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obj、mtl文件格式详解

研究3D模型，就免不了用到了.obj文件及.mtl文件。 对这两种格式文件内容一头雾水，所有总结归纳一下，以备学习。

obj 文件

obj文件格式是Wavefront公司为它的一套基于工作站的3D建模和动画软件"AdvancedVisualizer"开发的一种文件格式。

OBJ文件是一种标准的3D模型文件格式，很适合用于3D软件模型之间的互导。OBJ文件是一种文本文件格式，这就意味着你可以直接用写字板打开进行查看修改。目前几乎所有知名的3D软件都支持OBJ文件的读写，不过很多软件需要通过插件才能做到这一点。另外，作为一种优秀的文件格式，很多游戏引擎也都支持OBJ文件。

OBJ文件特点​

  • 1、OBJ是一种3D模型文件，因此不包含动画、材质特性、贴图路径、动力学、粒子等信息。
  • 2、OBJ文件主要支持多边形(Polygons)模型。 虽然OBJ文件也支持曲线(Curves)、表面(Surfaces)、点组材质(Point Group Materials)，但Maya导出的OBJ文件并不包括这些信息。
  • 3、OBJ文件支持三个点以上的面，这一点很有用。 很多其它的模型文件格式只支持三个点的面，所以我们导入Maya的模型经常被三角化了，这对于我们对模型的再加工甚为不利。
  • 4、OBJ文件支持法线和贴图坐标。

OBJ文件基本结构​

OBJ文件不需要任何种文件头(File Header)，尽管经常使用几行文件信息的注释作为文件的开头。 OBJ文件由一行行文本组成，注释行以一个"#"号(#)为开头，空格和空行可以随意加到文件中以增加文件的可读性。有字的行都由一两个标记字母也就是关键字 (Keyword)开头，关键字可以说明这一行是什么样的数据。多行可以逻辑地连接在一起表示一行，方法是在每一行最后添加一个连接符()。注意连接符()后面不能出现空格或tab格，否则将导致文件出错。

下列关键字可以在OBJ文件使用【关键字根据数据类型排列，每个关键字有一段简短描述】

  • 顶点数据(Vertex data)：

    • v 几何体顶点 (Geometric vertices)
    • vt贴图坐标点 (Texture vertices)
    • vn顶点法线 (Vertex normals)
    • vp参数空格顶点 (Parameter space vertices)

  • 自由形态曲线(Free-form curve)/表面属性(surface attributes):

    • deg度 (Degree)
    • bmat基础矩阵 (Basis matrix)
    • step步尺寸 (Step size)
    • cstype曲线或表面类型 (Curve or surface type)

  • 元素(Elements):

    • p点 (Point)
    • l线 (Line)
    • f面 (Face)
    • curv曲线 (Curve)
    • curv2 2D曲线 (2D curve)
    • surf表面 (Surface)

  • 自由形态曲线(Free-form curve)/表面主体陈述(surface body statements):

    • parm参数值 (Parameter values )
    • trim外部修剪循环 (Outer trimming loop)
    • hole内部整修循环 (Inner trimming loop)
    • scrv特殊曲线 (Special curve)
    • sp特殊的点 (Special point)
    • end结束陈述 (End statement)

  • 自由形态表面之间的连接(Connectivity betweenfree-form surfaces):

    • con连接 (Connect)

  • 成组(Grouping):

    • g组名称 (Group name)
    • s光滑组 (Smoothing group)
    • mg合并组 (Merging group)
    • o对象名称 (Object name)

  • 显示(Display)/渲染属性(render attributes):

    • bevel导角插值 (Bevel interpolation)
    • c_interp颜色插值 (Color interpolation)
    • d_interp溶解插值 (Dissolve interpolation)
    • lod细节层次 (Level of detail)
    • usemtl材质名称 (Material name)
    • mtllib材质库 (Material library)
    • shadow_obj投射阴影 (Shadow casting)
    • trace_obj光线跟踪 (Ray tracing)
    • ctech曲线近似技术 (Curve approximation technique)
    • stech表面近似技术 (Surface approximation technique)
# obj对应的材质文件
# mtllib testvt.mtl
# 组名称
g default
# o 对象名称(Object name)
o testvt.obj
# 顶点
v -0.5 -0.5 0.1
v -0.5 -0.5 -0.1
v 0 0.5 0.1
v 0 0.5 -0.1
v 0.5 -0.5 0.1
v 0.5 -0.5 -0.1
# 纹理坐标
vt 0 1
vt 1 1
vt 0.5 0
# 顶点法线
vn 0 0 1
vn 0 0 -1
# 当前图元所用材质
usemtl Default
# s Smooth shading across polygons is enabled by smoothing groups.
# Smooth shading can be disabled as well.
s off
# v1/vt1/vn1 v2/vt2/vn2 v3/vt3/vn3(索引起始于1)    
f 1/1/1 5/2/1 3/3/1
f 6/2/2 2/1/2 4/3/2

mtl 文件

三维模型处理会要读取.mtl文件来获得材质信息。

.mtl文件（Material Library File）是材质库文件，描述的是物体的材质信息，ASCII存储，任何文本编辑器可以将其打开和编辑。一个.mtl文件可以包含一个或多个材质定义，对于每个材质都有其颜色，纹理和反射贴图的描述，应用于物体的表面和顶点。

以下是一个材质库文件的基本结构：

 # 定义一个名为 'xxx'的材质
 newmtl xxx
 # 材质的环境光（ambient color）
 Ka 0 0 0
 # 散射光（diffuse color）用Kd
 Kd 0.784314 0.784314 0.784314
 # 镜面光（specular color）用Ks
 Ks 0 0 0
 # 折射值 可在0.001到10之间进行取值。若取值为1.0，光在通过物体的时候不发生弯曲。玻璃的折射率为1.5。
 Ni 1
 # 反射指数 定义了反射高光度。该值越高则高光越密集，一般取值范围在0~1000。
 Ns 400
 # 滤光透射率
 Tf 1 1 1
 # 渐隐指数描述 参数factor表示物体融入背景的数量，取值范围为0.0~1.0，取值为1.0表示完全不透明，取值为0.0时表示完全透明。
 d 1
 # 为漫反射指定颜色纹理文件
 map_Kd test_vt.bmp
newmtl B01
Ns 96.078431
Ka 1.000000 1.000000 1.000000
Kd 0.640000 0.640000 0.640000
Ks 0.000000 0.000000 0.000000
Ke 0.400000 0.400000 0.400000
Ni 1.000000
d 1.000000
illum 1
map_Kd http://www.xxx.com/demo/models/texture_X1/CO1_middle_mylar_backlight.png

注释：每个材质库可含多个材质定义，每个材质都有一个材质名。用newmtl mtlName来定义一个材质。对于每个材质，可定义它的颜色光照纹理反射等描述特征。

主要的定义格式如下文所示：

材质颜色光照

1、环境反射有以下三种描述格式，三者是互斥的，不能同时使用。

  • Ka r g b

    • 用RGB颜色值来表示，g和b两参数是可选的，如果只指定了r的值，则g和b的值都等于r的值。三个参数一般取值范围为0.0~1.0，在此范围外的值则相应的增加或减少反射率;

  • Ka spectral file.rfl factor

    • 用一个rfl文件来表示。factor是一个可选参数，表示.rfl文件中值的乘数，默认为1.0;

  • Ka xyz x y z

    • 用CIEXYZ值来表示，x，y，z是CIEXYZ颜色空间的各分量值。y和z两参数是可选的，如果只指定了x的值，则y和z的值都等于r的值。三个参数一般取值范围为0~1。

2、漫反射描述的三种格式：

  • Kd r g b
  • Kd spectral file.rfl factor
  • Kd xyz x y z

3、镜反射描述的三种格式:

  • Ks r g b
  • Ks spectral file.rfl factor
  • Ks xyz x y z

4、滤光透射率描述的三种格式：

  • Tf r g b
  • Tf spectral file.rfl factor
  • Tf xyz x y z

5、光照模型描述格式：

  • illum illum_# 指定材质的光照模型。illum后面可接0~10范围内的数字参数。

  • map_Kd -options args filename 为漫反射指定颜色纹理文件(.mpc)或程序纹理文件(.cxc)，或是一个位图文件。作用原理与可选参数与map_Ka同。

  • map_Ks -options args filename 为镜反射指定颜色纹理文件(.mpc)或程序纹理文件(.cxc)，或是一个位图文件。作用原理与可选参数与map_Ka同。

  • map_Ns -options args filename 为镜面反射指定标量纹理文件（.mps或.cxs）。可选参数如下所示：

    • blendu on | off
    • blendv on | off
    • clamp on | off
    • imfchan r | g | b | m | l | z
    • mm base gain
    • o u v w
    • s u v w
    • t u v w
    • texres value

  • map_d -options args filename 为消隐指数指定标量纹理文件（.mps或.cxs）。作用原理和可选参数与map_Ns同。

  • map_aat on 打开纹理反走样功能。