（牛哇牛哇）读取OBJ文件及其详解

一时失言乱红尘 2022-09-01 08:58 490阅读 0赞

原文链接：[https://blog.csdn.net/zb1165048017/article/details/109103791][https_blog.csdn.net_zb1165048017_article_details_109103791]

# 前言 #

最近处理一些网格渲染的时候，需要解析Obj文件，从`Free3D`上随便找了个免费的人体`obj`模型解析测试一波

国际惯例，参考博客：

[本文所使用的从Free3D下载的模型][Free3D]

[.obj文件格式与.mtl文件格式][.obj_.mtl]

[详解3D中的obj文件格式][3D_obj]

[3D中OBJ文件格式解析][3D_OBJ]

[obj文件解析][obj]

[维基百科Wavefront .obj file][Wavefront .obj file]

[Object Files (.obj)][Object Files _.obj]

[MTL Files Material Definitions for OBJ Files][]

[python读取obj][python_obj]

[obj的可视化软件MeshLab][obj_MeshLab]

# 文件结构 #

【注】各种`obj`文件可能有所不同，但是包含的字段的意义都是一样的，对号入座理解其意即可，如果有笔记中没有描述的字段，说明不太常用，自行查阅相关文献。

以下载到简单格式obj为例：

`#`用于注释

## mtllib ##

`mtllib`：代表材质库，通常指向到某个`mtl`文件

# 3ds Max Wavefront OBJ Exporter v0.97b - (c)2007 guruware
    # 作成したファイル : 05.11.2019 15:52:38

newmtl 091\_W\_Aya\_2K\_01  
Ns 30.0000  
Ni 1.5000  
d 1.0000  
Tr 0.0000  
Tf 1.0000 1.0000 1.0000  
illum 2  
Ka 0.5500 0.5500 0.5500  
Kd 1.0000 1.0000 1.0000  
Ks 0.0000 0.0000 0.0000  
Ke 0.0000 0.0000 0.0000  
map\_Ka tex\\091\_W\_Aya\_2K\_01.jpg  
map\_Kd tex\\091\_W\_Aya\_2K\_01.jpg

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这个文件的重点在于：map\_ka和map\_kd分别表示贴图路径

## 其它字段 ##

接下来就是obj里面通常包含的：

`v(vertices)`:几何形状的顶点，因为物体是由面构成的，而面是由线构成的，线由点构成的，所以无论是何形状，都必须要有几何顶点；一些应用支持顶点颜色，通过在x y z后面跟上red, green, blue值来表示。颜色值的范围为0到1.0。

# List of geometric vertices, with (x, y, z [,w]) coordinates, w is optional and defaults to 1.0.
    v 0.123 0.234 0.345 1.0
    v ...
    
     
      
     
      
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`vt(vertex texture)`：顶点纹理，代表当前顶点对应纹理图的哪个像素，通常是0-1，如果大于1，就相当于将纹理重新扩充然后取值，比如镜像填充、翻转填充之类的，然后根据纹理图的宽高去计算具体像素位置

# List of texture coordinates, in (u, [,v ,w]) coordinates, these will vary between 0 and 1. v, w are optional and default to 0.
    vt 0.500 1 [0]
    vt ...
    
     
      
     
      
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`vn(vertex normal)`：顶点法线，物理里面有说过眼睛看到物体是因为光线经过物体表面反射到眼睛，所以这个法线就是通过入射光线计算反射光线使用的法线。

# List of vertex normals in (x,y,z) form; normals might not be unit vectors.
    vn 0.707 0.000 0.707
    vn ...
    
     
      
     
      
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`f(face)`：大部分几何体都包括面，除非是像头发丝那一类模型只包含一根根头发的顶点，而且大部分模型的头发也用的面片的方法渲染的。常见的面是由3个顶点构成的三角面，当然也有多边形的，不过我见得少。其格式有几种形式：

*  仅包含顶点`f v1 v2 v3 ....`
 *  包含顶点和纹理`f v1/vt1 v2/vt2 v3/vt3 ...`
 *  包含顶点纹理和法线`f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 ...`
 *  包括顶点和法线`f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3 ...`

o、g、s、usemtl

o 091_W_Aya_100K_01
    g 091_W_Aya_100K_01
    usemtl 091_W_Aya_2K_01
    s off
    
     
      
     
      
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其中:

*  `usemtl`为模型指定一个材质
 *  `o`：代表`object`，表示不同的对象名称
 *  `g`：代表`group`，顶点或者三角面片的集合名称
 *  `s`：代表`smooth`

不同形式的记录方法都是使用斜杠区分不同的字段索引，`f`后面跟的是正整数，代表对应字段的索引。

# Polygonal face element (see below)
    f 1 2 3
    f 3/1 4/2 5/3
    f 6/4/1 3/5/3 7/6/5
    f 7//1 8//2 9//3
    f ...
    
     
      
     
      
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比较容易理解，每个顶点都是代表空间中的一个位置，这个位置可以给他带个颜色，而且这个位置也可以有法线。

【注】其实除了顶点发现，有些非`obj`的模型文件还定义了面法线，比如`VRay`渲染软件。

# 代码显示 #

之前学[PRNet的人脸重建][PRNet]和这个非常类似，也是读到顶点`v`的三维坐标以后，将二维纹理图通过`vt`映射到每个顶点，通过面着色，一个面有三个顶点，通过这三个顶点就能计算出当前面的颜色。

按照读文件的方法逐行读取`obj`，然后通过正则表达式找到`v`、`vt`、`vn`、`f`

filename = '091_W_Aya_10K.obj'
    vertices = []
    vertex_norm = []
    vertex_tex = []
    triangles = []
    texcoords = []
    for line in open(filename, "r"):
        values = line.split()
        if(values==[]):
            continue
        if(values=='#'):
            continue
        if(values[0]=='v'):
            vertices.append([float(values[1]),float(values[2]),float(values[3])])
        if(values[0]=='vn'):
            vertex_norm.append([float(values[1]),float(values[2]),float(values[3])])
        if(values[0]=='vt'):
            vertex_tex.append([float(values[1]),float(values[2]),float(values[3])])
        if(values[0]=='f'):
            face=[]
            texcoord = []
            norm = []
            for v in values[1:]:
                w = v.split('/')
                face.append(int(w[0]))
                if(len(w)>=2 and len(w[1])>0):
                    texcoord.append(int(w[1]))
                else:
                    texcoord.append(-1)
                if(len(w)>=3 and len(w[2])>0):
                    norm.append(int(w[2]))
                else:
                    norm.append(-1)
            triangles.append(face)
            texcoords.append(texcoord)
    
     
      
     
      
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因为索引都是从1开始，而python等语言的数组通常从0开始，所以需要将索引-1

vertices = np.array(vertices,np.int32)
    vertices = vertices-np.min(vertices)
    vertices[...,1] = np.max(vertices[...,1]) - vertices[...,1]
    triangles = np.array(triangles,np.int)-1
    texcoords=np.array(texcoords,np.int)-1
    vertex_tex = np.array(vertex_tex,np.float32)
    
     
      
     
      
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接下来纹理图：

uv_map = plt.imread("./tex/091_W_Aya_2K_01.jpg")
    uv_map = uv_map.astype('float32')
    uv_map = np.rot90(uv_map,3)
    
     
      
     
      
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最后一行旋转图片的原因是，plt读取的图像像素坐标和obj存储的坐标顺序有这样的一个关系。

最终，使用`opencv`画三角面，每个三角面的颜色为三个顶点对应颜色的平均值

img_3D = np.zeros((np.max(vertices[...,1]),np.max(vertices[...,0]),3),dtype=np.uint8)
    for i in range(triangles.shape[0]):
        cnt = np.array([(vertices[triangles[i,0],0],vertices[triangles[i,0],1]),
                        (vertices[triangles[i,1],0],vertices[triangles[i,1],1]),
                        (vertices[triangles[i,2],0],vertices[triangles[i,2],1])],dtype=np.int32)
        color_coord1_x = int(vertex_tex[texcoords[i,0],0] * uv_map.shape[0])
        color_coord1_y = int(vertex_tex[texcoords[i,0],1] * uv_map.shape[1])
        color_coord2_x = int(vertex_tex[texcoords[i,1],0] * uv_map.shape[0])
        color_coord2_y = int(vertex_tex[texcoords[i,1],1] * uv_map.shape[1])
        color_coord3_x = int(vertex_tex[texcoords[i,2],0] * uv_map.shape[0])
        color_coord3_y = int(vertex_tex[texcoords[i,2],1] * uv_map.shape[1])
        color = (uv_map[color_coord1_x,color_coord1_y,...]+
                 uv_map[color_coord2_x,color_coord2_y,...]+
                 uv_map[color_coord3_x,color_coord3_y,...])/3.0
        img_3D = cv2.drawContours(img_3D,[cnt],0,(int(color[0]),int(color[1]),int(color[2])),-1)
    plt.figure(figsize=(16,16))
    plt.imshow(img_3D/255.0)
    plt.axis('off')
    
     
      
     
      
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对比一下与meshlab可视化结果

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3piMTE2NTA0ODAxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

为什么会出现这种情况，感觉有些纹理不对，原因在于我们做opencv可视化的时候，并没有区分先渲染前面还是先渲染后面，而是按照obj存储的三角面顺序着色，所以导致了图里面有些背面覆盖了前面，出现这种一块一块的不对劲效果，其实异常块是模型不可见部分的颜色而已。有兴趣可自行优化一下渲染算法，区分一下背面和正面。  
——————2020.12.30更——————  
纹理贴图完整版请看：[OBJ可视化——UV还原(修正)][OBJ_UV]

# 后记 #

分析一下obj格式的3D模型文件的各个字段原理，同时进行简单的可视化测试

**完整的`python`脚本实现放在微信公众号的简介中描述的github中**，有兴趣可以去找找，同时文章也同步到微信公众号中，有疑问或者兴趣欢迎公众号私信。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3piMTE2NTA0ODAxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

[https_blog.csdn.net_zb1165048017_article_details_109103791]: https://blog.csdn.net/zb1165048017/article/details/109103791
[Free3D]: https://free3d.com/zh/3d-model/091_aya-3dsmax-2020-189298.html
[.obj_.mtl]: https://blog.csdn.net/u013467442/article/details/46792495
[3D_obj]: https://www.jianshu.com/p/f7f3e7b6ebf5
[3D_OBJ]: https://52zju.cn/?p=186887
[obj]: https://www.cnblogs.com/3dgiser/articles/10157353.html
[Wavefront .obj file]: https://en.wikipedia.org/wiki/Wavefront_.obj_file
[Object Files _.obj]: http://paulbourke.net/dataformats/obj/
[MTL Files Material Definitions for OBJ Files]: https://people.sc.fsu.edu/~jburkardt/data/mtl/mtl.html
[python_obj]: https://gist.github.com/tshirtman/8648d954d70d46e58a7c
[obj_MeshLab]: https://www.meshlab.net/
[PRNet]: https://mp.weixin.qq.com/s/oJSvj_ZoFZaJQGMQuG7idQ
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3piMTE2NTA0ODAxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20220829/bc41859c72ba4eccb7b4123b2588460d.png
[OBJ_UV]: https://blog.csdn.net/zb1165048017/article/details/111986795
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3piMTE2NTA0ODAxNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20220829/2916f0f8857e405ebdc24cf26d8f4891.png