探索3D世界：使用 lib3ds 读取和解析 3DS 文件

在3D图形开发中，读取和解析3DS文件是创建和渲染3D场景的第一步。3DS（3D Studio）文件格式是一种广泛使用的3D模型文件格式，它包含了多种类型的数据，用于描述3D场景中的物体、材质、相机、灯光和动画等。lib3ds 是一个开源的C库，专门用于读取和解析 .3ds 文件。本文将详细介绍如何使用 lib3ds 库来读取3DS文件，并理解其组成部分。

一、3DS文件的组成部分

3DS文件包含以下主要组成部分：

  1. 物体（Object）：

    • 3DS文件可以包含多个物体，每个物体都是一个复杂的3D模型。
    • 物体包含顶点数据、三角形索引数据、纹理坐标数据和材质列表数据等。
    • 每种数据由一个特定的ID标识，以区分不同类型的数据。

  2. 材质（Material）：

    • 材质定义了物体的外观属性，如颜色、透明度、纹理等。
    • 3DS文件可以包含多个材质，也可以不包含材质信息。

  3. 相机（Camera）：

    • 相机数据描述了场景中的观察点，包括相机的位置、朝向和焦距等信息。

  4. 灯光（Light）：

    • 灯光数据定义了场景中的光源，包括灯光的位置、类型和颜色等信息。
    • 灯光可以是泛光灯、聚光灯等不同类型的光源。

  5. 关键帧（Keyframe）：

    • 关键帧用于描述动画，包含了每个物体在每一关键帧处的变换矩阵。
    • 通过在绘制每一帧动画前给物体应用相应的变换矩阵，可以实现动画效果。
    • 需要注意的是，3DS文件只能描述刚体动画，不能描述柔体动画。

二、使用 lib3ds 库读取 3DS 文件

lib3ds 库提供了一个简单的API来读取和解析3DS文件。以下是使用 lib3ds 库读取3DS文件的基本步骤：

1. 包含头文件

在你的代码中包含 lib3ds 的头文件：

#include <lib3ds/lib3ds.h>
2. 加载 3DS 文件

使用 lib3ds_file_load 函数加载3DS文件。这个函数会返回一个 Lib3dsFile 结构体指针，它包含了3DS文件的所有信息。

Lib3dsFile *file = lib3ds_file_load("path/to/your/file.3ds");
if (!file) {fprintf(stderr, "Failed to load 3DS file.\n");return 1;
}
3. 获取模型的包围盒

为了计算场景的中心点和大小，我们需要得到模型的最小边界和最大边界。这可以通过调用 lib3ds_file_bounding_box_of_nodes 函数来实现，它接收一个 Lib3dsFile 指针以及几个布尔参数来指定是否考虑节点、网格、相机和灯光。然后，它会填充两个 Lib3dsVector 类型的变量 bmin 和 bmax，分别表示包围盒的最小和最大坐标。

Lib3dsVector bmin, bmax;
lib3ds_file_bounding_box_of_nodes(file, LIB3DS_TRUE, LIB3DS_FALSE, LIB3DS_FALSE, bmin, bmax);float sx = bmax[0] - bmin[0];
float sy = bmax[1] - bmin[1];
float sz = bmax[2] - bmin[2];
// 这里 MAX 是一个宏定义，用来找出两个值中较大的那个。cx, cy, cz 分别是包围盒的中心点坐标，而 size 则是包围盒的最大尺寸。
float size = fmaxf(sx, fmaxf(sy, sz));
float cx = (bmin[0] + bmax[0]) / 2;
float cy = (bmin[1] + bmax[1]) / 2;
float cz = (bmin[2] + bmax[2]) / 2;
4. 添加默认相机

有时 3DS 文件中可能没有定义任何相机，或者我们希望为场景添加额外的视角。为此，我们可以创建多个默认相机，每个相机都位于不同的方向，以便从不同角度查看模型。以下是添加四个标准相机的代码：X 轴方向、Y 轴方向、Z 轴方向和一个等距视图（ISO）。

if (!file->cameras) {// 定义一个辅助函数来简化相机创建过程auto addCamera = [this, &file, cx, cy, cz, size](const char* name, int axis, float offset) {Lib3dsCamera *camera = lib3ds_camera_new(name);camera->target[0] = cx;camera->target[1] = cy;camera->target[2] = cz;memcpy(camera->position, camera->target, sizeof(camera->position));switch(axis) {case 0: // X轴camera->position[0] = bmax[0] + offset * fmaxf(sy, sz);break;case 1: // Y轴camera->position[1] = bmin[1] - offset * fmaxf(sx, sz);break;case 2: // Z轴camera->position[2] = bmax[2] + offset * fmaxf(sx, sy);break;default: // ISOcamera->position[0] = bmax[0] + .75f * size;camera->position[1] = bmin[1] - .75f * size;camera->position[2] = bmax[2] + .75f * size;}camera->near_range = (camera->position[axis % 3] - (axis == 2 ? bmax[axis % 3] : bmin[axis % 3])) * .5f;camera->far_range = (camera->position[axis % 3] - (axis == 2 ? bmin[axis % 3] : bmax[axis % 3])) * 2.0f;lib3ds_file_insert_camera(file, camera);};// 添加四个相机addCamera("Camera_X", 0, 1.5f);addCamera("Camera_Y", 1, 1.5f);addCamera("Camera_Z", 2, 1.5f);addCamera("Camera_ISO", 3, .75f);
}
5. 添加默认灯光

有时3DS文件中可能没有定义任何灯光，或者我们需要为场景添加额外的光源以改善渲染效果。以下是如何添加默认灯光的示例代码：

void addDefaultLights(Lib3dsFile *file, float cx, float cy, float cz, float size) {// 定义一个辅助函数来简化灯光创建过程auto addLight = [file, cx, cy, cz, size](const char* name, int type, float x, float y, float z) {Lib3dsLight *light = lib3ds_light_new(name);light->type = type;light->position[0] = x;light->position[1] = y;light->position[2] = z;// 设置灯光的颜色，默认为白色light->color[0] = 1.0f;light->color[1] = 1.0f;light->color[2] = 1.0f;// 如果是聚光灯，设置目标点if (type == LIB3DS_LIGHT_SPOT) {light->target[0] = cx;light->target[1] = cy;light->target[2] = cz;}// 插入到文件的灯光链表中lib3ds_file_insert_light(file, light);};// 添加一个泛光灯addLight("Default_Omni_Light", LIB3DS_LIGHT_OMNI, cx, cy + size, cz);// 添加一个聚光灯addLight("Default_Spot_Light", LIB3DS_LIGHT_SPOT, cx + size, cy, cz);// 可以根据需要添加更多的灯光
}

在加载完3DS文件之后，你可以检查是否存在灯光，并在必要时调用 addDefaultLights 函数来添加默认灯光：

if (!file->lights) {addDefaultLights(file, cx, cy, cz, size);
}
6. 遍历 3DS 文件

一旦加载了3DS文件，你可以遍历它的内容。lib3ds 库将不同类型的数据组织成以 file 为根节点的树状结构，而同类数据以链表的形式存放。你可以使用以下方式遍历3DS文件中的数据：

  • 遍历物体（Object）：file->objects
  • 遍历材质（Material）：file->materials
  • 遍历相机（Camera）：file->cameras
  • 遍历灯光（Light）：file->lights
  • 遍历关键帧（Keyframe）：这通常涉及到遍历物体并检查每个物体的关键帧数据。

例如，遍历物体的代码如下所示：

Lib3dsObject *object;
for (object = file->objects; object != NULL; object = object->next) {// 处理物体数据，例如打印物体名称或几何形状printf("Object name: %s\n", object->name);// 这里可以添加更多代码来处理物体的其他属性，例如顶点数据、材质等。
}
7. 释放资源

完成处理后，记得释放 lib3ds 库分配的资源。使用 lib3ds_file_free 函数来释放 Lib3dsFile 结构体。

lib3ds_file_free(file);

三、注意事项

  1. 错误处理：

    • 在实际应用中，你应该添加更多的错误处理代码来确保程序的健壮性。例如，检查 lib3ds_file_load 的返回值，并在失败时打印更详细的错误信息。

  2. 内存管理：

    • lib3ds 库会为你分配内存来存储3DS文件的内容。确保在完成处理后调用 lib3ds_file_free 来释放这些资源，以避免内存泄漏。

  3. 文件路径：

    • 确保你提供的3DS文件路径是正确的，并且文件具有读取权限。

  4. lib3ds 版本：

    • 不同版本的 lib3ds 库可能有不同的API和函数签名。确保你使用的代码与你的 lib3ds 库版本兼容。

四、完整示例代码

以下是一个完整的示例代码，展示了如何使用 lib3ds 库读取3DS文件并打印出其中的物体信息：

#include <stdio.h>
#include <lib3ds/lib3ds.h>void traverseObjects(Lib3dsFile *file) {Lib3dsObject *object;for (object = file->objects; object != NULL; object = object->next) {printf("Object name: %s\n", object->name);// 打印顶点数据if (object->mesh) {Lib3dsMesh *mesh = object->mesh;printf("  Vertices: %d\n", mesh->points);for (int i = 0; i < mesh->points; ++i) {printf("    Vertex %d: (%f, %f, %f)\n",i, mesh->pointL[i].v[0], mesh->pointL[i].v[1], mesh->pointL[i].v[2]);}// 打印面片数据printf("  Faces: %d\n", mesh->faces);for (int i = 0; i < mesh->faces; ++i) {Lib3dsFace *face = &mesh->faceL[i];printf("    Face %d: %d, %d, %d\n",i, face->points[0], face->points[1], face->points[2]);}}}
}int main() {const char *filename = "path/to/your/file.3ds";Lib3dsFile *file = lib3ds_file_load(filename);if (!file) {fprintf(stderr, "Failed to load 3DS file: %s\n", filename);return 1;}printf("Loaded 3DS file: %s\n", filename);// 获取模型的包围盒Lib3dsVector bmin, bmax;lib3ds_file_bounding_box_of_nodes(file, LIB3DS_TRUE, LIB3DS_FALSE, LIB3DS_FALSE, bmin, bmax);float sx = bmax[0] - bmin[0];float sy = bmax[1] - bmin[1];float sz = bmax[2] - bmin[2];float size = fmaxf(sx, fmaxf(sy, sz));float cx = (bmin[0] + bmax[0]) / 2;float cy = (bmin[1] + bmax[1]) / 2;float cz = (bmin[2] + bmax[2]) / 2;// 添加默认相机if (!file->cameras) {// 定义一个辅助函数来简化相机创建过程auto addCamera = [file, cx, cy, cz, size](const char* name, int axis, float offset) {Lib3dsCamera *camera = lib3ds_camera_new(name);camera->target[0] = cx;camera->target[1] = cy;camera->target[2] = cz;memcpy(camera->position, camera->target, sizeof(camera->position));switch(axis) {case 0: // X轴camera->position[0] = bmax[0] + offset * fmaxf(sy, sz);break;case 1: // Y轴camera->position[1] = bmin[1] - offset * fmaxf(sx, sz);break;case 2: // Z轴camera->position[2] = bmax[2] + offset * fmaxf(sx, sy);break;default: // ISOcamera->position[0] = bmax[0] + .75f * size;camera->position[1] = bmin[1] - .75f * size;camera->position[2] = bmax[2] + .75f * size;}camera->near_range = (camera->position[axis % 3] - (axis == 2 ? bmax[axis % 3] : bmin[axis % 3])) * .5f;camera->far_range = (camera->position[axis % 3] - (axis == 2 ? bmin[axis % 3] : bmax[axis % 3])) * 2.0f;lib3ds_file_insert_camera(file, camera);};// 添加四个相机addCamera("Camera_X", 0, 1.5f);addCamera("Camera_Y", 1, 1.5f);addCamera("Camera_Z", 2, 1.5f);addCamera("Camera_ISO", 3, .75f);}// 添加默认灯光if (!file->lights) {addDefaultLights(file, cx, cy, cz, size);}// 遍历并打印物体信息traverseObjects(file);// 释放资源lib3ds_file_free(file);return 0;
}

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