GLTF文件格式详解

参考：https://github.com/KhronosGroup/glTF

制作GLTF模型数据

可以在blender(开源免费)、C4D(闭源收费)软件中制作模型，然后导出成GLTF格式的文件。

image.png

test.gltf文件内容为：

{
    "asset" : {
        "generator" : "Khronos glTF Blender I/O v3.3.32",
        "version" : "2.0"
    },
    "scene" : 0,
    "scenes" : [
        {
            "name" : "Scene",
            "nodes" : [
                0
            ]
        }
    ],
    "nodes" : [
        {
            "mesh" : 0,
            "name" : "Cube"
        }
    ],
    "materials" : [
        {
            "doubleSided" : true,
            "name" : "\u6750\u8d28.002",
            "pbrMetallicRoughness" : {
                "baseColorTexture" : {
                    "index" : 0
                },
                "metallicFactor" : 0,
                "roughnessFactor" : 0.5
            }
        }
    ],
    "meshes" : [
        {
            "name" : "Cube",
            "primitives" : [
                {
                    "attributes" : {
                        "POSITION" : 0,
                        "NORMAL" : 1,
                        "TEXCOORD_0" : 2
                    },
                    "indices" : 3,
                    "material" : 0
                }
            ]
        }
    ],
    "textures" : [
        {
            "sampler" : 0,
            "source" : 0
        }
    ],
    "images" : [
        {
            "mimeType" : "image/jpeg",
            "name" : "\u5fae\u4fe1\u56fe\u7247_20201019153241",
            "uri" : "%E5%BE%AE%E4%BF%A1%E5%9B%BE%E7%89%87_20201019153241.jpg"
        }
    ],
    "accessors" : [
        {
            "bufferView" : 0,
            "componentType" : 5126,
            "count" : 24,
            "max" : [
                1,
                1,
                1
            ],
            "min" : [
                -1,
                -1,
                -1
            ],
            "type" : "VEC3"
        },
        {
            "bufferView" : 1,
            "componentType" : 5126,
            "count" : 24,
            "type" : "VEC3"
        },
        {
            "bufferView" : 2,
            "componentType" : 5126,
            "count" : 24,
            "type" : "VEC2"
        },
        {
            "bufferView" : 3,
            "componentType" : 5123,
            "count" : 36,
            "type" : "SCALAR"
        }
    ],
    "bufferViews" : [
        {
            "buffer" : 0,
            "byteLength" : 288,
            "byteOffset" : 0,
            "target" : 34962
        },
        {
            "buffer" : 0,
            "byteLength" : 288,
            "byteOffset" : 288,
            "target" : 34962
        },
        {
            "buffer" : 0,
            "byteLength" : 192,
            "byteOffset" : 576,
            "target" : 34962
        },
        {
            "buffer" : 0,
            "byteLength" : 72,
            "byteOffset" : 768,
            "target" : 34963
        }
    ],
    "samplers" : [
        {
            "magFilter" : 9729,
            "minFilter" : 9987
        }
    ],
    "buffers" : [
        {
            "byteLength" : 840,
            "uri" : "test.bin"
        }
    ]
}

GLTF数据格式规范

GLTF文件格式

glTF 导出格式有两种后缀格式可供选择：.gltf 和 .glb：

.gltf 文件导出时一般会输出两种文件类型，一是 .bin 文件，以二进制流的方式存储顶点坐标、顶点法线坐标和贴图纹理坐标、贴图信息等模型基本数据信息；二是 .gltf 文件，本质是 json 文件，记录对bin文件中模型顶点基本数据的索引、材质索引等信息，方便编辑，可读性较好；
.glb 文件格式只导出一个 .glb 文件，将所有数据都输出为二进制流，通常来说会更小一点，若不关心模型内的具体数据可直接选择此类型。

GLTF文件内容解析

参考：https://www.jianshu.com/p/905671909b25、https://blog.csdn.net/hometoned/article/details/125187834

解析文件时，我习惯于从scene开始解析，gltf文件本身就是一个场景文件。可以从scene开始一步一步去完成整个文件的解析。

解析“scene”的值，这个值可以没有，也可以有。如果没有时，表示当前或初始化时，默认的场景索引。如果有值，且值的合理范围应该是0至scenes.size()。如是值不在这个范围或是没有"scene"字段时，可以给出一个默认值。一般默认值为0，即场景数组scenes中的第一个场景。
解析"scenes"，通过scene的值，对应于scenes中的索引，scenes数组中是对象即“{}”，每一个对象，表示一个场景的，其中字段有name、nodes。分别表示这个场景的名称和这个场景的根节点的索引。根节点可以是一个，也可以是多个。一般为一个根节点。名称可以有，也可以没有。由此可以看出，scenes字段是必需要有，否则，整个文件中没有场景，显然不合理。
解析"nodes"，这个字段中保存了所有场景的所有的节点。通过scenes节点中找到的场景的根节点的索引。在这个数组中通过索引查询节点。再通过查询到的节点对应的索引，再向下查询节点，如此递归，递归时，做深度递归。子节点可以是"children"，依然是个节点；可以是"mesh"，是个要绘制的网格；可以是"skin"，骨骼动画的蒙皮；可以是"camera"相机。
如果是"children"，那么就需要再取得这个节点的索引值，继续查询nodes数组。
如果是"mesh"，需要去"meshes"中继续查询。
如果是"skin"，需要去"skins"中继续查询。
如果"camera"，需要去"cameras"中继续查询。
在递归遍历nodes数组时，节点中可能会有"translation"、"rotation"或"scale"中的一个或多个。也可能是"matrix"，代表当前节点的姿态。递归的过程也是节点与节点建父子关系的过程。总是由父节点向子节点递归。
需要注意的是当前节点如是为："mesh"、"skin"或"camera"当前节点中还可以有自己的子节点。所以解析时，需要判断是否有"children"字段。如果有则说明
解析“meshes”，这个字段中包含了构建一个网格所需要的数据"primitives"，这是个数组，也就是说，可以有多个图元的信息。即子网格的概念，一个网格中可以有多个子网格。
"primitives"包含的数据有"attributes"顶点属性数据对应的buffer的索引、"indices"顶点的索引数据buffer的索引、"mode"绘模式、"material"材质对应的索引。
"attributes"又包含了"NORMAL"、"POSITION"、"TEXCOORD_0"、"TANGENT"、“JOINTS_0”、“WEIGHTS_0”等数据对应的索引。其对应的数据应该在"accessors"字段中的查询，比如："POSITION"对应的索引是0，则在accessors[0]里存储相关的数据信息。在这里"POSITION"字段是必需要有的，顶点属性数据中如果没有顶点，那就不可能绘制出网格了。其它的数据，可以没有。
"indices"表示的是索引数据，如果绘制网格用的是顶点，则可以没有这个数据。同样是从"accessors"数据组中取值。同 "attributes"中的属性数据对应的索引，查询的方法一致。
"mode"表示的是绘制方式，其数值代表：0 代表GL_POINTS；1代表GL_LINES；2代表GL_LINE_LOOP；3代表GL_LINE_STRIP；4代表GL_TRIANGLES；5代表GL_TRIANGLE_STRIP；6代表GL_TRIANGLE_FAN。
"material"是对应的"materials"数组中的索引。
解析"accessors"，这个字段中包含对应于"bufferView"的数组索引、"componentType"数据类型，"byteOffset"数据在buffer中的偏移、"count"数据的个数、"type"数据的组织形式和"max"、"min"数据的最大值和最小值。
bufferView"的数组索引可以在"bufferViews"数组中查询。
"componentType"的数值代表了数据的类型，如：5120表示byte类型；5121表示ubyte类型；5122表示short类型；5123表示ushort类型；5124表示int类型；5125表示uint类型；5126表示float类型；5130表示double类型。
"byteOffset"表示数据的偏移，最终计算真实数据在buffer中的偏移时，还需要再加上buffer中的偏移。没有这个字段时，可以将这个值默认为0。
"type"是字符串，以字符串的形式，表示：SCALAR标量、VEC2、VEC3、VEC4、MAT2、MAT3、MAT4。
解析"bufferViews"，这个字段中的"buffer"表示是"buffers"中的索引。"byteLength"数据的字节长度。"byteOffset"数据的字节偏移。"target"对应的数值表示数据在buffer中的组织形式。
在一个buffer中，可以存放多个顶点属性数据，如可以将"NORMAL"、"POSITION"、"TEXCOORD_0"对应的真实数据放在一起保存。数据可以通过"byteOffset"确定数据在buffer中的起始位置；通过"byteLength"来获取数据长度，再通过"componentType"、"type"就能正确的解析出真实的数据了。
解析"buffers"字段，是buffer数组，每个buffer中都存放真实的数据。一般包含"name"、"byteLength"和"uri"字段。其中，"name"和"uri"并不是必需有的。
"byteLength"表示了数据的真实的字节长度。
"uri"字段有三种情况，对应的文件三种形式：
如果是glb文件，则没有这个字段，其数据可以通过之前的偏移，直接从glb的buffer中取出来；
如果是外部文件方式，则这个字段是文件路径，一般是.bin的数据文件，其中的数据，可以直接读取使用的；
如果是内嵌式的，则这个字段是经过base64编码后的字符串，解析时需要base64解码才可以使用这个数据。
解析"materials"字段，包含"name"、"emissiveFactor"、"emissiveTexture"、"normalTexture"、"occlusionTexture"和"pbrMetallicRoughness"，主要是提供了pbr渲染时，所需要的纹理信息。
其中"emissiveTexture"、"normalTexture"、"occlusionTexture"三个字段中的"index"值和pbrMetallicRoughness"中包含的"baseColorTexture"和"metallicRoughnessTexture"中的"index"值，对应的是"textures"字段数组的索引。
解析"textures"字段，一般包含"name"、"sampler"和"source"。其中"sampler"对应的是"samplers"数组中的索引；"source"对应的是"images"数组中的索引。
解析"samplers"字段，包含"magFilter"、"minFilter"、"wrapS"、"wrapT"字段。
"magFilter"、"minFilter"对应的是纹理的滤波试，其值：
9728表示GL_NEAREST; 9729表示GL_LINEAR；9984表示GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST；9985表示GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST；9986表示GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR；9987表示GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR 。
"wrapS"、"wrapT"对应的是纹理的环绕方式，其值如：
33071表示GL_CLAMP_TO_EDGE；33648表示GL_MIRRORED_REPEAT；10497表示GL_REPEAT。
解析"images"其中包含"mimeType"、"name"、"uri"和"bufferView"。其中"mimeType"给出了图片的格式。 "uri"也是分为三种情况，如果是glb文件，则这个字段为空，可以通过给出的"bufferView"的索引，查询相关的数据并读取。如果是内嵌式文件，则真实的数据，以base64编码的形式写入文件，解析时，需要base64解码来读取真实的内容，其中前前面的部分字节内容为"***;base64,"表示的是这个文件是什么格式的，并以base64进行了编码处理。之后的字段才是真实的图片内容。如果是外部文件格式的，则其内容为图片的路径。
"bufferView"这个字段，也只是glb时，才会有。
解析"cameras"字段，是个数组，可以有多个相机。一般有包含"type"字段，为字符串，其值为"perspective"或是"orthographic"，表示这个相机是透视的还是正交的。这个类型不一样，其包含的字段也是不一样的。
perspective时，包含"aspectRatio"、"yfov"、"zfar"、"znear"。
orthographic时，包含"xmag"、"ymag"、"zfar"、"znear"。
解析灯光，灯光并没有字段"light"，而是要先找到"KHR_lights_punctual"字段，再从这个对象里找"lights"字段。然后解析出灯光的"name"、"color"和"type"。"type"以字符串的形式，表示当前的灯光是什么类型的，其值为"point"、"DOT"和"direction"。"color"的值是个数组，所以颜色的通道数，不一定是3或4。

概述

模型加载顺序为，先加载gltf文件，然后解析依次读取scenes、nodes、meshes、accessors、bufferViews、buffers、materials、textures、images。其中每个mesh包括一个bufferViews和一个materials。每一层的递进都有数组下标来确定。

scenes 场景

  scenes:[{nodes:0}]，
  scene:0

一般模型只有一个也是默认场景，如果是多个，则根据对应的scene字段确定哪一个是默认场景，参考数据结构部分的数据，每一个scene都包含一个nodes字段，指定了scene的根结点。本例中nodes对应的值为0，代表根节点为nodes字段下对应的第一个元素。

nodes 节点

  nodes:[
  {
     name:"rootModel",
     children:[1]
  },
  {
     name:"floor1",
     children:[2]
  },
  {
     name:"room1",
     mesh:0
  }
]

nodes用来组装模型层级，第一个节点是父节点，children字段指定它所包含的子节点。
nodes节点分为俩种，一种是有children字段的，最终会渲染成group，一种是有mesh字段的最终渲染为mesh，mesh字段的值为meshes数组的小标。

meshes 网络

  meshes:[
    {
      name:"mesh1",
      primitives:[
          {attributes:{POSITION:0, NORMAL :1,TEXCOORD_0:0},indices:0, material:0,mode:4}
      ]
    }
]

网格由多个面和材质组成，通过primitives字段指定。

attributes 指定了顶点、顶点法线、uv坐标在accessors数组的对应数据的下标。
POSITION - 顶点
NORMAL - 顶点法线，顶点法线不是必须，导入引擎时可生成
TEXCOORD_0 - uv坐标
indices 指定了面在accessors数组的对应数据的下标
material 指定了该mesh的材质在materials数组中的下标

accessors 访问器

  accessors:[
        {name:"postions_0", componentType:5126, count:100, bufferView:0, byteOffset:0,type:"VEC3",max:[],min:[]}
  ]

访问器是链接bufferView和mesh之间的桥梁，主要作用是对bufferView中数据进行进一步描述

componentType 数据类型浮点或者整形
count 数量总和（顶点总数或者面总数，通过此字段可计算模型的总顶点数、总面数，对于模型性能分析和优化有很大作用
bufferView 对应数据在bufferViews中的下标

bufferViews 缓冲区视图

   bufferViews:[ 
      {name:"view0",buffer:0,byteLength: 144, byteOffset: 0, byteStride: 12, target: 34962}
   ]

buffer 对应的数据在buffers数组中的下标
byteLength 该缓冲区对于的数据长度
byteOffset 在buffer中的起始位置

buffers 缓冲区

  buffers:[{name:1,uri:"1.bin"}]

uri 该缓冲区对于的bin文件，bin文件的作用参考第一部分的介绍

从mesh走到bin文件，模型的骨骼已经确定了，顶点、法线、面、都有了，剩下的就是给模型添加材质贴图，这一部分也是从mesh出发，由mesh下的material字段指定对应的材质

materials 材质

  materials:[
        {name:"m0", pbrMetallicRoughness:{baseColorTexture:{index:0}}}
    ]

baseColorTexture 对应textures数组下标

textures 纹理

  textures:[{name:"t0",source:0}],

source 对应images数组下标

images 贴图

  images:[{name:"img0",uri:"1.jpg"]

总的流程如下图