Vulkan教程 – 23 加载模型-卡核

现在你的程序已经为有贴图的3D网格渲染做好准备了，但是现在的顶点和索引数组都是比较无聊的。本章我们扩展该程序来从真实的模型文件加载顶点和索引数据，以让显卡做点真正的工作。

许多图形API教程让读者自己写OBJ加载器，这样做的问题是，稍微有点意思的3D程序很快会要求本格式不支持的特性，比如骨骼动画。我们会从OBJ模型加载数据，但是我们主要关注集成网格数据，而不是如何从文件加载。

我们会使用tinyobjloader库来从OBJ文件加载顶点和面。它比较快，易于集成，因为它就是一个单个的库文件，就和stb_image一样。到：

https://github.com/syoyo/tinyobjloader

下载最新的tiny_obj_loader.h文件，放在自己的库目录中。确保下载的是master分支的，因为最新的官方发行版已经过时了。

将其添加到VS的附加包含目录中。

本章我们不会启用光照，所以用已经有光照烘焙贴图的模型是不错的选择。可以在：

https://sketchfab.com/

找到这样的模型，且许多都是OBJ格式，许可也比较自由。这里选择Escadrone的Chalet Hippolyte Chassande Baroz模型：

https://sketchfab.com/3d-models/chalet-hippolyte-chassande-baroz-e925320e1d5744d9ae661aeff61e7aef

我调整了其大小和方向来作为当前几何体的替换：

https://vulkan-tutorial.com/resources/chalet.obj.zip

https://vulkan-tutorial.com/resources/chalet.jpg

它有五十万三角形，对我们程序来说十个不错的基准测试。可以用自己的模型，但是要保证它仅有一个材质，且它的大小大约为1.5*1.5*1.5单位。如果比这个值大，那你要改变视图矩阵了。在shaders同级目录建立models目录，把obj文件放进去。然后将贴图文件放在textures目录。

写两个新的配置变量定义模型和贴图路径：

const int WIDTH = 800;
const int HEIGHT = 600;

const std::string MODEL_PATH = "models/chalet.obj";
const std::string TEXTURE_PATH = "textures/chalet.jpg";

并修改createTextureImage方法来使用该路径：

stbi_uc* pixels = stbi_load(TEXTURE_PATH.c_str(),
    &texWidth, &texHeight, &texChannels, STBI_rgb_alpha);

我们打算从模型加载顶点和索引了，所以你应该去除全局vertices和indices数组了。使用不是常量的容器替换它们作为类成员：

std::vector<Vertex> vertices;
std::vector<uint32_t> indices;
VkBuffer vertexBuffer;
VkDeviceMemory vertexBufferMemory;

你应该将索引类型从uint16_t改为uint32_t，因为顶点数量会远超65535。记住还要修改vkCmdBindIndexBuffer参数：

vkCmdBindIndexBuffer(commandBuffers[i], indexBuffer, 0, VK_INDEX_TYPE_UINT32);

包含tinyobjloader库和STB一样，要确保定义TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION来包含方法体以免链接报错：

#define TINYOBJLOADER_IMPLEMENTATION
#include <tiny_obj_loader.h>

现在我们要写一个loadModel方法，使用该库从网格中抽出数据放到vertices和indices容器中。它应该在初始化Vulkan方法中的顶点和索引缓冲创建之前调用：

loadModel();
createVertexBuffer();
createIndexBuffer();

通过调用tinyobj::LoadObj将模型导入到库的数据结构：

void loadModel() {
    tinyobj::attrib_t attrib;
    std::vector<tinyobj::shape_t> shapes;
    std::vector<tinyobj::material_t> materials;
    std::string warn, err;

    if (!tinyobj::LoadObj(&attrib, &shapes, &materials, &warn, &err, MODEL_PATH.c_str())) {
        throw std::runtime_error(warn + err);
    }
}

OBJ文件由点、法线、贴图坐标和面组成。面由任意数量顶点组成，每个顶点通过索引引用了一个位置，法线及贴图坐标。这使得重用整个顶点成为可能，且也能重用各个属性。

attrib容器保存所有点、法线和贴图坐标在attrib.vertices，attrib.normals和attrib.texcoords向量中。shapes容器包含所有独立对象和它们的面。每个面由一组顶点组成，每个顶点包含了点的索引，法线和贴图坐标属性。OBJ模型也能定义每个面的材质和贴图，但是这里就忽略了。

err字符串包含错误信息，warn字符串包含了加载文件时的警告信息，比如丢失材质定义等。只有LoadObj返回false的时候才是真的失败。OBJ文件的面实际上可以包含任意数量的顶点，然而我们的程序只能渲染三角形。幸运的是，LoadObj能将这些面转换为三角形，这也是默认启用的功能。

我们会将所有面结合起来，作为一个模型，所以就遍历所有形状即可：

for (const auto& shape : shapes) {

}

三角化特性已经保证每个面有三个点，所以我们现在可以直接迭代整个顶点然后直接导出到我们的vertices向量中：

for (const auto& shape : shapes) {
    for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
        Vertex vertex = {};

        vertices.push_back(vertex);
        indices.push_back(indices.size());
    }
}

为了简单起见，我们认为每个顶点是独一无二的，也就可以用自增索引了。index遍历是tinyobj::index_t 类型的，包含了vertex_index，normal_index和texcoord_index成员。我们要使用这些索引来查找真正的顶点属性：

vertex.pos = {
    attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 0],
    attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 1],
    attrib.vertices[3 * index.vertex_index + 2]
};

vertex.texCoord = {
    attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 0],
    attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 1]
};

vertex.color = { 1.0f, 1.0f, 1.0f };

不幸的是，attrib.vertices数组是float类型的而不是glm::vec3这样的类型，所以你要把索引乘以3。类似地，每个入口都有两个贴图坐标组件。偏置0，1和2用于访问X，Y和Z组件，或者贴图坐标中的U和V组件。

选择Release模式运行程序，否则加载模型会很慢。你会看到这样的效果：

很好，几何看着没问题，但是贴图是怎么回事？OBJ格式认为的坐标系统垂直坐标为0的时候表示图形底部，但是我们将图像上传到Vulkan是从上到下的，所以0表示的是图像顶部。解决该问题的方法就是翻转垂直坐标：

vertex.texCoord = {
    attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 0],
    1.0f - attrib.texcoords[2 * index.texcoord_index + 1]
};

现在运行程序如下：

我们目前还未用索引缓冲呢。vertices向量包含许多重复的顶点数据，因为许多顶点是被包含在很多三角形中的。我们应该保存独一无二的顶点并使用索引缓冲来重用它们。有个比较直白的方法就是使用map或者unordered_map来保存这些独立顶点和各自的索引：

#include <unordered_map>
...
std::unordered_map<Vertex, uint32_t> uniqueVertices = {};

for (const auto& shape : shapes) {
    for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
        Vertex vertex = {};

        ...

        if (uniqueVertices.count(vertex) == 0) {
            uniqueVertices[vertex] = static_cast<uint32_t>(vertices.size());
            vertices.push_back(vertex);
        }

        indices.push_back(uniqueVertices[vertex]);
    }
}

每次我们从OBJ文件读取一个顶点，我们就检查是否已经看到过一样位置一样贴图坐标的顶点。如果没有就添加到vertices并存储其索引到uniqueVertices容器。之后我们添加新顶点的索引到indices。如果我们看到过一样的顶点，我们就找到它在uniqueVertices中的索引并存储到indices。

现在程序还无法运行，因为我们使用用户自定义类型的结构体作为哈希表的key需要实现两个方法：相等性测试和哈希计算。前者容易实现，就是在Vertex结构体中重写==运算符：

bool operator==(const Vertex& other) const {
    return pos == other.pos && color == other.color && texCoord == other.texCoord;
}

Vertex的哈希方法需要指定std::hash<T>模板明细来实现。哈希方法是个复杂的话题，推荐用下面的方法创建较好质量的哈希方法：

namespace std {
    template<> struct hash<Vertex> {
        size_t operator()(Vertex const& vertex) const {
            return ((hash<glm::vec3>()(vertex.pos) ^
                (hash<glm::vec3>()(vertex.color) << 1)) >> 1) ^
                (hash<glm::vec2>()(vertex.texCoord) << 1);
        }
    };
}

这段代码放在Vertex之外，哈希方法使用要包含头文件：

#define GLM_ENABLE_EXPERIMENTAL
#include <glm/gtx/hash.hpp>

哈希方法是在gtx目录定义的，意味着它是实验性的，因此要定义GLM_ENABLE_EXPERIMENTAL来使用。

现在可以成功运行程序了，如果你检查了vertices大小，会发现它从一百五十万降低到了26万。这意味着每个顶点是被大约6个三角形重用的，这极大减少了GPU内存消耗。

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THE END

综合
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