VulkanTutorial教程：模型加载与顶点数据优化-优快云博客

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VulkanTutorial教程：模型加载与顶点数据优化

VulkanTutorial Tutorial for the Vulkan graphics and compute API 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/vu/VulkanTutorial

引言

在前面的章节中，我们已经实现了纹理贴图的3D网格渲染，但使用的几何数据仍然非常简单。本章将介绍如何在Vulkan应用程序中加载真实的3D模型数据，让GPU处理更复杂的渲染任务。

为什么选择OBJ格式

OBJ是一种常见的3D模型文件格式，它具有以下特点：

采用ASCII编码，易于阅读和调试
支持顶点位置、法线、纹理坐标等基本属性
广泛支持各种3D建模软件

不过OBJ格式也有局限性，比如不支持骨骼动画等高级特性。因此我们主要关注如何将模型数据集成到Vulkan管线中，而不是深入解析文件格式。

准备工作

1. 引入tinyobjloader库

我们使用tinyobjloader库来加载OBJ文件，这个库有以下优势：

单文件实现，集成简单
性能较好
支持自动三角化处理

2. 准备示例模型

我们使用一个维京小屋的3D扫描模型作为示例，这个模型已经包含了光照烘焙效果，适合我们的演示场景。模型需要满足以下条件：

只包含单一材质
尺寸约为1.5×1.5×1.5单位
纹理采用标准UV映射

实现模型加载

1. 数据结构调整

首先需要调整顶点和索引数据的存储方式：

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

注意将索引类型从uint16_t改为uint32_t，以支持更多顶点。

2. 加载模型文件

实现loadModel函数来加载OBJ数据：

void loadModel() {
    tinyobj::attrib_t attrib;
    std::vector<tinyobj::shape_t> shapes;
    std::vector<tinyobj::material_t> materials;
    std::string err;
    
    if (!tinyobj::LoadObj(&attrib, &shapes, &materials, &err, MODEL_PATH.c_str())) {
        throw std::runtime_error(err);
    }
}

3. 解析模型数据

OBJ文件包含以下主要数据：

顶点位置(attrib.vertices)
法线(attrib.normals)
纹理坐标(attrib.texcoords)
面数据(shapes.mesh.indices)

我们需要遍历所有形状和面，提取顶点数据：

for (const auto& shape : shapes) {
    for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
        Vertex vertex{};
        // 填充顶点位置、纹理坐标等数据
        vertices.push_back(vertex);
        indices.push_back(indices.size());
    }
}

4. 处理纹理坐标

OBJ格式的纹理坐标Y轴方向与Vulkan相反，需要进行翻转：

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

顶点数据优化

1. 顶点去重问题

直接加载的模型数据包含大量重复顶点，这会浪费显存和带宽。我们需要实现顶点去重，利用索引缓冲区重用相同顶点。

2. 实现去重算法

使用哈希表记录已存在的顶点：

std::unordered_map<Vertex, uint32_t> uniqueVertices{};

for (const auto& shape : shapes) {
    for (const auto& index : shape.mesh.indices) {
        Vertex vertex{};
        // 填充顶点数据...
        
        if (uniqueVertices.count(vertex) == 0) {
            uniqueVertices[vertex] = static_cast<uint32_t>(vertices.size());
            vertices.push_back(vertex);
        }
        indices.push_back(uniqueVertices[vertex]);
    }
}

3. 自定义顶点哈希函数

为了使Vertex结构体能作为哈希表键，需要实现相等比较和哈希计算：

// 相等运算符重载
bool operator==(const Vertex& other) const {
    return pos == other.pos && color == other.color && texCoord == other.texCoord;
}

// 哈希函数特化
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);
        }
    };
}