多个obj格式三维模型文件的合并方法

三维建模时一般会将较大的场景分成多个小模型输出，但在后期处理时，多个小模型处理起来会比较直接处理整个场景大模型更麻烦。今天通过4个示例小模型，介绍一下本人的小模型合并方法。

obj格式是一种常见的三维模型格式，每个obj模型一般由xxx.obj的模型文件、xxx.mtl材质信息文件、xxx.jpg纹理贴图文件组成。

其中xxx文件名是一致的，一般1个obj模型文件对应1个mtl文件，对应1张或多张贴图文件。下图是一个obj文件组织示例。

一 meshlab软件合并

1. 将所有需要合并的小模型导入meshlab软件，此处导入4个示例模型，4个在空间上是相邻的，此处只显示了其中2个。

2. 模型合并，此处4个模型合并为了一个，操作步骤如图。

3. 后面就可以导出合并结果了。

二 代码处理

meshlab软件可以很简单的合并与导出模型，但是我需要一些特定的内容格式以及文件和纹理贴图命名格式。这时，软件导出就无法满足我的需求了。

1. 问题分析

以示例文件为例，一共有4个模型，对应4个模型文件，4个材质文件，8张纹理贴图。我需要把4个obj文件合并为1个，4个mtl文件合并为1，以及对应的贴图文件重新命名。

用记事本打开obj模型文件，可发现每个模型文件可分为3大块。

第1块是点坐标，每行记录一个点，分别记录了x，y，z三维坐标；

第2块是纹理点坐标，记录每个点的纹理贴图信息；

第3块是三角面片信息，每行记录了一个三角面片，以及每个面片3个点的顶点编号和纹理点编号。编号即每个顶点所对应的点是点坐标块里的第几个点、所对应的纹理点是纹理坐标块里的第几个纹理。

用记事本打开mtl材质文件，里面主要记录了对应的纹理贴图名称，以及显示的时候所采用的光照信息。

2.方案设计

（1）文件读取

每个模型是以Tile_+i_+j命名的，所以，可以嵌套两个循环来读取模型，不过由于模型名称不连续，两个for循环的时候，可能会产生不存在的文件名，这时要增加异常处理。

（2）数据存储与改写

定义模型点、纹理点、三角面片三个类。

循环读取4个模型，将每个模型的顶点存储为模型点对象，存入一个vector；

同理将所有纹理点存入一个vector；

难点在读取面片的时候，由于每个文件里面的面片所记录的模型点编号是相对于本文件的编号。在模型合并时，纹理点与顶点合并后，数量是成倍数增长的。对于第一个读取的模型的面片来说，由于是先读先写，所以编号未变；对于后面读取的模型的面片来说，顶点编号就要加上之前读取的所有模型的顶点数量之和，纹理点编号同理。处理好后，将面片存入vector。

搞清楚这些问题，就可以开始设计代码了。

3.代码设计

代码头head.h文件里定义了三个类，编写了一个obj模型输出函数：

#pragma once
#include <vector>

using namespace std;
class Vertex
{
public:
  double x, y, z;
};

class Texture
{
public:
  double col, row;
};

//面片声明
class Face
{
public:
  vector<int> vertexId = vector<int>(3);
  vector<int> textureId = vector<int>(3);
  int textureImageId;
};

void writeObj(vector<Face> thisMesh, const char *outPutFilename, vector<Vertex> vertexVector, vector<Texture> textureVector, int thisTetureImageNums)
{
  FILE  *fp_outPut_mesh;
  fp_outPut_mesh = fopen(outPutFilename, "w+");
  fputs("mtllib Model.mtl\n", fp_outPut_mesh);
  for (int i = 0; i < vertexVector.size(); i++)
  {
    fprintf(fp_outPut_mesh, "v %e %e %e\n", vertexVector[i].x, vertexVector[i].y, vertexVector[i].z);
  }
  for (int i = 0; i < textureVector.size(); i++)
    fprintf(fp_outPut_mesh, "vt %e %e\n", textureVector[i].col, textureVector[i].row);
  for (int textureImageId = 0; textureImageId <= thisTetureImageNums; textureImageId++)
  {
    fprintf(fp_outPut_mesh, "usemtl Model_%d\n", textureImageId);
    for (vector<Face>::iterator iter = thisMesh.begin(); iter != thisMesh.end(); iter++)
    {
      if ((*iter).textureImageId == textureImageId)
        fprintf(fp_outPut_mesh, "f %d/%d %d/%d %d/%d\n", (*iter).vertexId[0], (*iter).textureId[0], (*iter).vertexId[1], (*iter).textureId[1], (*iter).vertexId[2], (*iter).textureId[2]);
    }

  }
  fputs("usemtl Model_untextured\n", fp_outPut_mesh);
  fclose(fp_outPut_mesh);
}

主文件main.cpp建立了存放数据的vector，写了个大循环，并添加了模型不存在就跳过继续执行的异常处理：

#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <fstream>

#include "head.h"
using namespace std;
using namespace cv;


int main()
{
  cout << "开始处理" << endl << endl;
  //循环读取的分块的obj、mtl文件
  FILE *fp_inObjFile;
  FILE *fp_inMtlFile;
  const char *constCharInObjFileName;
  const char *constCharInMtlFileName;
  //输出的mtl文件
  FILE *fp_outMtlFile;
  fp_outMtlFile = fopen(".\\result\\Model.mtl", "w+");
  //行列号的最大最小值
  int minCol = 1;
  int maxCol = 14;
  int minRow = 1;
  int maxRow = 6;
  //当前累计顶点数、纹理点数，用于调整之后面片的顶点纹理点编号
  int v_sum = 0, vt_sum = 0;
  //创建面片时统计对应的图片编号
  int totalTextureImageNum = -1;
  //新建存放顶点、纹理点、面片的容器
  vector<Face> totalMesh;
  vector<Vertex> VERTEX;
  vector<Texture> TEXTURE;
  vector<int> f(6);
  
  //统计纹理图片个数、分块模型个数
  int modelNum = 0;
  int jpgNum = 0;

  //开始循环
  for (int i = minCol; i <= maxCol; i++)
  {
    for (int j = minRow; j <= maxRow; j++)
    {
      //读取obj、mtl文件并解析，文件名经数据类型转换后读入
      char inObjFileName[100];
      sprintf(inObjFileName, ".\\data\\Tile_+%03d_+%03d.obj", i, j);
      string stringInObjFileName(inObjFileName);
      constCharInObjFileName = stringInObjFileName.c_str();

      char inMtlFileName[100];
      sprintf(inMtlFileName, ".\\data\\Tile_+%03d_+%03d.mtl", i, j);
      string stringInMtlFileName(inMtlFileName);
      constCharInMtlFileName = stringInMtlFileName.c_str();

      fp_inObjFile = fopen(constCharInObjFileName, "r+");
      fp_inMtlFile = fopen(constCharInMtlFileName, "r+");


      //统计每个小模型里面数据量
      int v_Num = 0, vt_Num = 0, f_Num = 0, u_Num = 0;
      char temp[100] = { "\0" }, temp1[100] = { "\0" }, temp2[100] = { "\0" }, temp3[100] = { "\0" };

      //增加异常处理
      fstream file1;
      file1.open(inObjFileName, ios::in);
      if (!file1)
      {
        //不存在的文件编号跳过
        cout << inObjFileName << "不存在" << endl;
      }
      else
      {
        //存在的进行处理，先处理obj文件
        while (!feof(fp_inObjFile))
        {
          fgets(temp, 100, fp_inObjFile);
          if (temp[0] == 'v' && temp[1] != 't')
            v_Num++;
          if (temp[0] == 'v' && temp[1] == 't')
            vt_Num++;
          if (temp[0] == 'f')
            f_Num++;
          if (temp[0] == 'u'&&temp[22] != 'u')
            u_Num++;
        }

        rewind(fp_inObjFile);

        cout << v_Num << "    " << vt_Num << "    " << f_Num << endl;
        fgets(temp1, 100, fp_inObjFile);

        //读取顶点
        for (int i = 0; i < v_Num; i++)
        {
          Vertex v_tmp;
          fscanf(fp_inObjFile, "%s %lf %lf %lf", temp, &v_tmp.x, &v_tmp.y, &v_tmp.z);
          VERTEX.push_back(v_tmp);
        }

        //读取纹理点
        for (int i = 0; i < vt_Num; i++)
        {
          Texture t_tmp;
          fscanf(fp_inObjFile, "%s %lf %lf", temp, &t_tmp.col, &t_tmp.row);
          TEXTURE.push_back(t_tmp);
        }

        //读取面片并重新编号
        while (!feof(fp_inObjFile))
        {
          fscanf(fp_inObjFile, "%s %d/%d %d/%d %d/%d", temp, &f[0], &f[1], &f[2], &f[3], &f[4], &f[5]);
          if (temp[0] == 'u')
          {
            totalTextureImageNum += 1;
          }

          if (temp[0] == 'f')
          {

            f[0] += v_sum;
            f[1] += vt_sum;
            f[2] += v_sum;
            f[3] += vt_sum;
            f[4] += v_sum;
            f[5] += vt_sum;

            Face f_tmp;
            f_tmp.vertexId[0] = f[0];
            f_tmp.textureId[0] = f[1];
            f_tmp.vertexId[1] = f[2];
            f_tmp.textureId[1] = f[3];
            f_tmp.vertexId[2] = f[4];
            f_tmp.textureId[2] = f[5];
            f_tmp.textureImageId = totalTextureImageNum;

            totalMesh.push_back(f_tmp);
          }
        }

        v_sum += v_Num;
        vt_sum += vt_Num;
        totalTextureImageNum -= 1;
        modelNum += 1;

        cout << "第" << modelNum << "个子模型obj文件读取完毕，开始处理对应的材质文件" << endl << endl;

        //处理mtl文件
        while (!feof(fp_inMtlFile))
        {
          fgets(temp, 100, fp_inMtlFile);
          if (temp[0] == 'n'&&temp[22] != 'u')//此处判断mtl材质中每张材质图声明的第一行，是声明就读取图像处理
          {
            char rawJpgName[30] = { "\0" };
            strncpy(rawJpgName, temp + 7, 22);
            for (int i = 0; i <= 30; i++)
            {
              if (rawJpgName[i] == '\n')
                rawJpgName[i] = '\0';
            }

            //纹理图片文件名称处理
            string totalRawJpgName(rawJpgName);
            totalRawJpgName.append(".jpg");
            string pathTotalRawJpgName = ".\\data\\";
            pathTotalRawJpgName.append(totalRawJpgName);
            char charTotalName[40];
            strcpy(charTotalName, pathTotalRawJpgName.c_str());

            //读取并输出
            Mat img = imread(charTotalName);
            char texture_pic_out[100] = { "\0" };
            sprintf(texture_pic_out, ".\\result\\Model_%d.jpg", jpgNum);
            imwrite(texture_pic_out, img);
            jpgNum++;

          }
        }      
      }
    }
  }


  //输出mtl纹理
  for (int i = 0; i < jpgNum; i++)
  {
    fprintf(fp_outMtlFile, "newmtl Model_%d\n", i);
    fputs("Ka 1 1 1\n", fp_outMtlFile);
    fputs("Kd 1 1 1\n", fp_outMtlFile);
    fputs("d 1\n", fp_outMtlFile);
    fputs("Ns 0\n", fp_outMtlFile);
    fputs("illum 1\n", fp_outMtlFile);
    fprintf(fp_outMtlFile, "map_Kd Model_%d.jpg\n", i);
  }
  fputs("newmtl Model_untextured\n", fp_outMtlFile);
  fputs("Ka 0.501961 0.501961 0.501961\n", fp_outMtlFile);
  fputs("Kd 0.501961 0.501961 0.501961\n", fp_outMtlFile);
  fputs("d 1\n", fp_outMtlFile);
  fputs("Ns 0\n", fp_outMtlFile);
  fputs("illum 1\n", fp_outMtlFile);
  fclose(fp_outMtlFile);

  //输出obj模型
  writeObj(totalMesh, ".\\result\\Model.obj", VERTEX, TEXTURE, totalTextureImageNum);



}

代码运行输出如下：

合并前：

合并后：

写在后面：由于时间有限，很多细节方面并没有说得很明白，代码为最早期的版本，实现的比较粗糙，注释可能也不甚详细。

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对此方面感兴趣的朋友可以后台私信，我们一起交流，共同进步。

关于作者：GIS小硕一枚，研究方向为无人机遥感数据处理。

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