计算机图形学：实验四 带纹理的OBJ文件读取和显示

一、程序功能设计

在程序中读取带纹理的obj文件，载入相应的纹理图片文件，将带纹理的模型显示在程序窗口中。实现带纹理的OBJ文件读取与显示功能，具体设计如下：

OBJ文件解析与数据存储

通过实现TriMesh类中的readObj函数，解析OBJ文件中的顶点、法线、UV纹理坐标等信息，将其存储在指定的数据结构中：

1. vertex_positions：存储顶点几何坐标。
2. vertex_normals：存储顶点法线，用于光照计算。
3. vertex_textures：存储UV纹理坐标，用于纹理映射。
4. faces：存储面片顶点的索引信息，用于定义几何形状。
5. normal_index和texture_index：分别存储面片顶点对应的法线索引和纹理坐标索引。
   此外，由于OBJ文件不包含顶点颜色数据，本实验利用顶点法线的数值作为颜色数据进行渲染。

数据组织与存储逻辑完善
通过补全storeFacesPoints函数，进一步完善面片顶点的索引解析与数据存储过程：

1. 遍历面片数据，按顶点、法线、UV坐标的索引组织顶点信息。
2. 确保所有几何数据、法线数据和UV数据一一对应，以便后续渲染时正确应用纹理。

纹理加载与显示

在main.cpp文件中修改init函数，通过以下步骤实现带纹理模型的加载与显示：

1. 加载纹理图片文件并绑定到模型的UV坐标上。
2. 根据模型的顶点、法线、纹理坐标等数据渲染模型。
3. 显示玩偶和桌子模型，通过调整它们的位置与比例，生成合理的场景布局。

 实现效果

实现了多模型、多纹理的加载和显示功能。程序窗口中，带有纹理的玩偶模型和桌子模型正确显示，纹理映射效果清晰且无失真。

二、程序代码实现

补全TriMesh.cpp中的storeFacesPoints函数

通过补全storeFacesPoints函数，根据读取的模型数据，将三角面片的顶点属性（包括顶点位置、法线、颜色、纹理等）整理成适合传递给GPU的数据格式，为后续的渲染做准备。

顶点数据解析与存储（根据三角面片的索引将属性数据组织到GPU需要的格式）：遍历每个三角面片的数据，根据顶点的索引将顶点属性依次存入对应的容器（points、colors、normals、textures）。每个三角面片的顶点属性都要按照顶点索引依次写入。要注意的是：

1. faces：存储三角形面片的顶点索引。
2. color_index：存储面片顶点的颜色索引。
3. normal_index：存储面片顶点法线的索引。
4. texture_index：存储面片顶点纹理坐标的索引。

补全TriMesh.cpp中的generateDisk函数和generateCone函数

generateDisk 函数生成圆盘，生成一个圆盘的网格，包括底面和相应的三角面片。generateCone 函数生成圆锥，生成一个圆锥体的网格，包括底面和圆锥侧面。两个函数分别用来生成圆盘和圆锥体（同实验4.1），依赖于三角形扇形的方式来连接底面和顶部（尖端）的顶点，生成相应的三角面片。

• generateDisk 函数：

1. 生成顶点：使用循环计算每个切片的边界点（顶点坐标 x, y, z），其中 z 始终为 0（在 xy 平面上），并根据该顶点的法向量（法向量始终为 (0, 0, 1)）添加颜色（这里简化为与法向量相同的颜色）。在循环结束后，添加一个圆盘的中心点（顶点坐标为 (0, 0, 0)）。
2. 生成三角面片：使用三角形扇形的方式将每个切片连接起来，形成三角面片，通过 faces.push_back() 存储每个三角形的三个顶点索引。为每个顶点生成相应的纹理坐标，并存储索引。
3. 法向量和颜色设置：通过 normal_index 和 color_index 将每个三角面片的顶点与法向量和颜色的索引关联起来。

• generateCone 函数：

1. 生成底部顶点：使用循环计算圆锥底部的每个顶点坐标（x, y, z），其中 z 始终为 0。根据每个顶点位置生成法向量（平面上每个顶点的法向量为 (x, y, 0) 的归一化向量），并生成颜色（与法向量相同）。
2. 添加圆锥的顶点：圆锥顶端添加一个顶点，坐标为 (0, 0, height)，法向量为 (0, 0, 1)。
3. 生成圆锥侧面三角面片：每两个相邻的底面顶点和圆锥顶点连接，形成一个三角形。通过 faces.push_back() 将每个侧面三角形的三个顶点索引存储起来。对每个三角面片的三个顶点生成纹理坐标并存储。
4. 法向量和颜色设置：通过 normal_index 和 color_index 将三角面片与法向量、颜色的索引关联起来。

最终，所有的顶点、法向量、颜色、纹理坐标和面片索引通过 storeFacesPoints() 存储起来，以便后续使用。

补全TriMesh.cpp中的readObj函数

readObj函数实现了从 .obj 文件中读取三维模型的顶点数据、法向量数据、纹理坐标数据和面片数据，并将这些数据存储在类的成员变量中，供后续的渲染或计算使用。需要补充的代码逻辑如下：

• 解析每一行的数据：

1. 顶点数据 ("v")：读取顶点坐标（x, y, z），将其存入 vertex_positions 向量中。
2. 法向量数据 ("vn")：读取法向量坐标（x, y, z），将其存入 vertex_normals 向量中。
3. 纹理坐标数据 ("vt")：读取纹理坐标（x, y），将其存入 vertex_textures 向量中。
4. 面数据 ("f")：读取面数据，包含三个顶点的索引（顶点、纹理和法向量索引），这些索引会被转换为从0开始的索引，并存储在 faces、texture_index、normal_index 中。

• 处理面数据：

每一行的面数据包含三个顶点，使用索引（如 a0, b0, c0）来表示这些顶点在对应的数组中的位置。索引是从1开始的，因此需要将其减去1来转换为从0开始的索引。

• 顶点颜色和法向量同步：

在 vertex_colors 中存储的是法向量（即 vertex_normals），因为通常情况下法向量用作顶点的颜色。

补全main.cpp中的init函数

在init() 函数加载桌子和娃娃的三维模型，并根据指定的平移、旋转和缩放变换进行调整。将这些模型添加到绘制管线（painter）中，供渲染使用。

• 加载并设置桌子模型

1. 创建一个新的 TriMesh 对象 table，并读取桌子模型文件 table.obj。
2. 通过 setNormalize(true) 方法确保模型数据被归一化。
3. 使用 readObj("./assets/table.obj") 函数加载桌子的几何数据。
4. 设置桌子的平移（setTranslation）、旋转（setRotation）、缩放（setScale）变换。

平移：glm::vec3(-0.7, 0.0, 0.0) 将桌子稍微平移。

旋转：glm::vec3(-90.0, 0.0, 0.0) 将桌子旋转 -90 度。

缩放：glm::vec3(2.0, 2.0, 2.0) 放大桌子的大小。

将桌子模型添加到 painter 中，通过 painter->addMesh 方法加载模型并指定纹理和着色器。

加载并设置娃娃模型

1. 创建一个新的 TriMesh 对象 wawa，并读取娃娃模型文件 wawa.obj。
2. 同样通过 setNormalize(true) 方法归一化模型数据，并使用 readObj("./assets/wawa.obj") 函数加载娃娃的几何数据。
3. 设置娃娃的平移、旋转和缩放变换：

平移：glm::vec3(0.7, 0.0, 0.0) 将娃娃平移。

旋转：glm::vec3(-90.0, 0.0, 0.0) 旋转 -90 度。

缩放：glm::vec3(2.0, 2.0, 2.0) 放大娃娃的大小。

将娃娃模型添加到 painter 中，指定纹理和着色器。

三、程序运行结果

运行程序初始界面

进行水平方向左右旋转

进行竖直方向旋转