OBJ文件格式详解

一、文件结构

OBJ文件是一种ASCII格式的文件，它由三部分构成：顶点数据，面信息和其他（如材质）元数据。以一个简单的立方体为例，它会包含8个顶点，每个顶点的坐标和颜色信息，以及6个面的信息，每个面由四个点构成。

v -1.000000 -1.000000 1.000000
v -1.000000 -1.000000 -1.000000
v -1.000000 1.000000 -1.000000
v -1.000000 1.000000 1.000000
v 1.000000 -1.000000 -1.000000
v 1.000000 -1.000000 1.000000
v 1.000000 1.000000 1.000000
v 1.000000 1.000000 -1.000000
f 1 2 3 4
f 5 6 7 8
f 1 2 6 5
f 2 3 7 6
f 3 4 8 7
f 4 1 5 8

在OBJ文件中，每个顶点的数据以v开头，后面跟着该顶点的三维坐标偏移值。而每个面则以f开头，后面跟着该面的四个顶点的索引值。如果是三角形面，则只需要填写三个点的索引值。

二、顶点法线

在计算机图形学中，法线这一概念是非常重要的。法线指的是垂直于面的单位向量，用于计算光照和阴影效果。OBJ文件格式支持在每个顶点上指定法线向量。法线数据以vn开头，后面跟着该法线向量的三个分量。

v -1.000000 -1.000000 1.000000
v -1.000000 -1.000000 -1.000000
...
vn 0.000000 0.000000 1.000000
vn 0.000000 0.000000 -1.000000
...
f 1//6 2//6 3//6 4//6
f 5//1 6//1 7//1 8//1
...

在面数据中，可以使用“/”分隔符来指定每个顶点对应的法线索引，例如f 1//6表示第一个顶点对应的法线向量是第六个vn指定的法线向量。

三、纹理坐标

在计算机图形学中，纹理是一种二维图像，可以贴在三维模型表面上，用于增加模型的细节和真实感。OBJ文件支持在每个顶点上指定纹理坐标。纹理坐标数据以vt开头，后面跟着该顶点在纹理图像上的坐标偏移值。

v -1.000000 -1.000000 1.000000
v -1.000000 -1.000000 -1.000000
...
vt 0.000000 0.000000
vt 0.000000 1.000000
...
f 1/1 2/2 3/3 4/4
f 5/5 6/6 7/7 8/8
...

在面数据中，可以使用“/”分隔符来指定每个顶点对应的纹理坐标索引，例如f 1/1表示第一个顶点对应的纹理坐标是第一个vt指定的纹理坐标。

四、材质信息

OBJ文件格式支持通过mtl文件来定义和引用材质信息。每个MTL文件可以定义多个材质，每个材质的属性包括环境光、漫反射、镜面反射、透明度等等。而OBJ文件则通过调用材质的名称来引用该材质。

mtllib cube.mtl
usemtl Material.1
v -1.000000 -1.000000 1.000000
...

在OBJ文件中，使用mtllib指令来引用MTL文件，使用usemtl指令来引用其中的一个材质。例如usemtl Material.1表示当前面使用的材质名称为Material.1。

五、动画信息

OBJ文件格式支持在每个顶点上指定动画帧信息，可以用于制作简单的动画效果。每帧的数据和静态模型一样，都包含顶点坐标、法线和纹理坐标等信息。在OBJ文件中，使用动画数据需要指定动画顶点的偏移量，并且需要通过顶点索引和时间戳来确定每个顶点在每个时间点上的位置。

v -1.000000 -1.000000 1.000000
v -1.000000 -1.000000 -1.000000
...
f 1/1/1 2/2/2 3/3/3 4/4/4
...
g cube-animate
s 1
f 1/1/1 2/2/2 3/3/3 4/4/4
...
f 1/1/1 4/4/4 8/8/8 5/5/5
...

在面数据中，可以使用“/”分隔符来指定每个顶点对应的动画帧信息索引，例如f 1/1/1表示第一个顶点对应的动画帧信息是第一个动画顶点。

六、代码示例

以下是一个简单的OBJ文件解析程序的代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    float x, y, z;
} Vertex;

typedef struct {
    int vIndex, tIndex, nIndex;
} FaceVertex;

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: obj_parser file.obj\n");
        return 1;
    }

    char filename[256];
    strcpy(filename, argv[1]);

    FILE *file = fopen(filename, "r");
    if (file == NULL) {
        fprintf(stderr, "Failed to open %s\n", filename);
        return 1;
    }

    Vertex vertices[256];
    int vertexCount = 0;

    FaceVertex faces[256];
    int faceCount = 0;

    char line[256];
    while (fgets(line, sizeof(line), file)) {
        if (line[0] == 'v' && line[1] == ' ') {
            Vertex v;
            sscanf(line, "v %f %f %f", &v.x, &v.y, &v.z);
            vertices[vertexCount++] = v;
        } else if (line[0] == 'f' && line[1] == ' ') {
            FaceVertex fv[4];
            int fvCount = 0;
            char *token = strtok(line + 2, " ");
            while (token != NULL) {
                FaceVertex f;
                memset(&f, 0, sizeof(f));
                sscanf(token, "%d/%d/%d", &f.vIndex, &f.tIndex, &f.nIndex);
                fv[fvCount++] = f;
                token = strtok(NULL, " ");
            }
            for (int i = 2; i < fvCount; i++) {
                faces[faceCount++] = fv[0];
                faces[faceCount++] = fv[i - 1];
                faces[faceCount++] = fv[i];
            }
        }
    }

    fclose(file);

    for (int i = 0; i < faceCount; i++) {
        FaceVertex fv = faces[i];
        Vertex v = vertices[fv.vIndex - 1];
        printf("%f %f %f\n", v.x, v.y, v.z);
    }

    return 0;
}