Wavefront .OBJ文件格式解读【3D】

OBJ（或 .OBJ）是一种几何定义文件格式，最初由 Wavefront Technologies 为其高级可视化器动画包开发。该文件格式是开放的，已被其他 3D 图形应用程序供应商采用。

OBJ 文件格式是一种简单的数据格式，仅表示 3D 几何体，即每个顶点的位置、顶点UV坐标、顶点法线以及使每个多边形定义为顶点列表的面。默认情况下，顶点按逆时针顺序存储，因此无需显式声明面法线。 OBJ 坐标没有单位，但 OBJ 文件可以在人类可读的注释行中包含比例信息。

在这里插入图片描述

推荐：用 NSDT设计器快速搭建可编程3D场景。

1、OBJ文件结构概述

哈希字符 (#) 后面的任何内容都是注释。

# this is a comment

OBJ 文件可以包含顶点数据、自由形式的曲线/曲面属性、元素、自由形式的曲线/曲面体声明、自由形式曲面之间的连接性、分组和显示/渲染属性信息。最常见的元素是几何顶点、纹理坐标、顶点法线和多边形面：

# List of geometric vertices, with (x, y, z, [w]) coordinates, w is optional and defaults to 1.0.
v 0.123 0.234 0.345 1.0
v ...
...
# List of texture coordinates, in (u, [v, w]) coordinates, these will vary between 0 and 1. v, w are optional and default to 0.
vt 0.500 1 [0]
vt ...
...
# List of vertex normals in (x,y,z) form; normals might not be unit vectors.
vn 0.707 0.000 0.707
vn ...
...
# Parameter space vertices in (u, [v, w]) form; free form geometry statement (see below)
vp 0.310000 3.210000 2.100000
vp ...
...
# Polygonal face element (see below)
f 1 2 3
f 3/1 4/2 5/3
f 6/4/1 3/5/3 7/6/5
f 7//1 8//2 9//3
f ...
...
# Line element (see below)
l 5 8 1 2 4 9

1.1 几何顶点

顶点（Vertex）通过以字母 v 开头的行指定。后面是 (x,y,z[,w]) 坐标。 W 是可选的，默认为 1.0。右手坐标系用于指定坐标位置。某些应用程序通过在 x y 和 z 之后放置红色、绿色和蓝色值来支持顶点颜色（这会排除指定 w）。颜色值范围从 0 到 1。

1.2 参数空间顶点

可以在以字符串 vp 开头的行中指定自由格式的几何语句。在曲线或曲面的参数空间中定义点。曲线点只需要u，非有理裁剪曲线的曲面点和控制点需要u 和v，有理裁剪曲线的控制点需要u、v 和w（权重）。

1.3 面元素

面（Face）是使用顶点、纹理和法线索引列表定义的，格式为 vertex_index/texture_index/normal_index，每个索引从 1 开始，并根据引用元素的定义顺序递增。诸如四边形之类的多边形可以使用三个以上的索引来定义。

OBJ 文件还支持使用曲线和曲面来定义对象的自由形式几何体，例如 NURBS 曲面。

1.4 顶点索引

有效的顶点索引（Vertex indices）与先前定义的顶点列表的相应顶点元素相匹配。如果索引为正，则它引用该顶点列表中的偏移量，从 1 开始。如果索引为负，则它相对引用顶点列表的末尾，-1 引用最后一个元素。

每个面可以包含三个或更多顶点。

f v1 v2 v3 ....

1.5 顶点纹理坐标索引

可选地，纹理坐标索引（Vertex texture coordinate indices）可用于在定义面时指定纹理坐标。要在定义面时将纹理坐标索引添加到顶点索引，必须在顶点索引后紧接着放置斜线，然后放置纹理坐标索引。斜杠前后不允许有空格。有效的纹理坐标索引从 1 开始，与先前定义的纹理坐标列表中的相应元素匹配。每个面可以包含三个或更多元素。

f v1/vt1 v2/vt2 v3/vt3 ...

1.6 顶点法线索引

或者，在定义面时，可以使用法线索引（Vertex normal indices）来指定顶点的法线向量。要在定义面时将法线索引添加到顶点索引，必须在纹理坐标索引后放置第二个斜杠，然后放置法线索引。有效的法线索引从 1 开始，并与先前定义的法线列表中的相应元素匹配。每个面可以包含三个或更多元素

f v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3 ...

1.7 没有纹理坐标索引的顶点法线索引

由于纹理坐标是可选的，因此可以在没有纹理坐标的情况下定义几何体，但必须在放置法线索引之前在顶点索引后面放置两个斜杠。

f v1//vn1 v2//vn2 v3//vn3 ...

1.8 线元素

以字母“l”（小写 L）开头的记录指定构建多段线（Polyline）的顶点的顺序。

l v1 v2 v3 v4 v5 v6 ...

1.9 其他几何格式

Obj 文件使用几种不同类型的插值（例如泰勒和 B 样条）支持高阶曲面，尽管第三方文件读取器对这些功能的支持还远未普及。 Obj 文件也不支持网格层次结构或任何类型的动画或变形，例如顶点蒙皮或网格变形。

1.10 材质引用

描述多边形视觉方面的材质存储在外部 .mtl 文件中。 OBJ 文件中可以引用多个外部 MTL 材料文件。 .mtl 文件可能包含一个或多个命名材质的定义。

mtllib [external .mtl file name]
...

该标签指定其后面的元素的材质名称。材质名称与外部 .mtl 文件中的命名材质定义匹配。

usemtl [material name]
...

命名对象和多边形组通过以下标签指定。

o [object name]
  ...
  g [group name]
  ...

通过平滑组可以实现跨多边形的平滑着色。

s 1
  ...
  # Smooth shading can be disabled as well.
  s off
  ...

1.11 相对索引和绝对索引

OBJ 文件由于其列表结构，能够通过绝对位置（1 表示第一个定义的顶点，N 表示第 N 个定义的顶点）或相对位置（-1 表示最后定义的顶点）来引用顶点、法线等。

然而，并非所有软件都支持后一种方式，相反有些软件本质上只编写后一种形式（由于附加元素方便，无需重新计算顶点偏移量等），导致偶尔出现不兼容的情况。

2、材质模板库

材质模板库格式 (MTL) 或 .MTL 文件格式是 .OBJ 的配套文件格式，也由 Wavefront Technologies 定义，它描述一个或多个 .OBJ 文件中对象的表面着色（材质）属性。

.OBJ 文件引用一个或多个 .MTL 文件（称为“材质库”），并从那里按名称引用一个或多个材质描述。 .MTL 文件是 ASCII 文本，它根据 Phong 反射模型定义表面的光反射属性，以供计算机渲染之用。该标准在不同的计算机软件包之间得到了广泛的支持，使其成为材料交换的有用格式。

MTL 格式虽然仍然广泛使用，但已经过时，并且不完全支持高光贴图和视差贴图等后来的技术。然而，由于该格式的开放性和直观性，可以使用自定义 MTL 文件生成器轻松添加这些内容。

MTL 格式定义了多种格式。

2.1 基础材质

单个 .mtl 文件可以定义多种材质。材质在文件中被逐个定义，每个材质都以 newmtl 命令开始：

# define a material named 'Colored'
newmtl Colored

材质的环境色（ambient）使用 Ka 声明。颜色定义采用 RGB 格式，其中每个通道的值介于 0 和 1 之间。

# white
Ka 1.000 1.000 1.000

类似地，漫反射色（diffuse）是使用 Kd 声明的。

# white
Kd 1.000 1.000 1.000

镜面反射色（specular）使用 Ks 声明，并使用镜面指数 Ns 进行加权。

# black (off)
Ks 0.000 0.000 0.000

# ranges between 0 and 1000
Ns 10.000

材质可以是透明的。这称为消融（dissolved）。与真正的透明度不同，结果不取决于物体的厚度。 “d”的值为 1.0 是默认值，表示完全不透明，“Tr”的值为 0.0 也是如此。消融适用于所有照明模型。

# some implementations use 'd'
d 0.9
# others use 'Tr' (inverted: Tr = 1 - d)
Tr 0.1

透明材料还可以具有透射滤光片颜色，用“Tf”指定。

# Transmission Filter Color (using R G B)
Tf 1.0 0.5 0.5 
# Transmission Filter Color (using CIEXYZ) - y and z values are optional and assumed to be equal to x if omitted
Tf xyz 1.0 0.5 0.5 
# Transmission Filter Color from spectral curve file (not commonly used)
Tf spectral <filename>.rfl <optional factor>

材质的表面也可以具有光密度（optical density），这也称为折射率（index of refraction）。

# optical density
Ni 1.45000

值的范围可以从 0.001 到 10。值 1.0 表示光线在穿过对象时不会弯曲。增加光密度会增加弯曲量。玻璃的折射率约为1.5。小于 1.0 的值会产生奇怪的结果，不推荐使用。

每种材质都有多种照明模型可用。请注意，不需要设置透明照明模型来实现“d”或“Tr”的透明度，并且在现代使用中，即使使用透明材质，通常也不会指定照明模型。照明模型列举如下：

0. Color on and Ambient off
1. Color on and Ambient on
2. Highlight on
3. Reflection on and Ray trace on
4. Transparency: Glass on, Reflection: Ray trace on
5. Reflection: Fresnel on and Ray trace on
6. Transparency: Refraction on, Reflection: Fresnel off and Ray trace on
7. Transparency: Refraction on, Reflection: Fresnel on and Ray trace on
8. Reflection on and Ray trace off
9. Transparency: Glass on, Reflection: Ray trace off
10. Casts shadows onto invisible surfaces

2.2 纹理贴图

纹理材质（Texture material）使用与上面相同的属性，并另外定义纹理贴图。以下是常见材质文件的示例。有关更多详细信息，请参阅完整的 Wavefront 文件格式参考。

newmtl Textured
   Ka 1.000 1.000 1.000
   Kd 1.000 1.000 1.000
   Ks 0.000 0.000 0.000
   d 1.0
   illum 2
   # the ambient texture map
   map_Ka lemur.tga
   
   # the diffuse texture map (most of the time, it will be the same as the
   # ambient texture map)
   map_Kd lemur.tga
   
   # specular color texture map
   map_Ks lemur.tga
   
   # specular highlight component
   map_Ns lemur_spec.tga
   
   # the alpha texture map
   map_d lemur_alpha.tga
   
   # some implementations use 'map_bump' instead of 'bump' below
   map_bump lemur_bump.tga
   
   # bump map (which by default uses luminance channel of the image)
   bump lemur_bump.tga
   
   # displacement map
   disp lemur_disp.tga
   
   # stencil decal texture (defaults to 'matte' channel of the image)
   decal lemur_stencil.tga

纹理贴图语句也可能有选项参数（参见完整规范）

   # texture origin (1,1,1) 
   map_Ka -o 1 1 1 ambient.tga
   
   # spherical reflection map
   refl -type sphere clouds.tga

2.3 纹理选项

-blendu on | off                       # set horizontal texture blending (default on)
-blendv on | off                       # set vertical texture blending (default on)
-boost float_value                     # boost mip-map sharpness
-mm base_value gain_value              # modify texture map values (default 0 1)
                                       #     base_value = brightness, gain_value = contrast
-o u [v [w]]                           # Origin offset             (default 0 0 0)
-s u [v [w]]                           # Scale                     (default 1 1 1)
-t u [v [w]]                           # Turbulence                (default 0 0 0)
-texres resolution                     # texture resolution to create
-clamp on | off                        # only render texels in the clamped 0-1 range (default off)
                                       #   When unclamped, textures are repeated across a surface,
                                       #   when clamped, only texels which fall within the 0-1
                                       #   range are rendered.
-bm mult_value                         # bump multiplier (for bump maps only)

-imfchan r | g | b | m | l | z         # specifies which channel of the file is used to 
                                       # create a scalar or bump texture. r:red, g:green,
                                       # b:blue, m:matte, l:luminance, z:z-depth.. 
                                       # (the default for bump is 'l' and for decal is 'm')

例如，

# says to use the red channel of bumpmap.tga as the bumpmap
bump -imfchan r bumpmap.tga

对于反射贴图…

-type sphere                           # specifies a sphere for a "refl" reflection map    
-type cube_top    | cube_bottom |      # when using a cube map, the texture file for each
      cube_front  | cube_back   |      # side of the cube is specified separately
      cube_left   | cube_right

2.4 供应商特定变更

由于解析文件的容易性以及文件格式的非官方传播，文件可能包含供应商特定的更改。

根据规范，选项应该位于纹理文件名之前。但是，至少有一个供应商会生成末尾带有选项的文件。

# bump multiplier of 0.2
bump texbump.tga -bm 0.2

2.5 基于物理的渲染

在线 3D 编辑和建模工具 Clara.io 的创建者建议扩展 MTL 格式，以指定基于物理的渲染 (PBR) 贴图和参数。此扩展随后被 Blender 和 TinyObjLoader 采用。扩展 PBR 映射和参数为：

Pr/map_Pr     # roughness
Pm/map_Pm     # metallic
Ps/map_Ps     # sheen
Pc            # clearcoat thickness
Pcr           # clearcoat roughness
Ke/map_Ke     # emissive
aniso         # anisotropy
anisor        # anisotropy rotation
norm          # normal map (RGB components represent XYZ components of the surface normal)

进一步提议的扩展来自 Microsoft DirectX 引擎的 DirectXMesh 工具包，允许定义模型的预编译 RMA 材质。

map_RMA       # RMA material (roughness, metalness, ambient occlusion)
map_ORM       # alternate definition of map_RMA

原文链接：Wavefront .OBJ格式说明 — BimAnt