OBJ文件格式詳解

一、文件結構

OBJ文件是一種ASCII格式的文件，它由三部分構成：頂點數據，面信息和其他（如材質）元數據。以一個簡單的立方體為例，它會包含8個頂點，每個頂點的坐標和顏色信息，以及6個面的信息，每個面由四個點構成。

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，每個頂點的數據以v開頭，後面跟着該頂點的三維坐標偏移值。而每個面則以f開頭，後面跟着該面的四個頂點的索引值。如果是三角形面，則只需要填寫三個點的索引值。

二、頂點法線

在計算機圖形學中，法線這一概念是非常重要的。法線指的是垂直於面的單位向量，用於計算光照和陰影效果。OBJ文件格式支持在每個頂點上指定法線向量。法線數據以vn開頭，後面跟着該法線向量的三個分量。

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
...

在面數據中，可以使用“/”分隔符來指定每個頂點對應的法線索引，例如f 1//6表示第一個頂點對應的法線向量是第六個vn指定的法線向量。

三、紋理坐標

在計算機圖形學中，紋理是一種二維圖像，可以貼在三維模型表面上，用於增加模型的細節和真實感。OBJ文件支持在每個頂點上指定紋理坐標。紋理坐標數據以vt開頭，後面跟着該頂點在紋理圖像上的坐標偏移值。

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
...

在面數據中，可以使用“/”分隔符來指定每個頂點對應的紋理坐標索引，例如f 1/1表示第一個頂點對應的紋理坐標是第一個vt指定的紋理坐標。

四、材質信息

OBJ文件格式支持通過mtl文件來定義和引用材質信息。每個MTL文件可以定義多個材質，每個材質的屬性包括環境光、漫反射、鏡面反射、透明度等等。而OBJ文件則通過調用材質的名稱來引用該材質。

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

在OBJ文件中，使用mtllib指令來引用MTL文件，使用usemtl指令來引用其中的一個材質。例如usemtl Material.1表示當前面使用的材質名稱為Material.1。

五、動畫信息

OBJ文件格式支持在每個頂點上指定動畫幀信息，可以用於製作簡單的動畫效果。每幀的數據和靜態模型一樣，都包含頂點坐標、法線和紋理坐標等信息。在OBJ文件中，使用動畫數據需要指定動畫頂點的偏移量，並且需要通過頂點索引和時間戳來確定每個頂點在每個時間點上的位置。

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
...

在面數據中，可以使用“/”分隔符來指定每個頂點對應的動畫幀信息索引，例如f 1/1/1表示第一個頂點對應的動畫幀信息是第一個動畫頂點。

六、代碼示例

以下是一個簡單的OBJ文件解析程序的代碼：

#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;
}