Android OpenGL显示3D模型文件

1 STL文件

它是标准的3D文件格式，一般3D打印机都是支持打印STL文件，关于STL文件的格式、以及相关介绍请参考百度百科：【stl格式】。当然了，我在代码的注释中也会进行相关解释。

1.1 解析准备

首先，在解析STL文件格式之前，我们需要进行构思。我们无非就是把STL文件中的三角形的顶点信息提取出来。因此我们的主要目标就是把所有点信息读取出来。
但是，3D模型的坐标位置很随机，大小也随机。而不同的模型所处的位置不同，为了能够让模型处于手机显示中心，我们必须对模型进行移动、放缩处理。使得任意大小、任意位置的模型都能在我们的GLSurfaceView中以“相同”的大小显示。
因此，我们不仅仅要读取顶点信息，而且还要获取模型的边界信息。我们想象成一个立方体，这个立方体刚好包裹住模型。即我们要读取x、y、z三个方向上的最大值最小值。

1.2 开始解析

首先，我们定义一个Model类，用于表示一个模型对象：

public class Model {
    //三角面个数
    private int facetCount;
    //顶点坐标数组
    private float[] verts;
    //每个顶点对应的法向量数组
    private float[] vnorms;
    //每个三角面的属性信息
    private short[] remarks;

    //顶点数组转换而来的Buffer
    private FloatBuffer vertBuffer;

    //每个顶点对应的法向量转换而来的Buffer
    private FloatBuffer vnormBuffer;
    //以下分别保存所有点在x,y,z方向上的最大值、最小值
    float maxX;
    float minX;
    float maxY;
    float minY;
    float maxZ;
    float minZ;

    //返回模型的中心点
     //注意，下载的源码中，此函数修改修正如下
    public Point getCentrePoint() {

        float cx = minX + (maxX - minX) / 2;
        float cy = minY + (maxY - minY) / 2;
        float cz = minZ + (maxZ - minZ) / 2;
        return new Point(cx, cy, cz);
    }

    //包裹模型的最大半径
    public float getR() {
        float dx = (maxX - minX);
        float dy = (maxY - minY);
        float dz = (maxZ - minZ);
        float max = dx;
        if (dy > max)
            max = dy;
        if (dz > max)
            max = dz;
        return max;
    }

    //设置顶点数组的同时，设置对应的Buffer
    public void setVerts(float[] verts) {
        this.verts = verts;
        vertBuffer = Util.floatToBuffer(verts);
    }

    //设置顶点数组法向量的同时，设置对应的Buffer
    public void setVnorms(float[] vnorms) {
        this.vnorms = vnorms;
        vnormBuffer = Util.floatToBuffer(vnorms);
    }

   //···
   //其他属性对应的setter、getter函数
   //···

}

接下来就是将stl文件转换成Model对象，我们定义一个STLReader类:

public class STLReader {
    private StlLoadListener stlLoadListener;

    public Model parserBinStlInSDCard(String path)
                             throws IOException {

        File file = new File(path);
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        return parserBinStl(fis);
    }

    public Model parserBinStlInAssets(Context context, String fileName) 
                            throws IOException {

        InputStream is = context.getAssets().open(fileName);
        return parserBinStl(is);
    }
    //解析二进制的Stl文件
    public Model parserBinStl(InputStream in) throws IOException {
        if (stlLoadListener != null)
            stlLoadListener.onstart();
        Model model = new Model();
        //前面80字节是文件头，用于存贮文件名；
        in.skip(80);

        //紧接着用 4 个字节的整数来描述模型的三角面片个数
        byte[] bytes = new byte[4];
        in.read(bytes);// 读取三角面片个数
        int facetCount = Util.byte4ToInt(bytes, 0);
        model.setFacetCount(facetCount);
        if (facetCount == 0) {
            in.close();
            return model;
        }

        // 每个三角面片占用固定的50个字节
        byte[] facetBytes = new byte[50 * facetCount];
        // 将所有的三角面片读取到字节数组
        in.read(facetBytes);
        //数据读取完毕后，可以把输入流关闭
        in.close();


        parseModel(model, facetBytes);


        if (stlLoadListener != null)
            stlLoadListener.onFinished();
        return model;
    }

    /**
     * 解析模型数据，包括顶点数据、法向量数据、所占空间范围等
     */
    private void parseModel(Model model, byte[] facetBytes) {
        int facetCount = model.getFacetCount();
        /**
         *  每个三角面片占用固定的50个字节,50字节当中：
         *  三角片的法向量：（1个向量相当于一个点）*（3维/点）*（4字节浮点数/维）=12字节
         *  三角片的三个点坐标：（3个点）*（3维/点）*（4字节浮点数/维）=36字节
         *  最后2个字节用来描述三角面片的属性信息
         * **/
        // 保存所有顶点坐标信息,一个三角形3个顶点，一个顶点3个坐标轴
        float[] verts = new float[facetCount * 3 * 3];
        // 保存所有三角面对应的法向量位置，
        // 一个三角面对应一个法向量，一个法向量有3个点
        // 而绘制模型时，是针对需要每个顶点对应的法向量，因此存储长度需要*3
        // 又同一个三角面的三个顶点的法向量是相同的，
        // 因此后面写入法向量数据的时候，只需连续写入3个相同的法向量即可
        float[] vnorms = new float[facetCount * 3 * 3];
        //保存所有三角面的属性信息
        short[] remarks = new short[facetCount];

        int stlOffset = 0;
        try {
            for (int i = 0; i < facetCount; i++) {
                if (stlLoadListener != null) {
                    stlLoadListener.onLoading(i, facetCount);
                }
                for (int j = 0; j < 4; j++) {
                    float x = Util.byte4ToFloat(facetBytes, stlOffset);
                    float y = Util.byte4ToFloat(facetBytes, stlOffset + 4);
                    float z = Util.byte4ToFloat(facetBytes, stlOffset + 8);
                    stlOffset += 12;

                    if (j == 0) {//法向量 
                        vnorms[i * 9] = x;
                        vnorms[i * 9 + 1] = y;
                        vnorms[i * 9 + 2] = z;
                        vnorms[i * 9 + 3] = x;
                        vnorms[i * 9 + 4] = y;
                        vnorms[i * 9 + 5] = z;
                        vnorms[i * 9 + 6] = x;
                        vnorms[i * 9 + 7] = y;
                        vnorms[i * 9 + 8] = z;
                    } else {//三个顶点
                        verts[i * 9 + (j - 1) * 3] = x;
                        verts[i * 9 + (j - 1) * 3 + 1] = y;
                        verts[i * 9 + (j - 1) * 3 + 2] = z;

                        //记录模型中三个坐标轴方向的最大最小值
                        if (i == 0 && j == 1) {
                            model.minX = model.maxX = x;
                            model.minY = model.maxY = y;
                            model.minZ = model.maxZ = z;
                        } else {
                            model.minX = Math.min(model.minX, x);
                            model.minY = Math.min(model.minY, y);
                            model.minZ = Math.min(model.minZ, z);
                            model.maxX = Math.max(model.maxX, x);
                            model.maxY = Math.max(model.maxY, y);
                            model.maxZ = Math.max(model.maxZ, z);
                        }
                    }
                }
                short r = Util.byte2ToShort(facetBytes, stlOffset);
                stlOffset = stlOffset + 2;
                remarks[i] = r;
            }
        } catch (Exception e) {
            if (stlLoadListener != null) {
                stlLoadListener.onFailure(e);
            } else {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //将读取的数据设置到Model对象中
        model.setVerts(verts);
        model.setVnorms(vnorms);
        model.setRemarks(remarks);

    }

    public static interface StlLoadListener {
        void onstart();

        void onLoading(int cur, int total);

        void onFinished();

        void onFailure(Exception e);
    }
}

注意到，我们需要频繁的将byte数组转为short、float类型，我们直接把这些函数装到一个工具类Util中：

public class Util {

    public static FloatBuffer floatToBuffer(float[] a) {
        //先初始化buffer，数组的长度*4，因为一个float占4个字节
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(a.length * 4);
        //数组排序用nativeOrder
        bb.order(ByteOrder.nativeOrder());
        FloatBuffer buffer = bb.asFloatBuffer();
        buffer.put(a);
        buffer.position(0);
        return buffer;
    }

    public static int byte4ToInt(byte[] bytes, int offset) {
        int b3 = bytes[offset + 3] & 0xFF;
        int b2 = bytes[offset + 2] & 0xFF;
        int b1 = bytes[offset + 1] & 0xFF;
        int b0 = bytes[offset + 0] & 0xFF;
        return (b3 << 24) | (b2 << 16) | (b1 << 8) | b0;
    }

    public static short byte2ToShort(byte[] bytes, int offset) {
        int b1 = bytes[offset + 1] & 0xFF;
        int b0 = bytes[offset + 0] & 0xFF;
        return (short) ((b1 << 8) | b0);
    }

    public static float byte4ToFloat(byte[] bytes, int offset) {

        return Float.intBitsToFloat(byte4ToInt(bytes, offset));
    }

}

为了更好的表示三维坐标系下的一个点，我们定义Point类：

public class Point {
    public float x;
    public float y;
    public float z;

    public Point(float x, float y, float z) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.z = z;

    }
}

2 编写Render
上一节我们只是拿数据而已，还没开始绘制，真正的大招现在才开始。因为我们目标是显示任意模型，因此，必须把模型移动到我们的“视野”中，才能看得到（当然了，如果图形本身就是在我们的视野中，那就不一定需要这样的操作了）。废话不多说，直接看源码：

public class GLRenderer implements GLSurfaceView.Renderer {

    private Model model;
    private Point mCenterPoint;
    private Point eye = new Point(0, 0, -3);
    private Point up = new Point(0, 1, 0);
    private Point center = new Point(0, 0, 0);
    private float mScalef = 1;
    private float mDegree = 0;

    public GLRenderer(Context context) {
        try {

            model = new STLReader().parserBinStlInAssets(context, "huba.stl");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void rotate(float degree) {
        mDegree = degree;
    }

    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl) {
        // 清除屏幕和深度缓存
        gl.glClear(GL10.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL10.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);


        gl.glLoadIdentity();// 重置当前的模型观察矩阵


        //眼睛对着原点看 
        GLU.gluLookAt(gl, eye.x, eye.y, eye.z, center.x,
                center.y, center.z, up.x, up.y, up.z);

        //为了能有立体感觉，通过改变mDegree值，让模型不断旋转
        gl.glRotatef(mDegree, 0, 1, 0);

        //将模型放缩到View刚好装下
        gl.glScalef(mScalef, mScalef, mScalef);
        //把模型移动到原点
        gl.glTranslatef(-mCenterPoint.x, -mCenterPoint.y,
                -mCenterPoint.z);


        //===================begin==============================//

        //允许给每个顶点设置法向量
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);
        // 允许设置顶点
        gl.glEnableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        // 允许设置颜色

        //设置法向量数据源
        gl.glNormalPointer(GL10.GL_FLOAT, 0, model.getVnormBuffer());
        // 设置三角形顶点数据源
        gl.glVertexPointer(3, GL10.GL_FLOAT, 0, model.getVertBuffer());

        // 绘制三角形
        gl.glDrawArrays(GL10.GL_TRIANGLES, 0, model.getFacetCount() * 3);

        // 取消顶点设置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_VERTEX_ARRAY);
        //取消法向量设置
        gl.glDisableClientState(GL10.GL_NORMAL_ARRAY);

        //=====================end============================//

    }


    @Override
    public void onSurfaceChanged(GL10 gl, int width, int height) {

        // 设置OpenGL场景的大小,(0,0)表示窗口内部视口的左下角，(width, height)指定了视口的大小
        gl.glViewport(0, 0, width, height);

        gl.glMatrixMode(GL10.GL_PROJECTION); // 设置投影矩阵
        gl.glLoadIdentity(); // 设置矩阵为单位矩阵，相当于重置矩阵
        GLU.gluPerspective(gl, 45.0f, ((float) width) / height, 1f, 100f);// 设置透视范围

        //以下两句声明，以后所有的变换都是针对模型(即我们绘制的图形)
        gl.glMatrixMode(GL10.GL_MODELVIEW);
        gl.glLoadIdentity();


    }

    @Override
    public void onSurfaceCreated(GL10 gl, EGLConfig config) {
        gl.glEnable(GL10.GL_DEPTH_TEST); // 启用深度缓存
        gl.glClearDepthf(1.0f); // 设置深度缓存值
        gl.glDepthFunc(GL10.GL_LEQUAL); // 设置深度缓存比较函数
        gl.glShadeModel(GL10.GL_SMOOTH);// 设置阴影模式GL_SMOOTH
        float r = model.getR();
        //r是半径，不是直径，因此用0.5/r可以算出放缩比例
        mScalef = 0.5f / r;
        mCenterPoint = model.getCentrePoint();
    }
}

在MainActivity中不断调用旋转函数：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private boolean supportsEs2;
    private GLSurfaceView glView;
    private float rotateDegreen = 0;
    private GLRenderer glRenderer;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        checkSupported();

        if (supportsEs2) {
            glView = new GLSurfaceView(this);
            glRenderer = new GLRenderer(this);
            glView.setRenderer(glRenderer);
            setContentView(glView);
        } else {
            setContentView(R.layout.activity_main);
            Toast.makeText(this, "当前设备不支持OpenGL ES 2.0!", Toast.LENGTH_SHORT).show();
        }
    }

    public void rotate(float degree) {
        glRenderer.rotate(degree);
        glView.invalidate();
    }

    private Handler handler = new Handler() {
        @Override
        public void handleMessage(Message msg) {
            rotate(rotateDegreen);
        }
    };

    @Override
    protected void onResume() {
        super.onResume();
        if (glView != null) {
            glView.onResume();

            //不断改变rotateDegreen值，实现旋转
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    while (true) {
                        try {
                            sleep(100);

                            rotateDegreen += 5;
                            handler.sendEmptyMessage(0x001);
                        } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                        }

                    }
                }
            }.start();
        }


    }

    private void checkSupported() {
        ActivityManager activityManager = (ActivityManager) getSystemService(ACTIVITY_SERVICE);
        ConfigurationInfo configurationInfo = activityManager.getDeviceConfigurationInfo();
        supportsEs2 = configurationInfo.reqGlEsVersion >= 0x2000;

        boolean isEmulator = Build.VERSION.SDK_INT > Build.VERSION_CODES.ICE_CREAM_SANDWICH_MR1
                && (Build.FINGERPRINT.startsWith("generic")
                || Build.FINGERPRINT.startsWith("unknown")
                || Build.MODEL.contains("google_sdk")
                || Build.MODEL.contains("Emulator")
                || Build.MODEL.contains("Android SDK built for x86"));

        supportsEs2 = supportsEs2 || isEmulator;
    }

    @Override
    protected void onPause() {
        super.onPause();
        if (glView != null) {
            glView.onPause();
        }
    }
}

3 最后一步
一切看起来都已经完成了，但似乎少了点什么。啊哈~，少了STL文件，其实网上有很多STL模型文件免费下载，大家可以随便搜索。我下载了一个胡巴的模型：

模型截图
模型截图
下载完成后，运行如下：
运行结果
看到结果是不是觉得很失望？貌似看不到轮廓，其实，主要是跟灯光有关，我们程序中没有设置灯光。我们知道，我们在真实世界中看到物体主要是物体表面发生漫反射。我们所看到的物体跟光源的位置、物体的材质等等有关。另外，也可以通过贴纹理来做到。
源码地址：https://github.com/changhaismile/OpenGLDemo