Экспорт анимированных 3D персонажей из 3D STUDIO MAX 3.0 для DELPHI и OpenGL

2004 г.

Экспорт анимированных 3D персонажей из 3D STUDIO MAX 3.0 для DELPHI и OpenGL

Иван Дышленко, «Королевство Delphi»

Часть I

В данной статье излагается материал о проблемах связанных с созданием анимированных 3D пресонажей в приложениях использующих OpenGl. Статья расчитана в основном на продвинутого читателя. Для наилучшего восприятия желательно иметь опыт работы со средой программирования Delphi, а также весьма не помешает знать библиотеку OpenGL, графический пакет 3D Studio Max и его расширение Character Studio. Все это требуется потому, что данная статья не является справочником ни по одному из указанных инструментов и содержит описание только тех действий, которые необходимо выполнить для экспорта персонажей из 3D Studio Max и вывода их на экран средствами Delphi и OpenGL.

Введение

В свое время я здорово помучался, решая вопрос - каким же образом создатели игр ухитряются делать трехмерные персонажи двигающиеся в реальном времени. Я предположил, что части тела у персонажей отделены от основного тела, что позволяет независимо поворачивать и перемещать их. Знаете, в Direct3D даже есть понятие фрейма, фрейм - это основное тело, к нему прикрепляются другие тела. Когда фрейм движется, прикрепленные к нему объекты движутся вместе с ним, кроме того, прикрепленные объекты могут двигаться и самостоятельно не влияя на движение фрейма. Все это замечательно подходит для создания механических объектов и персонажей, но совершенно не годится для создания объектов живого мира. Для таких объектов характерна плавность линий и отсутствие изломов на местах стыков частей объекта. Создатели компьютерных игр замечательно решили эту проблему.

Как создается двумерная анимация? Рисуется несколько кадров движения, затем поледовательно выводятся на экран и таким образом создается иллюзия движения. То же самое происходит в современных трехмерных компьютерных играх. Создается несколько 3D моделей (сеток), характеризующих фазы движения персонажа в различные моменты времени, затем поледовательно выводятся на экран, создавая иллюзию движения. Возможно, это приводит к повышенному расходу оперативной памяти, поскольку все сетки желательно хранить в памяти, но зато значительно упрощается процесс программирования и, скорее всего, увеличивается скорость работы приложения.

Следующая проблема возникла при попытке экспорта объектов из 3D Studio Max в какой-либо открытый формат, например DXF. Нет ничего сложного в создании трехмерного персонажа с последующей его анимаций, если пользоваться 3D Studio и Character Studio, вся проблема состоит в том, как экспортировать объект чтобы потом файл с сетками объекта можно было использовать в своем приложении. Для этого требуется покадровый экспорт анимированного персонажа, то есть в итоге должен получится файл, содержащий несколько сеток объекта изображающих фазы движений объекта в различные моменты времени, или несколько файлов содержащих одну сетку соответствующую определенному кадру движения. Однако, несмотря на обилие поддерживаемых форматов файлов, 3D Studio Max не обладает возможностью покадрового экспорта трехмерных объектов. Так, напрмер, файл формата 3DS может хранить информацию о положении объекта, его повороте и масштабе, но не в состоянии сохранять деформации сетки в различных кадрах анимации, а именно это нам и нужно. Про файлы формата DXF и ASC даже говорить в данном случае смешно. Я объясню, почему нам нужно сохранять именно деформацию сетки. Дело в том, что наш объект должен состоять из единой, цельной сетки, а не из нескольких объектов, чтобы не было стыков на местах соединений конечностей с телом. Создать анимацию, так чтобы персонаж мог двигать своими конечностями, в этом случае, можно только деформируя сетку, а именно перемещая одни вершины сетки относительно других. Так, например, чтобы персонаж поднял руку нужно переместить вершины руки вверх относительно вершин тела. Теперь, я надеюсь, все понятно? Итак, оказалось, что 3DStudio не в состоянии сохранить подобную анимацию. Однако, не все так печально. Например, есть такой дополнительный модуль для 3DStudio, называется Bones Pro Max, а у него есть инструмент SnapShot, который позволяет делать снимки различных кадров движения объекта. В результате его работы у Вас на рабочем поле 3D Studio Max появляется целое стадо одинаковых трехмерных объектов в различных позах. Правду сказать, я его не нашел, да и выпущен он был уже давно еще под первую версию 3D Studio Max. Поэтому я решил идти другим путем и окунулся во внутренний язык 3D Studi Max - Max Script. Результатом моей деятельности стала простенькая утилита Meshes Export for Games and Animation (MEGA), которая позволяет делать все, о чем я сказал выше и некоторые другие полезные вещи.

Знакомство с утилитой MEGA V 1.0

Для ознакомления с этой утилитой Вам понадобится графический пакет 3D Studio Max 3.0 и, собственно, сама утилита. Она расположена в папке Utility и называется MEGA.ms. Это не исполняемый файл, а текстовый файл с набором команд для 3D Studio Max написанных на языке Max Script.

Сфера Запустите 3D Studio Max и создайте простой объект - сферу. Я полагаю, что даже те, кто никогда не видел этого графического редактора, без труда справятся с таким простым заданием.

Теперь, щелкайте на сфере правoй кнопкой мыши пока не появится контекстное меню. Как правило, с первого раза оно не появляется. В контекстном меню выберите строку Convert to Editable Mesh (Преобразовать в Редактируемую Сетку). Обратите внимание: объект, непременно, должен быть Редактируемой Сеткой, если в выходном файле мы хотим получить список вершин и граней, иначе мы получим имя объекта и его свойства, такие как, радиус, количество сегментов - для сферы, высоту, ширину и глубину - для параллелепипеда и т.д.

Командная панель Перейдите на командную панель (она расположена справа) и выберите вкладку с изображением молотка. Это вкладка утилит. Нажмите кнопку MAXScript, внизу панели развернется свиток MAXScript'a. Нажмите кнопку Запуск Макроса, появится диалоговое окно открытия файла. Запустите файл MEGA.ms. Внизу командной панели в списке утилит должна появится надпись MEGA, однако это еще не означает, что утилита уже запущена. Чтобы ее запустить, необходимо раскрыть спиок утилит и выделить строку MEGA. Внизу панели должен раскрыться свиток MEGA.

Диалог экспорта Введите в поле From зачение 1, в поле To - 100, в поле Step - 100. Нажмите кнопку Save As..., в диалоговом окне введите имя файла, куда бдете сохранять и нажмите кнопку сохранить. Объект экспортирован в файл с расширением GMS.

Как работает утилита: При экспорте файла, берется значение из поля From и ползунок счетчика кадров расположенный внизу экрана премещается на позицию, соответствующую этому значению. Затем в выходной файл экспортируется объект в том виде, в каком он пребывает на данный момент на экране. После чего снова передвигается ползунок кадров на величину, введенную в поле Step. Снова записывается модель соответствующая этому кадру. И так до тех пор, пока ползунок не переместится на позицию соответствующую значению, введенному в поле To. Поскольку в данном примере мы не создавали анимацию, то нам нужен был только один кадр. Утилита экспортировала кадр №1, затем добавила к нему значение 100. Номер кадра стал равен 101. Поскольку это значение больше значения введенного в поле To, процесс экспорта на этом остановился. Если бы в поле From было введено значение 0, то было бы экспортировано 2 кадра с номерами 0 и 100 соответственно. Если пометить галочкой опцию Selected Only, то экспортироваться будут только выделенные объекты, это иногда бывает очень нужно, в противном случае будут экспортированы все объекты сцены. Теперь рекомендую рассмотреть формат файла GMS.

Формат файла GMS

Файл GMS это текстовый файл открытого формата, что означает, что даже человек не знакомый с его описанием может создать приложение, считывающее из него информацию. Тем не менее, приведу на всякий случай описание этого файла.

New object // Указывает на начало нового объекта, 
           // следующая строка указывает тип объекта

TriMesh() // Объект - сетка

     numverts numfaces // Указывает, что следующая строка 
                       // содержит количество вершин 
                       // и граней для данного объекта

Mesh vertices:

     // Здесь располагается блок вершин объекта 
     // в виде координат X Y Z

end vertices

Mesh faces:

     // Здесь располагается блок граней объекта в виде 
     // индексов 1 2 3, где каждый индекс - индекс 
     // в массиве вершин, указывает на вершину грани

end faces

Faset normals:

     // Здесь располагается блок фасетных нормалей 
     // в виде координат X Y Z. 
     // Их количество равно количеству граней

end faset normals

Smooth normals:

     // Здесь располагается блок сглаживающих нормалей 
     // в виде координат X Y Z. 
     // Их количество равно количеству вершин.

end smooth normals

end mesh // Конец описания объекта Tri Mesh

end of file // Конец файла

Примерно так выглядит файл, когда мы экспортируем сетчатый объект. Если объект не сетчатый, то файл будет выглядеть следующим образом:

New object // Указывает на начало нового объекта, 
           // следующая строка указывает тип объекта

<Тип объекта>, например: Box

     // Здесь идут параметры, зависящие от типа объекта 
     // (Поверхности Безье и NURBS - 
     // поверхности не поддерживаются)

end <Тип объекта> // Конец описания объекта

end of file // Конец файла

Загрузка файла формата GMS в Delphi

Пример загрузки файла GMS находится в папке Ch01. В проекте присутствует два модуля: frmMain.pas и Mesh.pas. Откомпилировав и запустив проект на выполнение вы должны увидеть вращающийся Тор (по-нашему: "Баранка"). Несмотря на то, что объект можно считать стандартным, он был в 3D Studio преобразован в сетку, поэтому в данном случае это именно сетчатый объект. Нажав пункт меню "загрузить", вы можете посмотреть любой объект из папки GMS или загрузить свою сферу, которую сделали сами, если правильно руководствовались моими инструкциями в разделе: Знакомство с утилитой MEGA V1.0. Теперь рассмотрим данный пример подробно. Почти весь код модуля frmMain.pas написан не мной. Он взят из книги "OpenGL графика в проектах Delphi" Михаила Краснова. Этот модуль выполняет инициализацию приложения и циклическую функцию отрисовки окна, поэтому подробно мы его рассматривать не будем. Если код покажется Вам непонятным, значит Вы недостаточно знакомы с OpenGL, в этом случае Вам надлежит обратится к первоисточнику (в смысле - к книге). Код модуля Mesh.pas выполняет загрузку данных из файла и отображение объектов в окне. Рассмотрим его подробнее:

Type // Объявление типов данных

     PGLVertex = ^TGLVertex; // Указатель на вершину

     TGLVertex = record

     x,y,z : GLFloat; // Вершина, как три 
                      // значения с плавающей точкой

     end;

      

     PGLVector = ^TGLVector; // Указатель на вектор

     // Вектор, как массив из трех элементов 
     // с плавающей точкой
     TGLVector = array[0..2] of GLFloat; 

      

     PGLFace = ^TGLFace; // Указатель на грань

     // Грань, как массив из трех целочисленных значений
     TGLFace = array[0..2] of GLInt; 

      

     // Указатель на массив вершин
     PGLVertexArray = ^TGLVertexArray; 

     // Массив вершин
     TGLVertexArray = array[Word] of TGLVertex; 

      

     // Указатель на массив граней
     PGLFacesArray = ^TGLFacesArray; 

     // Массив граней
     TGLFacesArray = array[word] of TGLFace;

Здесь требуется небольшое пояснение. Как вы заметили, грань объявлена, как массив из трех целочисленных чисел. Дело в том, что граней почти всегда больше чем вершин. Поэтому все вершины запоминаются в отдельном массиве, а грань - это три индекса в этом массиве, указывающие на вершины принадлежащие грани. Одна вершина может принадлежать нескольким граням.

Теперь рассмотрим описание объекта сетка:

TGLMesh = class
     // Массив вершин объекта - сетка
     Vertices : PGLVertexArray; 
     // Массив граней
     Faces : PGLFacesArray; 
     // Массив фасетных нормалей
     FasetNormals : PGLVertexArray; 
     // Количество вершин
     VertexCount : Integer; 
     // Количество граней
     FacesCount : Integer;
     // Коэффициент масштабирования
     fExtent : GLFloat; 
     // Флаг масштабирования
     Extent : GLBoolean; 

     public

     // Загрузка
     procedure LoadFromFile( const FileName : String );

     procedure CalcNormals; // Расчет нормалей

     procedure Draw; // Отрисовка

     // Уничтожение с очисткой массивов
     destructor Destroy; override;
     end;

Здесь пояснений практически не требуется. Можно лишь отметить, что Extent служит для того, чтобы объект загнать в размеры в пределах (-1, 1), я сделал это для того, чтобы объект любого размера не мог вылезти за пределы окна. Вообще говоря, в 3D Studio Max не сложно масштабировать объект так, чтобы координаты вершин попали в интервал (-1, 1), но на этапе создания модели думать об этом совсем не хочется.

procedure TGLMesh.LoadFromFile; // Загрузка файла
var
     f : TextFile;
     S : String;
     i : Integer;
     Vertex : TGLVertex;
     Face : TGLFace;
     MaxVertex : GLFloat;
begin

     AssignFile(f,FileName);
     Reset(f);
     // Пропускаем строки, пока не попадется 
     // 'numverts numfaces'
	repeat
		ReadLn(f, S);
	until (S = 'numverts numfaces') or eof(f);
     // Читаем количество вершин и граней

     Readln(f,VertexCount,FacesCount);
     // Выделяем память для хранения сетки

     GetMem(Vertices,VertexCount*SizeOf(TGLVertex));
     GetMem(Faces,FacesCount*SizeOf(TGLFace));
     GetMem(FasetNormals,FacesCount*SizeOf(TGLVector));
    
     ReadLn(f, S); // Пропускаем строку "Mesh vertices"

     // Считываем вершины
     for i := 0 to VertexCount - 1 do begin

        Readln(f,Vertex.x,Vertex.y,Vertex.z);
        Vertices[i] := Vertex;
     end;

     ReadLn(f, S); // Пропускаем строку "end vertices"
     ReadLn(f, S); // Пропускаем строку "Mesh faces"

     // Считываем грани
     for i := 0 to FacesCount - 1 do begin
       Readln(f,Face[0],Face[1],Face[2]);
       Face[0] := Face[0] - 1;
       Face[1] := Face[1] - 1;
       Face[2] := Face[2] - 1;
       Faces[i] := Face;
     end;
      
     CloseFile(f);

     // Рассчитываем масштаб

     MaxVertex := 0;

     for i := 0 to VertexCount - 1 do begin
       MaxVertex := Max(MaxVertex,Vertices[i].x);
       MaxVertex := Max(MaxVertex,Vertices[i].y);
       MaxVertex := Max(MaxVertex,Vertices[i].z);
     end;

     fExtent := 1/MaxVertex;
      
     CalcNormals;

end;

Здесь могут быть непонятны следующие моменты: В блоке считывания граней я вычитаю единицу из каждого индекса вершины, считанного из файла. Делается это потому, что в программе индексы нумеруются, начиная с нуля, а в файле GMS - начиная с единицы. Процедура CalcNormals служит для расчета нормалей и взята из книги "OpenGL графика в проектах Delphi" Михаила Краснова. О том, что такое нормали и зачем они нужны я расскажу в разделах "Фасетные нормали" и "Сглаживающие нормали".

procedure TGLMesh.Draw;
var
     i : Integer;
     Face : TGLFace;

begin

     if Extent then glScalef(fExtent,fExtent,fExtent);

     for i := 0 to FacesCount - 1 do begin

       glBegin(GL_TRIANGLES);
       Face := Faces[i];
       glNormal3fv(@FasetNormals[i]);
       glVertex3fv(@Vertices[Face[0]]);
       glVertex3fv(@Vertices[Face[1]]);
       glVertex3fv(@Vertices[Face[2]]);

       glEnd;

     end;

end;

Здесь все понятно. Сначала, если установлен флаг масштабирования, устанавливается масштаб одинаковый по всем осям, затем в цикле рисуются треугольники. Перед началом рисования треугольника объявляется нормаль к нему. В качестве параметров передаются не конкретные значения, а указатели на них.

destructor TGLMesh.Destroy;
begin

     FreeMem(Vertices,VertexCount*SizeOf(TGLVertex));
     FreeMem(Faces,FacesCount*SizeOf(TGLFace));
     FreeMem(FasetNormals,FacesCount*SizeOf(TGLVector));

end;

Здесь тоже все понятно, просто освобождается память, занятая объектом. Вызовы процедур загрузки и отрисовки объекта находятся в модуле frmMain и не представляют ничего интересного.

Часть II

Создание анимированного персонажа и вывод на экран

Специально для тех, кто не владеет навыками работы с 3D Studio Max и Character Studio, я создал модель бегающего человечка. Она находится в папке MAX, и файл называется BodyRun.max. Если у Вас вообще нет пакета 3D Studio Max, то файл GMS с сетками этого человечка находится в папке GMS и называется ManRun.gms.

Итак, запустите среду 3D Studio Max и создайте анимированного персонажа или загрузите его из файла BodyRun.max. Запустите утилиту MEGA, как это делалось в разделе Знакомство с утилитой MEGA V1.0. Установите значение поля From =0, значение поля To установите в кадр, на котором заканчивается анимация, в случае с файлом BodyRun.max это значение нужно установить в 11. Значение поля Step установите в еденицу. Выделите сетку персонажа.
Внимание: убедитесь, что Вы выделили именно сетку персонажа и только ее. Пометьте флажок Selected Only. Для анимации сетки используется скелет. Он создается и подгоняется под размеры и форму тела, затем вершины сетки связываются с костями скелета. При анимации изменяются параметры положения частей скелета, а сетка лишь следует за ними. Поэтому, всегда, когда используется этот подход, в сцене помимо сетки присутствует скелет. Вот почему необходимо выделить только сетку и пометить флажок Selected Only.

После того, как Вы выполнили все операции укзанные выше, экспортируйте объект в файл GMS. В процессе экспорта Вы должны увидеть, как последовательно перемещается ползунок расположенный внизу экрана, отсчитывая кадры анимации, и как меняются кадры в проекционных окнах 3D Studio Max. Процесс экспорта завершится, когда ползунок достигнет конечного значения.

Готовый проект лежит в папке Ch02. Откомпилируйте его и запустите на выполнение. На экране вы должны увидеть примерно то, что изображено на рисунке. Нажатием кнопки "Анимировать" можно запускать или останавливать анимацию. Если Ваш компьютер оснащен 3D ускорителем, то лучше развернуть окно на весь экран - так медленнее. Теперь разберем исходный код программы. Он дополнился новым объектом TGLMultyMesh, который создан для загрузки и последовательной отрисовки нескольких сетчатых объектов.

TGLMultyMesh = class
  Meshes : TList;
  CurrentFrame : Integer;
  Action : Boolean;
  fExtent : GLFloat;
  Extent : Boolean;
public
    procedure LoadFromFile( const FileName : String );
    procedure Draw;
    constructor Create;
    destructor Destroy; override;
published

end;

Список Meshes хранит все сетки загруженные из файла. Переменная Action указывает выполняется анимация или нет, а CurrentFrame содержит номер текущего кадра анимации.

procedure TGLMultyMesh.LoadFromFile;
var

     f : TextFile;
     S : String;
procedure ReadNextMesh;
var

     i : Integer;
     Vertex : TGLVertex;
     Face : TGLFace;
     MaxVertex : GLFloat;
     NextMesh : TGLMesh;

begin

     NextMesh := TGLMesh.Create;

     repeat
       ReadLn(f, S);
     until (S = 'numverts numfaces') or eof(f);

     // Читаем количество вершин и граней

     Readln(f,NextMesh.VertexCount,NextMesh.FacesCount);

     // Выделяем память для хранения сетки

     GetMem(NextMesh.Vertices,
            NextMesh.VertexCount*SizeOf(TGLVertex));
     GetMem(NextMesh.Faces,
            NextMesh.FacesCount*SizeOf(TGLFace));
     GetMem(NextMesh.FasetNormals,
            NextMesh.FacesCount*SizeOf(TGLVector));
     
     ReadLn(f,S); // Пропускаем строку Mesh vertices:

     // Считываем вершины

     for i := 0 to NextMesh.VertexCount - 1 do
     begin

       Readln(f,Vertex.x,Vertex.y,Vertex.z);
       NextMesh.Vertices[i] := Vertex;

     end;

     ReadLn(f,S); // Пропускаем строку end vertices
     ReadLn(f,S); // Пропускаем строку Mesh faces:

     // Считываем грани

     for i := 0 to NextMesh.FacesCount - 1 do
     begin

       Readln(f,Face[0],Face[1],Face[2]);
       Face[0] := Face[0] - 1;
       Face[1] := Face[1] - 1;
       Face[2] := Face[2] - 1;
       NextMesh.Faces[i] := Face;
     end;
     // Рассчитываем масштаб

     MaxVertex := 0;

     for i := 0 to NextMesh.VertexCount - 1 do
     begin

       MaxVertex := Max(MaxVertex,NextMesh.Vertices[i].x);
       MaxVertex := Max(MaxVertex,NextMesh.Vertices[i].y);
       MaxVertex := Max(MaxVertex,NextMesh.Vertices[i].z);
     end;

     NextMesh.fExtent := 1/MaxVertex;

     NextMesh.CalcNormals;

     Meshes.Add(NextMesh);

end;

begin

     Meshes := TList.Create;

     AssignFile(f,FileName);

     Reset(f);

     While not Eof(f) do begin

       Readln(f,S);

       if S = 'New object' then ReadNextMesh;

     end;

     CloseFile(f);

end;

Код загрузки объекта TGLMultyMesh практически идентичен коду загрузки объекта TGLMesh. Небольшое отличие состоит в том, что объект TGLMultyMesh предполагает, что файл содержит несколько сеток. Поэтому при загрузке проиходит поиск строки "New Object", создается объект TGLMesh, который помещается в список Meshes и в него считывается информация из файла. Затем весь цикл повторяется до тех пор, пока не кончится файл. Процедуры создания, уничтожения и отрисовки объекта тоже почти не изменились:

procedure TGLMultyMesh.Draw;
begin

     if Extent then
     begin

       fExtent := TGLMesh(Meshes.Items[CurrentFrame])
                  .fExtent;
       glScalef(fExtent,fExtent,fExtent);

     end;

     // Рисование текущего кадра
     TGLMesh(Meshes.Items[CurrentFrame]).Draw; 
     // Если включена анимация 
     // увеличить значение текущего кадра

     if Action then begin 

       inc(CurrentFrame);
       if CurrentFrame > (Meshes.Count - 1) then 
          CurrentFrame := 0;

     end;

end;

      

constructor TGLMultyMesh.Create;
begin

     Action := False;

     CurrentFrame := 0;

end;

      

destructor TGLMultyMesh.Destroy;
Var i : Integer;
begin

     for i := 0 to Meshes.Count - 1 do
     begin
 
       TGLMesh(Meshes.Items[i]).Destroy;

     end;

     Meshes.Free; 

end;

Немного изменился и вызов функции загрузки в модуле frmMain.pas.

procedure TfrmGL.N1Click(Sender: TObject);
begin

     if OpenDialog.Execute then
     begin
 
       MyMesh.Destroy;

       Mymesh := TGLMultyMesh.Create;

       MyMesh.LoadFromFile( OpenDialog.FileName );

       MyMesh.Extent := true;

       // Проверяем сколько сеток загружено 
       // и возможна ли анимация

       if MyMesh.Meshes.Count <= 1 then 
          N2.Enabled := False
       else N2.Enabled := True;

     end;

end;

      
// Включение анимации
procedure TfrmGL.N2Click(Sender: TObject); 
begin

     MyMesh.Action := not MyMesh.Action;
     N2.Checked := not N2.Checked;

end;

Здесь все должно быть предельно ясно, не будем акцентировать на этом внимание, и так статья длиннее получается, чем я расчитывал.

Да, конечно, человечек убогий. Мало того, что он кривой, так еще и прихрамывает. Что делать, чтобы создавать красивых человечков с минимальным количеством граней нужно быть профессионалом 3D моделирования. Все же, мы еще попытаемся его улучшить.

Вероятно, Вы заметили, огрехи воспроизведения объектов на экране, выражающиеся в каких - то непонятных черных треугольниках в тех местах, где их не должно быть. Сам я понятия не имею, откуда они взялись. Если Вас не удовлетворяет такой вид объектов, значит, настала пора поговорить о нормалях.

Что такое нормали?

Нормалью называется перпендикуляр к чему-либо. В нашем случае это перпендикуляр к грани. Хотелось бы, но, к сожалению, без нормалей никак не обойтись. Дело в том, что по нормалям расчитывается освещение объекта. Так, например, если нормаль грани направлена на источник света, то грань будет освещена максимально. Чем больше нормаль отвернется от источника света, тем менее грань будет освещена. В случае с OpenGL, если нормаль отвернется от экрана более чем на 90 градусов, мы вообще не увидим грань, она не будет отрисовываться. Если бы мы не использовали нормали, то наш объект был бы закрашен одним цветом, то есть мы бы увидели только силует объекта. Трехмерный эффект достигается окрашиванием граней объекта в разные по яркости цвета, или наложением теней, кому как больше нравится это называть. Кроме того, степень освещенности зависит также от длины вектора нормали, но, как правило, длина вектора нормали должна находится в пределах (0; 1).
Теперь я думаю, стало ясно, что такое нормали и зачем они нужны.

Загрузка фасетных нормалей из файла GMS

Что такое фасетная нормаль? Фасетная нормаль, это самая обычная нормаль к грани, а называется она так по производимому воздействию на изображаемый объект. После применения фасетных нормалей грани объекты хоть и освещены по-разному, но каждая грань освещена равномерно и соответственно закрашена одним цветом, что приводит к тому, что объект выглядит граненым. Отсюда и название. По-нашему "фасетная нормаль" это "граненая нормaль". В предыдущих примерах фасетные нормали рассчитывались по математическому алгоритму (процедура CalcNormals), но по всей видимости он иногда дает сбои. Не все то хорошо для программиста, что хорошо для математика. В результате и появляются черные треугольники там где их не должно быть.

К счастью, внутренний язык 3D Studio Max позволил мне найти фасетные нормали, которые он использовал для отображения объекта, а отображались объекты в 3D Studio Max правильно. Приложение, использующее нормали, взятые из 3D Studio Max, находится в папке Ch03. А какая при этом получается разница, Вы можете увидеть на картинках ниже:

Теперь наша баранка выглядит правильно. В процедуре загрузки сетки добавился блок считывания фасетных нормалей из файла GMS. Процедуру CalcNormals я оставил в исходном тексте, но закоментировал.

ReadLn(f, S); //Пропускаем строку "end  faces"

ReadLn(f, S); // Пропускаем строку "Faset normals"

// фасетные нормали

for i := 0 to FacesCount - 1 do
begin

     Readln(f,Normal.x,Normal.y,Normal.z);
     FasetNormals[i] := Normal;

end;

Естественно, что количество фасетных нормалей равняется количеству граней.

Загрузка сглаживающих нормалей из файла GMS

Все-таки, несмотря на то, что объект теперь отображается правильно, хочется чего-то еще. Ну кому понравится граненая баранка? Или футбольный мяч такой, будто его вытесали из гранита? И, несмотря на то, что уровень детализации в данном примере не высок, можно еще улучшить внешний вид объекта. На помощь приходят сглаживающие нормали. Об этом стоит рассказать подробнее.

Когда я понял, что, используя команду glShadeModel, мне не удастся сгладить мой объект (и у Вас не получится тоже), я затосковал. Нужно было что-то делать, и я решил заняться этим вопросом вплотную. Вот что мне удалось выяснить. Оказывается к одной грани можно построить не одну нормаль, а столько, сколько душа пожелает. Но это еще ничего не дает. А вот если мы нормаль отклоним в сторону, так что она станет, не перпендикулярна грани, то грань окрасится неравномерно. Конечно, слова о том, что "нормаль не перпендикулярна", могут показаться немного странными для математика, но программиста это смущать не должно :). Я попробую пояснить подробнее, что же получается в этом случае, на рисунках.

Взгляните на них. Как видно из рисунков, мы имеем четырехугольную грань, в каждом углу которой построена нормаль. На первом рисунке все нормали перпендикулярны грани, и грань выглядит плоской. На втором рисунке нормали разведены в стороны от центра грани и грань освещена неравномерно, так будто она выпукла, хотя на самом деле она плоская. Если же свести нормали к центру грани, то грань станет вогнутой.

Это можно применять следующим образом. Чтобы добиться эффекта сглаживания, строить нормали нужно к вершинам грани, на каждую вершину по одной нормали. Для построения нормали, необходимо узнать к каким граням принадлежит вершина (теоретически вершина может принадлежать бесконечному числу граней - на практике не больше 12), взять фасетные нормали от этих граней, расчитать от них среднюю нормаль и построить ее к вершине. Как это сделать? Какими формулами это считается? Честно говоря, я понятия не имею. Есть такой сайт: http://www.pobox.com/~nate Ната Робинсона, там лежит пример на сглаживание и не только. Правда, написан он на Сях. Мне бы не составило труда переписать его на Дельфи, но... Зачем утруждать себя, если есть Баунти? Снова берем 3D Studio Max, лезем внутрь, хватаем сглаживающие нормали и... Вуаля!

Проект находится в папке Ch04. Скомпилируйте его и запустите на выполнение. Теперь Вы можете наслаждаться внешним видом сглаженного бублика нажав на кнопку Фасеты/Сгладить. Выглядит это примерно так:

Код программы, как всегда существенно не изменился. В процедуру загрузки добавился блок загрузки сглаживающих нормалей:

ReadLn(f,S); // Пропускаем строку end faset normals

ReadLn(f,S); // Пропускаем строку SmoothNormals:

// Считываем сглаживающие нормали

for i := 0 to NextMesh.VertexCount - 1 do
begin

     Readln(f,Normal.x,Normal.y,Normal.z);

     NextMesh.SmoothNormals[i] := Normal;

end;

Процедура отрисовки претерпела "существенные" изменения:

    
procedure TGLMesh.Draw(Smooth: Boolean);
var

     i : Integer;
     Face : TGLFace;

begin

     for i := 0 to FacesCount - 1 do begin

       glBegin(GL_TRIANGLES);

       Face := Faces[i];

       if Smooth then begin

          // Если сглаживать тогда перед каждой 
          // вершиной рисуем сглаживающую нормаль
          glNormal3fv(@SmoothNormals[Face[0]]); 

          glVertex3fv(@Vertices[Face[0]]);  
          glNormal3fv(@SmoothNormals[Face[1]]);
          glVertex3fv(@Vertices[Face[1]]);
          glNormal3fv(@SmoothNormals[Face[2]]);
          glVertex3fv(@Vertices[Face[2]]);

       // Если не сглаживать один раз рисуем 
       // фасетную нормаль
       end else begin 

                 glNormal3fv(@FasetNormals[i]);

                 glVertex3fv(@Vertices[Face[0]]);
                 glVertex3fv(@Vertices[Face[1]]); 
                 glVertex3fv(@Vertices[Face[2]]);
                end;

       glEnd;
     end;

end;

procedure TGLMultyMesh.Draw;
begin

     if Extent then
     begin

       fExtent := TGLMesh(Meshes.Items[CurrentFrame])
                  .fExtent;

       glScalef(fExtent,fExtent,fExtent);

     end;

     TGLMesh(Meshes.Items[CurrentFrame]).Draw(fSmooth);

    if Action then begin

       inc(CurrentFrame);

       if CurrentFrame > (Meshes.Count - 1) then 
          CurrentFrame := 0;

     end;

end;

Сам объект TGLMesh дополнился массивом для сглаживающих нормалей, а TGLMultyMesh - флагом указывающим следует ли сглаживать или нет. Этот флаг передается в процедуру отрисовки объекта TGLMesh. Деструктор пополнился строкой уничтожающей массив сглаживающих нормалей. В модуле frmMain появился обработчик нажатия пункта меню Фасеты/Сгладить.

Вот, пожалуй, и все. Могу только добавить, что не всегда удобно пользоваться сглаживающими нормалями из файла GMS, хотя в большинстве случаев они подходят. Загрузите, к примеру, объект Zban.gms и установите сглаживающий режим. Видите, все сглажено, а в 3D Studio Max он выглядел по-другому. Сверху и снизу у него были полукруглые крышки, но посередине был четкий цилиндр, с резкой границей в местах состыковки с полукруглыми крышками. Это побочный эффект сглаживания. Если Вы хотите добится исчезновения этого эффекта, Вам придется написать приложение для ручной корректировки нормалей, или программно отслеживать ситуацию, когда излом достиг критического угла и следует воспользоваться фасетной нормалью. Теперь, пожалуй, действительно все.

Соглашения

Автор дает полное право всем желающим на копирование, распространение и модификацию файлов примеров программ. Авторские права на данную статью принадлежат Ивану Дышленко. Право на копирование и изменение любой части текста данной статьи принадлежит только автору, данную статью разрешается копировать и распространять только полностью, с файлами и примерами программ. Не разрешается модифицировать и распространять модифицированные варианты утилиты MEGA.ms, поскольку утилита будет наращиваться и автору хотелось бы избавить пользователей от проблем с вопросами совместимости.