相应的顶点元素。每个面可以包含三个以上元素。

f v1 v2 v3 v4 ...

2.2 顶点/纹理坐标

可选地，纹理坐标索引可以用来指定面的纹理坐标。在定义一个面时，如需为顶点索引添加纹理坐标索引，须在顶点索引之后附上纹理坐标索引，并用/号分隔。注意/号之前或之后都不允许有空格。合法的纹理坐标索引从1开始，对应于预先定义的纹理坐标列表中相应的元素。每个面可以包含三个以上元素。

f v1/vt1 v2/vt2 v3/vt3 ...

2.3 顶点/纹理坐标/法向
可选地，法向索引可以用来指定顶点的法向量。在定义一个面时，如需为顶点索引添加法向索引，须在纹理坐标索引之后附上法向索引，并用/号分隔。合法的法向索引从1开始，对应于预先定义的法向列表中相应的元素。每个面可以包含三个以上的元素。

f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 ...

2.4 顶点/法向
由于纹理坐标是可选的，在定义几何体时可以忽略，但在索引中不能少，所以顶点索引之后须画两道/，即//，再写上法向索引。

f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3 ...

3. 引用材质

用来描述多边形可视面貌的材质存储于外部.mtl文件中。.mtl文件可包含一至多个命名的材质。

mtllib [外部 .mtl 文件名]
...
命名的对象、多边形群组和材质群组通过以下标签指定：
o [对象名]
...
g [群组名]
...
usemtl [材质名]
...材质名对应于外部.mtl文件中的已命名材质。每个标签应用于所有后续面，直到下一个同类型标签出现。如果当前材质定义中不包括纹理，则纹理坐标可以被忽略。f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3
...
多边形之间的平滑描影由平滑群组控制。
s 1
...
# 平滑描影也可以取消。
s off
...
一个OBJ文件中可引用一个以上的外部MTL材质文件。

4. 相对和绝对索引

由于其列表结构，OBJ文件可以以绝对或相对列表位置引用顶点、法向等。绝对索引值以1为基准，相对索引值可以是负数。不过，不是所有的软件都支持后者，也有些软件在写格式时内置使用相对索引形式（由于这样便于在添加元素时不用重新计算顶点偏移等因素）。这些偶尔会造成不兼容。

5. 材质模板库(MTL)

在3D计算机图形学中，最为普遍的几何体交换文件格式之一就是OBJ，MTL文件则是其附属文件，用以描述几何体的表面描影属性。
尽管MTL格式被广泛使用，它已经过时，无法完全支持最新技术，诸如镜面贴图和视差贴图。然而，由于格式的开放和直观，不足之处可用定制MTL文件生成器轻易补完。
5.1 基础材质
单独一个.mtl文件包含多个材质。材质在文件中逐个定义，每一条语句以newmtl起首。
  # 定义一个名为 'Colored'的材质
  newmtl Colored
材质的阴影色（ambient color）用Ka声明。颜色用RGB定义，每条通道的值从0到1之间取。
   Ka 1.000 1.000 1.000 # 白色
类似地，固有色（diffuse color）用Kd。
   Kd 1.000 1.000 1.000 # 白色
高光色（specular color）用Ks。带权高光色则用高光系数Ns表示。
   Ks 0.000 0.000 0.000 # 黑色（即关闭高光）
   Ns 10.000 # 范围从0到1000
材质可以是透明的，即是说“溶解的”。与真透明度不同，其结果并不依赖于物体厚度。
   d 0.9 # 有些用'd'实现
   Tr 0.9 # 其他的用'Tr'
每个材质允许使用多照明模型。枚举如下：

0. 色彩开，阴影色关
1. 色彩开，阴影色开
2. 高光开
3. 反射开，光线追踪开
4. 透明： 玻璃开 反射：光线追踪开
5. 反射：菲涅尔衍射开，光线追踪开
6. 透明：折射开 反射：菲涅尔衍射关，光线追踪开
7. 透明：折射开 反射：菲涅尔衍射开，光线追踪开
8. 反射开，光线追踪关
9. 透明： 玻璃开 反射：光线追踪关
10. 投射阴影于不可见表面illum 2

5.2 纹理贴图
带纹理材质使用如上相同的属性，并额外定义纹理贴图。

   newmtl TexturedKa 1.000 1.000 1.000Kd 1.000 1.000 1.000Ks 0.000 0.000 0.000d 1.0illum 2map_Ka lenna.tga # 阴影色纹理贴图map_Kd lenna.tga # 固有色纹理贴图 (多数情况下与其阴影色纹理贴图相同)map_Ks lenna.tga # 高光色纹理贴图map_d lenna_alpha.tga # alpha通道纹理贴图map_bump lenna_bump.tga # 凹凸贴图bump lenna_bump.tga # 也有用'bump'而非'map_Bump'标签

更多《计算机视觉与图形学》知识，可关注下方公众号：