C++ 3D 建模项目实战：简单模型创建与渲染

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C++ 3D建模项目实战：从零开始创建简单模型与渲染

为什么选择C++进行3D建模开发？

在当今游戏开发和计算机图形学领域，C++仍然是3D建模和渲染的首选语言。它的高性能特性使其能够处理复杂的数学运算和实时渲染需求，而底层内存控制则让开发者可以精确优化图形处理流程。许多知名游戏引擎如Unreal Engine和Unity的核心部分都是用C++编写的，这充分证明了它在3D图形领域的统治地位。

与Python或JavaScript等高级语言相比，C++虽然学习曲线较陡峭，但提供了更直接的硬件访问和更高效的执行速度。对于需要处理大量顶点数据、矩阵变换和光照计算的3D应用来说，这些特性至关重要。

搭建C++ 3D开发环境

要开始我们的3D建模项目，首先需要配置合适的开发环境。推荐使用Visual Studio作为IDE，它不仅提供了强大的代码编辑和调试功能，还与我们将要使用的图形库有很好的兼容性。

对于3D图形编程，OpenGL是最广泛采用的跨平台API之一。我们需要安装GLAD作为OpenGL的加载库，以及GLFW来处理窗口创建和输入事件。这两个库的组合能够为我们提供一个稳定的基础，而不必担心不同操作系统间的兼容性问题。

此外，GLM（OpenGL Mathematics）库将是我们进行矩阵和向量运算的得力助手。它提供了与GLSL（OpenGL着色语言）相似的数据类型和函数，使得在C++代码和着色器之间传递数据变得更加直观。

3D模型的基本构成原理

在计算机图形学中，所有3D模型都是由顶点（Vertices）构成的。顶点不仅包含位置信息，还可以包含颜色、法线向量和纹理坐标等属性。多个顶点连接起来形成图元（Primitives），最常见的图元是三角形，因为任何复杂表面都可以用三角形网格来近似表示。

理解坐标系系统对3D建模至关重要。在OpenGL中，默认使用右手坐标系，X轴向右，Y轴向上，Z轴指向观察者。模型通常先在局部空间（Model Space）中定义，然后通过模型变换（Model Transformation）转换到世界空间（World Space）。

为了在2D屏幕上显示3D场景，我们需要一系列变换：模型变换定位物体在世界中的位置，视图变换（View Transformation）确定相机视角，投影变换（Projection Transformation）将3D坐标映射到2D屏幕。这些变换都是通过矩阵乘法实现的，这也是为什么线性代数知识对3D图形编程如此重要。

创建第一个3D模型：立方体

让我们从最简单的3D模型——立方体开始。立方体有8个顶点和12个三角形面（每个面2个三角形）。在代码中，我们可以这样定义立方体的顶点数据：

float vertices[] = {
    // 前面
    -0.5f, -0.5f,  0.5f,  // 左下
     0.5f, -0.5f,  0.5f,  // 右下
     0.5f,  0.5f,  0.5f,  // 右上
    -0.5f,  0.5f,  0.5f,  // 左上
    // 后面
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,
     0.5f, -0.5f, -0.5f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,
    -0.5f,  0.5f, -0.5f
};

定义顶点后，我们需要指定这些顶点如何连接成三角形。这通过索引缓冲对象（Element Buffer Object, EBO）实现：

unsigned int indices[] = {
    // 前面
    0, 1, 2,
    2, 3, 0,
    // 右面
    1, 5, 6,
    6, 2, 1,
    // 后面
    7, 6, 5,
    5, 4, 7,
    // 左面
    4, 0, 3,
    3, 7, 4,
    // 上面
    3, 2, 6,
    6, 7, 3,
    // 下面
    4, 5, 1,
    1, 0, 4
};

渲染管线的配置与着色器编写

OpenGL的渲染管线是一系列处理阶段，将我们的3D数据最终转换为屏幕上的2D图像。其中最关键的两个阶段是顶点着色器和片段着色器，它们都是用GLSL编写的程序。

顶点着色器负责处理每个顶点的位置。一个基本的顶点着色器可能如下所示：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);
}

片段着色器则决定每个像素的颜色。简单的单色片段着色器：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

uniform vec3 objectColor;

void main()
{
    FragColor = vec4(objectColor, 1.0);
}

在C++代码中，我们需要编译并链接这些着色器，然后在上传顶点数据到GPU后，使用着色器程序进行绘制。

实现模型变换与基础交互

为了让我们的立方体动起来，我们需要应用模型变换。GLM库使得这些变换变得简单：

glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); // 单位矩阵
model = glm::rotate(model, (float)glfwGetTime(), glm::vec3(0.5f, 1.0f, 0.0f));

这段代码会让立方体随时间旋转。我们还可以添加平移和缩放变换：

model = glm::translate(model, glm::vec3(0.5f, -0.5f, 0.0f));
model = glm::scale(model, glm::vec3(0.5f, 0.5f, 0.5f));

为了实现基本的交互，我们可以通过GLFW获取键盘输入：

if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_W) == GLFW_PRESS)
    cameraPos += cameraSpeed * cameraFront;
if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_S) == GLFW_PRESS)
    cameraPos -= cameraSpeed * cameraFront;

添加光照效果提升真实感

基本的立方体看起来还很"假"，因为没有光照。我们可以实现简单的冯氏光照模型（Phong Lighting Model），它包含环境光、漫反射和镜面反射三个分量。

首先需要为立方体的每个顶点添加法线向量：

float vertices[] = {
    // 位置             // 法线
    -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,
     0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,
     0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f,  0.0f, -1.0f,
    // ... 其他顶点
};

然后在片段着色器中实现光照计算：

vec3 norm = normalize(Normal);
vec3 lightDir = normalize(lightPos - FragPos);
float diff = max(dot(norm, lightDir), 0.0);
vec3 diffuse = diff * lightColor;

vec3 viewDir = normalize(viewPos - FragPos);
vec3 reflectDir = reflect(-lightDir, norm);
float spec = pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0.0), 32);
vec3 specular = specularStrength * spec * lightColor;

vec3 result = (ambient + diffuse + specular) * objectColor;
FragColor = vec4(result, 1.0);