3D文件就是用来存储3D模型信息，一般用文本或二进制进行存储。目前，3D文件的格式有很多，像stl、step、obj、fbx(Autodesk)、3ds、dae、gltf等等，那么这些文件存储又有何差异呢？

通常情况下，一个3D模型文件存储的主要信息是什么？

geometry汉译为几何，主要是用来描述模型本身的形状。一个3D模型，最基本的组成就是它的形状，所以，geometry是所有3D文件最基本功能，每种3D文件都支持这一点，否则，它们将不被视为3D文件格式。

那么，3D文件中，geometry又是用什么数据形式来表示呢？让我们先来了解一下顶点。

按我们已有的认知，点成线，线成面，面成体。在3D文件，也是如此，我们可以先来看一个3D模型文件。

仔细看，我们不难发现，上面的3D模型，可以划分成一个个三角面，每3个点构成一个三角面，而这些点，就是我们所说的顶点

利用顶点的位置信息，我们可以绘制出我们想要的3D模型。

这里我们用obj来进行测试（因为它的格式是最容易理解的了，但并不是最简单的格式，后面会说明），保存下列代码，命名为《三角形.obj》，mac用户对着文件按空格就可以看到它的形状。

这里v就代表顶点，后面跟着这个obj的3d坐标（xyz）。f 代表面，后面跟着形成该面顶点对应的索引，就是这么简单，obj格式是不是很好理解啊。

我们可以再加一个点，画2个三角形，就形成一个四边形。

修改一下第四个点的z坐标，就可以变成立体的，可以试一下。

到这里，我们已经了解到一个3D模型文件最基本的组成——顶点，我们通过构建顶点的位置，构建出一个个三角面，就可以形成我们想要3D形状。

STL文件格式就是只存储了顶点位置信息的一种格式，也是我目前了解到最简单的一种文件格式之一，用一个个三角形网格，来表现3D CAD模型，后面我会用其他文章来介绍这个文件格式的。

讲到这里，对于有接触3D的朋友，在听到顶点的时候，一般也会接触到顶点法线和顶点纹理坐标，那这些又是什么呢？

首先，我们先来了解一下，什么是法线。法线，并不是3D行业特有的名词，在物理光学中，其实我们早学过这个概念。我们先来温习一下，如何根据入射光，计算一个反射光

伟大的物理老师曾经告诉我们，求一个面的反射光，先作平面的垂直线，根据入射角和反射角相等，画出反射线，而这条垂直于反射平面的直线，就是法线

在3D世界中，除了具有形状的模型，一般是有光源，对模型进行光照，我们才能看到模型，以及看到模型的效果。（像上面用mac查看obj，没有场景，没有光源，但其实系统是给了默认的光源）

那么模型接收到光照时，有多少光照信息反射给我们，这就由我们的法线决定了。一般是包含面法线和顶点法线

（1）面法线

看回我们上面的例子，三角形.obj，我们可以根据构成的三角面，求出面所处的法线，我们称之为面法线。也是在没有定义顶点法线时，模型中默认含有的法线信息。

（2）顶点法线

什么是顶点法线呢？其实也就是顶点所在平面的法线，反之，定义了顶点法线，相当于定义了顶点所在的平面。

而我们的面上点的法线，可以通过构成面的顶点的法线的均值来计算。 

在接触过3D的童鞋不难发现，相对于面法线，顶点法线是我们用的更多，这又是为啥呢？

我们可以看下面一个两个在空间中互相垂直，且共享一条边的三角形，我们画出默认的“面法线”

在有一束光进来的时候，我们会发现，由于两个面法线互相垂直，当一个面很亮（反射光较多，接近90度入射时），另一个面会很暗（反射光较少，接近0度入射），那么两个面就会出现很强烈的“边缘感”。

而如果我们用的是顶点法线，两个面上的点的法线是由2个共享顶点的法线以及1个不同顶点的法线求均值来，所以两面的反射光照信息会更接近，边缘会更“光滑”。

所以，在模型文件中，我们看见的更多是用顶点法线来存储法线信息

接下来，我们继续看下obj文件是怎么存储法线信息的，我们给我们原来的加上法线信息，vn代表法线，f postion_index/tex_index/normal_index，这里我们先不设置纹理坐标

纹理，其实就是在模型上的贴图（图片），可以简单理解为，我们用图片给模型套上一层外观。由于涉及到材质，这里我们只是简单的说下顶点uv坐标的原理。

先看看上面的模型（百度随便找的图），它是一个人的模型，我们给它贴上了一张UV图，那么它的身体就会变成紫色，裤子就会变成蓝色，是不是很神奇？

这时候，你就会发现一个问题，你完全看不懂UV图的规律，为啥UV图长这个鬼样子，贴给一个模型，它为什么就能自动把裤子，身体，四肢自动的填充对应的纹理呢？（一开始接触我也以为随便找张图贴上去就对了）

这就得归功于我们顶点的纹理坐标了：3d模型顶点的position信息，决定了模型在三维位置的位置，而贴图是二维坐标。这时候我们只需要在每个顶点，附上一个二维坐标，那么三个顶点在空间构成的三角面，就可以在贴图上找到对应的三角面，形成映射，就可以完成纹理的填充了。

在obj中，vt代表uv坐标，一个含有的顶点位置、顶点法线、顶点uv坐标的模型格式是长这样的。有编辑器，可以上传该模型，然后贴个贴图看看效果。

mesh，网格，一般是由顶点组成的一个个三角面构成。mesh有点类似分组的概念，将我们模型分成一个个mesh，例如上面人的模型，我们可以分成头部、身体、左腿、右腿、双手几个mesh，这样子我们就可以对这几个Mesh进行不同的处理，当然也可以把整个人合并成一个mesh。一个模型所有的mesh组成了我们一开始所说的geometry。

形成geometry的mesh有三种方式，分别是：

（1）approximate mesh

 就是我们上面所说的用无数个三角面，近似我们想要的3d模型形状，目前我们接触到的大部分3d文件都是用这个方式，我们整篇文章也主要是以这种方式进行解释。

（2）precise mesh 

approximate mesh 近似网格只适用精度要求不是很高的模型应用场景，但是有一些需要高精度的应用场景(像构建大型飞机零部件，尤其是曲面部分），用近似网格，就会产生棱角，不够光滑。

precise mesh会采用Non-Uniform Rational B-Spline patches技术而不是三角网络来实现高精度模型，简单来讲，就是通过控制点和一些控制曲面的弯曲度，从而实现更高精度的面结构。

（3）constructive solid geometry

还有一种是完全没用到mesh（网络）的形式，而是用一个个最原始的形状去拼接，被称为constructive solid geometry 。像拿两个球体+一个圆柱体，就可以形成一个杠铃

这种方式操作简单，对于一些简单模型更容易实现。

在上面，我们在解释顶点的uv坐标，其实我们已经有提到纹理贴图。简单再说一次，我们给模型顶点设置一组(u,v)的坐标，就可以将贴图每个像素二维的位置映射到模型顶点的三维坐标上，将贴图“贴”上模型。

贴图包括纹理坐标，并不像模型的顶点位置，是模型的必备信息，所以你会发现，像ply/stl这些模型格式是没办法存储这些信息的。而我们的obj，为了支持纹理包括下面要提到的材质信息（其实纹理贴图一般是会关联到材质信息的某个属性），定义了一个扩展文件，叫做mtl。

这里我们可以拿上面的，有uv信息的obj，关联个mtl文件和一张贴图，看下效果。

obj文件中mtlib代表关联mtl文件名，usemtl 表示下面的face用该材质，mtl中newmtl关联材质名，下面是材质属性，分别是环境光贴图和漫反射贴图，200.jpeg可以是任意一张贴图，并和obj和mtl文件置于同个文件。这里建议用xcode打开，mac自带的obj预览是无法自动关联。

 3D模型动画的基本原理：让模型的各顶点位置随时间变化而变化。一般模型动画会分成Morph动画、关节动画和骨骼蒙皮动画 。

这3种动画的基本原理都是基于关键帧的方式，并对动画进行帧补间（其他帧通过插值）的方式实现，只不过他们关键帧存储数据的方式不同而已。

这里我们可以看下一个行人动画的关键帧（图是网上随便找的），这个动画是由3个关键帧数据组成（人站着，人蹲下，人站起来），引擎读取到数据后，知道模型在t0，t6，t12的帧动画，但如果直接显示这3张图片，你会发现动画会闪过3张图，毫无流畅性可言。

所以引擎会在t1-t5，t7-t11通过插帧的方式，补足动画（图中的虚线部分），让动画流程起来，当然插帧的方式有很多，最简单就是对每个顶点的位置数据取平均值。

Morph（渐变，变形）动画是直接指定动画每一帧的顶点位置，其动画关键中存储的是Mesh全部顶点在关键帧相应时刻的位置。

关节动画是将模型分成非常多部分(Mesh)，通过一个父子层次结构将这些分散的Mesh组织在一起，父Mesh带动其下子Mesh的运动，各Mesh中的顶点坐标定义在自己的坐标系中，这样各个Mesh是作为一个总体參与运动的。

关节动画的问题是，各部分Mesh中的顶点是固定在其Mesh坐标系中的，这样在两个Mesh结合处就可能产生裂缝。骨骼蒙皮动画的出现攻克了关节动画的裂缝问题。

骨骼动画的基本原理可概括为：在骨骼控制下，通过顶点混合动态计算蒙皮网格的顶点，而骨骼的运动相对于其父骨骼，并由动画关键帧数据驱动。

除了我们上面提到模型的形状、材质和动画，我们在一些高级的模型格式，像fbx、gltf，是有scene（场景）这个概念。场景主要是描绘了模型、灯光、摄像机以及其他模型之间的层次关系，我们可以看下Gltf的场景结构：

像早先的模型格式，像stl/ply，它们就只有mesh信息，而obj一些较高级的模型数据格式就会引入了material、texture，他们会用group等概念来分组管理，再高级点的像fbx、gltf，会引入骨骼、动画、摄像机，同时用scene和node的方式来管理模型内的资源。