3D - FBX文件格式解析[转]

Author： AIHGF
发布时间：May 22, 2022
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Categories：图形学3D

原文1 - 看我七十二变：fbx格式
原文2 - 快用Python解析fbx格式！便捷！高效！易操作！
原文3 - FBX模型的"影分身术"
出处 - 网新电气IN VETA数字孪生引擎 - 微信公众号

Autodesk FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平台的免费三维创作与交换格式的软件，通过FBX用户能访问大多数三维供应商的三维文件.

FBX文件格式支持所有主要的三维数据元素以及二维、音频和视频媒体元素.

FBX对于三维软件的兼容性非常非常强大，几乎所有的三维软件或者游戏引擎全部都支持导入FBX模型，所以FBX格式已然成为新时代的互导利器.

FBX有两种文件模型，一种是二进制文件，另外一种是ASCII文件. 二进制文件文件大小和加载速度上面具有天然的优势，但是在可读性和易于集成方面不如ASCII文件. 本来主要基于ASCII文件格式进行研究.

1. FBX-ASCII

这里通过一系列示例来研究FBX的数据存储方法.

在3dmax中新建一个正方体，属性如下：

1.系统单位为米
2.长、宽、高为1米
3.场景中位置为(0,1,0)
4.材质为pbr材质，名称为M001
5.Z轴向上

效果图和导出格式如下：

1.1. 全局的配置

全局的配置存放在 GlobalSettings 结构里，通过 UpAxis 表示向上的坐标轴，其中Y轴向上值为1，若Z轴向上值为2. 通过OriginalUnitScaleFactor存放系统单位，值为100表示单位为1米. 示例如下:

GlobalSettings:  {
 Version: 1000
 Properties70:  {
  P: "UpAxis", "int", "Integer", "",2
  P: "OriginalUnitScaleFactor", "double", "Number", "",100.00000066
 }
}

1.2. 默认设置

对象的默认属性存储在Object definitions字段. 这样就可以不在下面的具体定义中体现默认值了，可以有效地减少存储空间. 例如网格体的部分默认属性设置示例如下：

 ObjectType: "Model" {
  Count: 1
  PropertyTemplate: "FbxNode" {
   Properties70:  {
    P: "QuaternionInterpolate", "enum", "", "",0
    P: "RotationStiffnessX", "double", "Number", "",0
    P: "RotationStiffnessY", "double", "Number", "",0
    P: "RotationStiffnessZ", "double", "Number", "",0
    P: "AxisLen", "double", "Number", "",10
    P: "PreRotation", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
    P: "PostRotation", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
    P: "RotationActive", "bool", "", "",0
   }
  }
 }

1.3. 对象定义

对象的定义是整个FBX格式中最核心的单元，这里定义了几何形状、模型、材质等组成模型的必要元素.

1.3.1. Geometry对象

保存了对象的顶点、多边形、法线、UV、材质.

顶点数据格式如下:

Vertices: *24 {
   a: -0.5,-0.5,0,0.5,-0.5,0,-0.5,0.5,0,0.5,0.5,0,-0.5,-0.5,1,0.5,-0.5,1,-0.5,0.5,1,0.5,0.5,1
  }

这里实际上只有8个顶点，因为每个顶点坐标需要用(x,y,z)三个值来表示.

多边形格式如下：

PolygonVertexIndex: *24 {
   a: 0,2,3,-2,4,5,7,-7,0,1,5,-5,1,3,7,-6,3,2,6,-8,2,0,4,-7
  }

这里为了区分模型网格是三角面还是四边面，如果数据每隔三个为负数则为三角面，每隔四个为四边面.

如何将负数的索引值转成有效索引数据呢？

假如n为负数索引值，m = |n|-1 . m为计算后的正确索引值. 可以看到是每隔四个一个负数，这说明是四边形.

另外法线信息存储在LayerElementNormal中，uv信息存储在LayerElementUV中，材质信息存储在LayerElementMaterial中. 这些信息与模型关联通过总的Layer来进行. 示例如下：

Layer: 0 {
   Version: 100
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementNormal"
    TypedIndex: 0
   }
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementMaterial"
    TypedIndex: 0
   }
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementUV"
    TypedIndex: 0
   }
  }

1.3.2. Model对象

Model对象主要用来存储模型的平移、旋转、缩放信息. 如，模型在场景中坐标为(0,1，0) 通过Lcl Translation字段来存储，示例如下

 Model: 2358487033216, "Model::Box001", "Mesh" {
  Version: 232
  Properties70:  {
   P: "InheritType", "enum", "", "",1
   P: "ScalingMax", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
   P: "DefaultAttributeIndex", "int", "Integer", "",0
   P: "Lcl Translation", "Lcl Translation", "", "A",0,1,0
   P: "MaxHandle", "int", "Integer", "UH",15
  }
  Shading: T
  Culling: "CullingOff"
 }

1.4.2. Material对象

材质对象通过Material来标识，这里存储的是pbr此安置，定义示例如下：

Material: 2356630663440, "Material::M001", "" {
  Version: 102
  ShadingModel: "unknown"
  MultiLayer: 0
  Properties70:  {
   P: "SpecularColor", "ColorRGB", "Color", "",1,1,1
   P: "SpecularFactor", "double", "Number", "",2
   P: "ShininessExponent", "double", "Number", "",1024
   P: "TransparencyFactor", "double", "Number", "",0
   P: "EmissiveColor", "ColorRGB", "Color", "",0,0,0
   P: "EmissiveFactor", "double", "Number", "",0
   P: "3dsMax", "Compound", "", ""
   P: "3dsMax|ClassIDa", "int", "Integer", "",2121471519
  }
 }

1.4.3. 对象关联

通过Connections字段来实现Geometry对象、Model对象、Material对象以及父子节点的关联. 示例如下：

Connections:  {
 
 ;Model::Box001, Model::RootNode
 C: "OO",2358487033216,0
 
 ;Geometry::, Model::Box001
 C: "OO",2358344616656,2358487033216
 
 ;Material::M001, Model::Box001
 C: "OO",2356630663440,2358487033216
 
}

对象的关联分为四种类型：

● OO: Object (source) to Object (destination).
● OP: Object (source) to Property (destination).
● PO: Property (source) to Object (destination).
● PP: Property (source) to Property (destination).

子节点往往通过source来表示. 材质和几何体也通过source来表示，这里有3个连接，分别代表：

[1] - Box001的父节点是RootNode
[2] - Box001的几何体是id为2358344616656的几何体
[3] - Box001的材质是M001材质

2. Python 解析 FBX 格式

FBX 官方提供了C++和python两种 FBX 解析库. 参考网址：https://www.autodesk.com/developer-network/platform-technologies/fbx-sdk-2020-3

其中，FBX Python SDK：

Windows FBX SDK 2020.3.1 Python (exe - 5571Kb)
Mac FBX SDK 2020.3.1 Python (tgz - 4066Kb)
Linux FBX SDK 2020.3.1 Python (gz - 5052Kb)

但，官方的SDK只支持 Python2.7 和 3.3.

对此，就需要用到 FBX Python Bindings，根据对应的 Python 版本进行编译.

Windows FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (exe - 989Kb)
Mac FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (tgz - 341Kb)
Linux FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (gz - 567Kb)

Github 已有编译好的库，https://github.com/Shi-Iho/FBX-Python-SDK-for-Python3.x，支持 Python3.7 和 3.8.

2.1. FBX Python库安装

找到 Python 安装目录，然后将 FBX 的3个库(fbx.pyd、FbxCommon.py、fbxsip.pyd）拷贝到lib/site-packages目录下，如：

Programs/Python/Python37/lib/site-packages

然后还需要在该目录新建一个空fbx文件夹，之后即可在代码中进行调用.

2.2. FBX Python库调用

2.2.1. 加载FBX文件

示例如:

from fbx import *
import FbxCommon as FbxCommon

sdk_manager, scene = FbxCommon.InitializeSdkObjects()
lResult = FbxCommon.LoadScene(sdk_manager, scene, 'tt.fbx')

其中sdk_manager是fbxsdk的内存管理对象，scene就是加载的fbx文件的场景.

2.2.2. 获取网格体对象

每个场景会有一个根节点，通过如下方法来获取:

root_node = scene.GetRootNode()

fbx是用一颗树来管理对象，每个树的节点称为node. 由于主要关注网格体对象，所以就以这个为示例. 网格体对象不是node节点，而且其属性值，通过如下方法获取：

lAttributeType = (pNode.GetNodeAttribute().GetAttributeType())
if lAttributeType == FbxNodeAttribute.eMesh:
    lMesh = pNode.GetNodeAttribute ()

2.2.3. 获取网格对象基本属性

[1] - 获取顶点数据

lControlPointsCount = lMesh.GetControlPointsCount()
lControlPoints = lMesh.GetControlPoints()

[2] - 获取面数据

lPolygonCount = pMesh.GetPolygonCount()
for i in range(lPolygonCount):
    lPolygonSize = pMesh.GetPolygonSize(i)
    for j in range(lPolygonSize):
        lControlPointIndex = pMesh.GetPolygonVertex(i, j)

说明：

lPolygonCount：面的总个数
lPolygonSize：面的形状（三角形或者四边形）
lControlPointIndex：面的顶点的索引，这里顶点数据到上面的lControlPoints 中去获取

[3] - uv坐标

uv坐标和顶点的获取方式不太一样，需要遍历Layer获取. 而Layer可能会有多个，这样网格体就具备了多套uv的能力.

for l in range(pMesh.GetLayerCount()):
    leUV = pMesh.GetLayer(l).GetUVs()

[4] - 获取法线

法线的获取与uv坐标的获取方式类似，都需要遍历Layer来获取.

for j in range(pMesh.GetLayerCount()):
    leNormals = pMesh.GetLayer(j).GetNormals()

[5] - 获取材质

材质并没有存储在mesh中，而是需要到node节点中去获取. 获取方法如下：

lNode = pMesh.GetNode()
lMaterialCount = lNode.GetMaterialCount()
for lCount in range(lMaterialCount):
    lMaterial = lNode.GetMaterial(lCount)

材质对象和网格体对象是两个互相独立的对象，之后都与node节点进行关联. 不过网格体对象的Layer中也会记录引用材质对象的索引.

Last modification：June 16th, 2022 at 03:47 pm

3D - FBX文件格式解析[转]

AIHGF • 2022 年 05 月 22 日

原文1 - 看我七十二变：fbx格式
原文2 - 快用Python解析fbx格式！便捷！高效！易操作！
原文3 - FBX模型的"影分身术"
出处 - 网新电气IN VETA数字孪生引擎 - 微信公众号

Autodesk FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平台的免费三维创作与交换格式的软件，通过FBX用户能访问大多数三维供应商的三维文件.

FBX文件格式支持所有主要的三维数据元素以及二维、音频和视频媒体元素.

FBX对于三维软件的兼容性非常非常强大，几乎所有的三维软件或者游戏引擎全部都支持导入FBX模型，所以FBX格式已然成为新时代的互导利器.

1. FBX-ASCII

这里通过一系列示例来研究FBX的数据存储方法.

在3dmax中新建一个正方体，属性如下：

1.系统单位为米
2.长、宽、高为1米
3.场景中位置为(0,1,0)
4.材质为pbr材质，名称为M001
5.Z轴向上

效果图和导出格式如下：

1.1. 全局的配置

GlobalSettings:  {
 Version: 1000
 Properties70:  {
  P: "UpAxis", "int", "Integer", "",2
  P: "OriginalUnitScaleFactor", "double", "Number", "",100.00000066
 }
}

1.2. 默认设置

 ObjectType: "Model" {
  Count: 1
  PropertyTemplate: "FbxNode" {
   Properties70:  {
    P: "QuaternionInterpolate", "enum", "", "",0
    P: "RotationStiffnessX", "double", "Number", "",0
    P: "RotationStiffnessY", "double", "Number", "",0
    P: "RotationStiffnessZ", "double", "Number", "",0
    P: "AxisLen", "double", "Number", "",10
    P: "PreRotation", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
    P: "PostRotation", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
    P: "RotationActive", "bool", "", "",0
   }
  }
 }

1.3. 对象定义

对象的定义是整个FBX格式中最核心的单元，这里定义了几何形状、模型、材质等组成模型的必要元素.

1.3.1. Geometry对象

保存了对象的顶点、多边形、法线、UV、材质.

顶点数据格式如下:

Vertices: *24 {
   a: -0.5,-0.5,0,0.5,-0.5,0,-0.5,0.5,0,0.5,0.5,0,-0.5,-0.5,1,0.5,-0.5,1,-0.5,0.5,1,0.5,0.5,1
  }

这里实际上只有8个顶点，因为每个顶点坐标需要用(x,y,z)三个值来表示.

多边形格式如下：

PolygonVertexIndex: *24 {
   a: 0,2,3,-2,4,5,7,-7,0,1,5,-5,1,3,7,-6,3,2,6,-8,2,0,4,-7
  }

这里为了区分模型网格是三角面还是四边面，如果数据每隔三个为负数则为三角面，每隔四个为四边面.

如何将负数的索引值转成有效索引数据呢？

假如n为负数索引值，m = |n|-1 . m为计算后的正确索引值. 可以看到是每隔四个一个负数，这说明是四边形.

Layer: 0 {
   Version: 100
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementNormal"
    TypedIndex: 0
   }
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementMaterial"
    TypedIndex: 0
   }
   LayerElement:  {
    Type: "LayerElementUV"
    TypedIndex: 0
   }
  }

1.3.2. Model对象

Model对象主要用来存储模型的平移、旋转、缩放信息. 如，模型在场景中坐标为(0,1，0) 通过Lcl Translation字段来存储，示例如下

 Model: 2358487033216, "Model::Box001", "Mesh" {
  Version: 232
  Properties70:  {
   P: "InheritType", "enum", "", "",1
   P: "ScalingMax", "Vector3D", "Vector", "",0,0,0
   P: "DefaultAttributeIndex", "int", "Integer", "",0
   P: "Lcl Translation", "Lcl Translation", "", "A",0,1,0
   P: "MaxHandle", "int", "Integer", "UH",15
  }
  Shading: T
  Culling: "CullingOff"
 }

1.4.2. Material对象

材质对象通过Material来标识，这里存储的是pbr此安置，定义示例如下：

Material: 2356630663440, "Material::M001", "" {
  Version: 102
  ShadingModel: "unknown"
  MultiLayer: 0
  Properties70:  {
   P: "SpecularColor", "ColorRGB", "Color", "",1,1,1
   P: "SpecularFactor", "double", "Number", "",2
   P: "ShininessExponent", "double", "Number", "",1024
   P: "TransparencyFactor", "double", "Number", "",0
   P: "EmissiveColor", "ColorRGB", "Color", "",0,0,0
   P: "EmissiveFactor", "double", "Number", "",0
   P: "3dsMax", "Compound", "", ""
   P: "3dsMax|ClassIDa", "int", "Integer", "",2121471519
  }
 }

1.4.3. 对象关联

通过Connections字段来实现Geometry对象、Model对象、Material对象以及父子节点的关联. 示例如下：

Connections:  {
 
 ;Model::Box001, Model::RootNode
 C: "OO",2358487033216,0
 
 ;Geometry::, Model::Box001
 C: "OO",2358344616656,2358487033216
 
 ;Material::M001, Model::Box001
 C: "OO",2356630663440,2358487033216
 
}

对象的关联分为四种类型：

● OO: Object (source) to Object (destination).
● OP: Object (source) to Property (destination).
● PO: Property (source) to Object (destination).
● PP: Property (source) to Property (destination).

子节点往往通过source来表示. 材质和几何体也通过source来表示，这里有3个连接，分别代表：

[1] - Box001的父节点是RootNode
[2] - Box001的几何体是id为2358344616656的几何体
[3] - Box001的材质是M001材质

2. Python 解析 FBX 格式

FBX 官方提供了C++和python两种 FBX 解析库. 参考网址：https://www.autodesk.com/developer-network/platform-technologies/fbx-sdk-2020-3

其中，FBX Python SDK：

Windows FBX SDK 2020.3.1 Python (exe - 5571Kb)
Mac FBX SDK 2020.3.1 Python (tgz - 4066Kb)
Linux FBX SDK 2020.3.1 Python (gz - 5052Kb)

但，官方的SDK只支持 Python2.7 和 3.3.

对此，就需要用到 FBX Python Bindings，根据对应的 Python 版本进行编译.

Windows FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (exe - 989Kb)
Mac FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (tgz - 341Kb)
Linux FBX SDK 2020.3.1 Python Bindings (gz - 567Kb)

Github 已有编译好的库，https://github.com/Shi-Iho/FBX-Python-SDK-for-Python3.x，支持 Python3.7 和 3.8.

2.1. FBX Python库安装

找到 Python 安装目录，然后将 FBX 的3个库(fbx.pyd、FbxCommon.py、fbxsip.pyd）拷贝到lib/site-packages目录下，如：

Programs/Python/Python37/lib/site-packages

然后还需要在该目录新建一个空fbx文件夹，之后即可在代码中进行调用.

2.2. FBX Python库调用

2.2.1. 加载FBX文件

示例如:

from fbx import *
import FbxCommon as FbxCommon

sdk_manager, scene = FbxCommon.InitializeSdkObjects()
lResult = FbxCommon.LoadScene(sdk_manager, scene, 'tt.fbx')

其中sdk_manager是fbxsdk的内存管理对象，scene就是加载的fbx文件的场景.

2.2.2. 获取网格体对象

每个场景会有一个根节点，通过如下方法来获取:

root_node = scene.GetRootNode()

lAttributeType = (pNode.GetNodeAttribute().GetAttributeType())
if lAttributeType == FbxNodeAttribute.eMesh:
    lMesh = pNode.GetNodeAttribute ()

2.2.3. 获取网格对象基本属性

[1] - 获取顶点数据

lControlPointsCount = lMesh.GetControlPointsCount()
lControlPoints = lMesh.GetControlPoints()

[2] - 获取面数据

lPolygonCount = pMesh.GetPolygonCount()
for i in range(lPolygonCount):
    lPolygonSize = pMesh.GetPolygonSize(i)
    for j in range(lPolygonSize):
        lControlPointIndex = pMesh.GetPolygonVertex(i, j)

说明：

lPolygonCount：面的总个数
lPolygonSize：面的形状（三角形或者四边形）
lControlPointIndex：面的顶点的索引，这里顶点数据到上面的lControlPoints 中去获取

[3] - uv坐标

uv坐标和顶点的获取方式不太一样，需要遍历Layer获取. 而Layer可能会有多个，这样网格体就具备了多套uv的能力.

for l in range(pMesh.GetLayerCount()):
    leUV = pMesh.GetLayer(l).GetUVs()

[4] - 获取法线

法线的获取与uv坐标的获取方式类似，都需要遍历Layer来获取.

for j in range(pMesh.GetLayerCount()):
    leNormals = pMesh.GetLayer(j).GetNormals()

[5] - 获取材质

材质并没有存储在mesh中，而是需要到node节点中去获取. 获取方法如下：

lNode = pMesh.GetNode()
lMaterialCount = lNode.GetMaterialCount()
for lCount in range(lMaterialCount):
    lMaterial = lNode.GetMaterial(lCount)

材质对象和网格体对象是两个互相独立的对象，之后都与node节点进行关联. 不过网格体对象的Layer中也会记录引用材质对象的索引.

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1. FBX-ASCII

1.1. 全局的配置

1.2. 默认设置

1.3. 对象定义

1.3.1. Geometry对象

1.3.2. Model对象

1.4.2. Material对象

1.4.3. 对象关联

2. Python 解析 FBX 格式

2.1. FBX Python库安装

2.2. FBX Python库调用

2.2.1. 加载FBX文件

2.2.2. 获取网格体对象

2.2.3. 获取网格对象基本属性

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1.2. 默认设置

1.3. 对象定义

1.3.1. Geometry对象

1.3.2. Model对象

1.4.2. Material对象

1.4.3. 对象关联

2. Python 解析 FBX 格式

2.1. FBX Python库安装

2.2. FBX Python库调用

2.2.1. 加载FBX文件

2.2.2. 获取网格体对象

2.2.3. 获取网格对象基本属性