OpenGL模型加载之网格类

参考：

https://learnopenglcn.github.io/03%20Model%20Loading/02%20Mesh/
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使用Assimp，我们可以加载不同的模型到程序中，但是载入后它们都被储存为Assimp的数据结构。我们最终仍要将这些数据转换为OpenGL能够理解的格式，这样才能渲染这个物体.

网格(Mesh)代表的是单个的可绘制实体，我们现在先来定义一个我们自己的网格类.
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一个网格应该至少需要一系列的顶点，每个顶点包含一个位置向量、一个法向量和一个纹理坐标向量。
一个网格还应该包含用于索引绘制的索引以及纹理形式的材质数据（漫反射/镜面光贴图

有了一个网格类的最低需求，我们可以在OpenGL中定义一个顶点了：

struct Vertex {
    glm::vec3 Position;
    glm::vec3 Normal;
    glm::vec2 TexCoords;
};

将所有需要的向量储存到一个叫做Vertex的结构体中，我们可以用它来索引每个顶点属性。
除了Vertex结构体之外，我们还需要将纹理数据整理到一个Texture结构体中.

struct Texture 
{
    unsigned int id;
    string type;
};

储存了纹理的id以及它的类型，比如是漫反射贴图或者是镜面光贴图

定义网格类的结构:

class Mesh {
    public:
        /*  网格数据  */
        vector<Vertex> vertices;
        vector<unsigned int> indices;
        vector<Texture> textures;
        /*  函数  */
        Mesh(vector<Vertex> vertices, vector<unsigned int> indices, vector<Texture> textures);
        void Draw(Shader shader);
    private:
        /*  渲染数据  */
        unsigned int VAO, VBO, EBO;
        /*  函数  */
        void setupMesh();
};  

构造器中，所有必须的数据赋予了网格,在setupMesh函数中初始化缓冲，并最终使用Draw函数来绘制网格
注意我们将一个着色器传入了Draw函数中，将着色器传入网格类中可以让我们在绘制之前设置一些uniform（像是链接采样器到纹理单元）。
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构造器的内容非常易于理解。我们只需要使用构造器的参数设置类的公有变量就可以了。我们在构造器中还调用了setupMesh函数：

Mesh(vector<Vertex> vertices, vector<unsigned int> indices, vector<Texture> textures)
{
    this->vertices = vertices;
    this->indices = indices;
    this->textures = textures;

    setupMesh();
}

初始化

有了构造器，我们现在有一大列的网格数据用于渲染。在此之前我们还必须配置正确的缓冲，并通过顶点属性指针定义顶点着色器的布局,但我们这次会稍微有一点变动，使用结构体中的顶点数据：

void setupMesh()
{
    glGenVertexArrays(1, &VAO);
    glGenBuffers(1, &VBO);
    glGenBuffers(1, &EBO);

    glBindVertexArray(VAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertices.size() * sizeof(Vertex), &vertices[0], GL_STATIC_DRAW);  

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.size() * sizeof(unsigned int), 
                 &indices[0], GL_STATIC_DRAW);

    // 顶点位置
    glEnableVertexAttribArray(0);   
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)0);
    // 顶点法线
    glEnableVertexAttribArray(1);   
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Normal));
    // 顶点纹理坐标
    glEnableVertexAttribArray(2);   
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, TexCoords));

    glBindVertexArray(0);
}  

C++结构体有一个很棒的特性，它们的内存布局是连续的.
比如说，如果我们有一个填充后的Vertex结构体，那么它的内存布局将会等于:

Vertex vertex;
vertex.Position  = glm::vec3(0.2f, 0.4f, 0.6f);
vertex.Normal    = glm::vec3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
vertex.TexCoords = glm::vec2(1.0f, 0.0f);
// = [0.2f, 0.4f, 0.6f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f];

结构体的另外一个很好的用途是它的预处理指令offsetof(s, m)，它的第一个参数是一个结构体，第二个参数是这个结构体中变量的名字。这个宏会返回那个变量距结构体头部的字节偏移量(Byte Offset)

渲染

需要为Mesh类定义最后一个函数，它的Draw函数。在真正渲染这个网格之前，我们需要在调用glDrawElements函数之前先绑定相应的纹理。然而，这实际上有些困难，我们一开始并不知道这个网格（如果有的话）有多少纹理、纹理是什么类型的。所以我们该如何在着色器中设置纹理单元和采样器呢

为了解决这个问题，我们需要设定一个命名标准：每个漫反射纹理被命名为texture_diffuseN，每个镜面光纹理应该被命名为texture_specularN，其中N的范围是1到纹理采样器最大允许的数字。比如说我们对某一个网格有3个漫反射纹理，2个镜面光纹理，它们的纹理采样器应该之后会被调用:

uniform sampler2D texture_diffuse1;
uniform sampler2D texture_diffuse2;
uniform sampler2D texture_diffuse3;
uniform sampler2D texture_specular1;
uniform sampler2D texture_specular2;

根据这个标准，我们可以在着色器中定义任意需要数量的纹理采样器，如果一个网格真的包含了（这么多）纹理，我们也能知道它们的名字是什么。

最终的渲染代码是这样的：

void Draw(Shader shader) 
{
    unsigned int diffuseNr = 1;
    unsigned int specularNr = 1;
    for(unsigned int i = 0; i < textures.size(); i++)
    {
        glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i); // 在绑定之前**相应的纹理单元
        // 获取纹理序号（diffuse_textureN 中的 N）
        string number;
        string name = textures[i].type;
        if(name == "texture_diffuse")
            number = std::to_string(diffuseNr++);
        else if(name == "texture_specular")
            number = std::to_string(specularNr++);

        shader.setFloat(("material." + name + number).c_str(), i);
        glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textures[i].id);
    }
    glActiveTexture(GL_TEXTURE0);

    // 绘制网格
    glBindVertexArray(VAO);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
    glBindVertexArray(0);
}

先计算了每个纹理类型的N-分量，并将其拼接到纹理类型字符串上，来获取对应的uniform名称。接下来我们查找对应的采样器，将它的位置值设置为当前**的纹理单元，并绑定纹理。这也是我们在Draw函数中需要着色器的原因。我们也将"material."添加到了最终的uniform名称中，因为我们希望将纹理储存在一个材质结构体中（这在每个实现中可能都不同）。

完整代码如下：

#ifndef MESH_H
#define MESH_H

#include <glad/glad.h> // holds all OpenGL type declarations

#include <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>

#include "shader.h"

#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

struct Vertex {
	// position
	glm::vec3 Position;
	// normal
	glm::vec3 Normal;
	// texCoords
	glm::vec2 TexCoords;
	// tangent
	glm::vec3 Tangent;
	// bitangent
	glm::vec3 Bitangent;
};

struct Texture {
	unsigned int id;
	string type;
	string path;
};

class Mesh {
public:

	vector<Vertex> vertices;
	vector<unsigned int> indices;
	vector<Texture> textures;
	unsigned int VAO;


	Mesh(vector<Vertex> vertices, vector<unsigned int> indices, vector<Texture> textures)
	{
		this->vertices = vertices;
		this->indices = indices;
		this->textures = textures;


		setupMesh();
	}


	void Draw(Shader shader)
	{

		unsigned int diffuseNr = 1;
		unsigned int specularNr = 1;
		unsigned int normalNr = 1;
		unsigned int heightNr = 1;
		for (unsigned int i = 0; i < textures.size(); i++)
		{
			glActiveTexture(GL_TEXTURE0 + i); // active proper texture unit before binding
			// retrieve texture number (the N in diffuse_textureN)
			string number;
			string name = textures[i].type;
			if (name == "texture_diffuse")
				number = std::to_string(diffuseNr++);
			else if (name == "texture_specular")
				number = std::to_string(specularNr++); 
			else if (name == "texture_normal")
				number = std::to_string(normalNr++); 
			else if (name == "texture_height")
				number = std::to_string(heightNr++); 


			glUniform1i(glGetUniformLocation(shader.ID, (name + number).c_str()), i);
			glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textures[i].id);
		}


		glBindVertexArray(VAO);
		glDrawElements(GL_TRIANGLES, indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
		glBindVertexArray(0);

		// always good practice to set everything back to defaults once configured.
		glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
	}

private:
	/*  Render data  */
	unsigned int VBO, EBO;

	/*  Functions    */
	// initializes all the buffer objects/arrays
	void setupMesh()
	{
		// create buffers/arrays
		glGenVertexArrays(1, &VAO);
		glGenBuffers(1, &VBO);
		glGenBuffers(1, &EBO);

		glBindVertexArray(VAO);
		// load data into vertex buffers
		glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
		// A great thing about structs is that their memory layout is sequential for all its items.
		// The effect is that we can simply pass a pointer to the struct and it translates perfectly to a glm::vec3/2 array which
		// again translates to 3/2 floats which translates to a byte array.
		glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertices.size() * sizeof(Vertex), &vertices[0], GL_STATIC_DRAW);

		glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
		glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.size() * sizeof(unsigned int), &indices[0], GL_STATIC_DRAW);

		// set the vertex attribute pointers
		// vertex Positions
		glEnableVertexAttribArray(0);
		glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)0);
		// vertex normals
		glEnableVertexAttribArray(1);
		glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Normal));
		// vertex texture coords
		glEnableVertexAttribArray(2);
		glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, TexCoords));
		// vertex tangent
		glEnableVertexAttribArray(3);
		glVertexAttribPointer(3, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Tangent));
		// vertex bitangent
		glEnableVertexAttribArray(4);
		glVertexAttribPointer(4, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(Vertex), (void*)offsetof(Vertex, Bitangent));

		glBindVertexArray(0);
	}
};
#endif