PLY檔案格式及其解析

Ply檔案格式是Stanford大學開發的一套三維mesh模型資料格式，圖形學領域內很多著名的模型資料，比如Stanford的三維掃描資料庫[1]（其中包括很多文章中會見到的Happy Buddha、Dragon、Bunny兔子），Geogia Tech的大型幾何模型庫[3]，北卡（UNC）的電廠模型[4]等，最初的模型都是基於這個格式的。

PLY多邊形檔案格式的開發目標是建立一套針對多邊形模型的，結構簡單但是能夠滿足大多數圖形應用需要的模型格式，而且它允許以ASCII碼格式或二進位形式隱藏檔。PLY的開發人員希望，這樣一套既簡單又靈活的檔案格式，能夠協助開發人員避免重複開發檔案格式的問題。然而由於各種各樣的原因，在工業領域內，新的檔案格式仍然在不斷的出現，但是在圖形學的研究領域中，PLY還是種常用且重要的檔案格式。

PLY作為一種多邊形模型資料格式，不同於三維引擎中常用的情境圖檔案格式和指令檔，每個PLY檔案只用於描述一個多邊形模型對象（Object），該模型對象可以通過諸如頂點、面等資料進行描述，每一類這樣的資料被稱作一種元素（Element）。相比於現代的三維引擎中所用到的各種複雜格式，PLY實在是種簡單的不能再簡單的檔案格式，但是如果仔細研究就會發現，就像設計者所說的，這對於絕大多數的圖形應用來說已經是足夠用了。

PLY的檔案結構同樣很簡單：檔案頭加上元素資料列表。其中檔案頭中以行為單位描述檔案類型、格式與版本、元素類型、元素的屬性等，然後就根據在檔案頭中所列出元素類型的順序及其屬性，依次記錄各個元素的屬性資料。

下面這個例子是一個典型的ASCII格式的PLY檔案，其所描述的是一個立方體。

ply

format ascii 1.0             ...{ 檔案類型：ascii或binary，版本號碼 }

comment made by anonymous   ... { 注釋行 }

comment this file is a cube  ...{ 注釋行 }

element vertex 8             ...{ 定義“頂點”元素，其數量為8個 }

property float32 x           ...{ 頂點的x屬性，資料類型為float32 }

property float32 y           ...{ 頂點的x屬性，資料類型為float32 }

property float32 z           ...{ 頂點的x屬性，資料類型為float32 }

element face 6               ...{ 定義“面”元素，其數量為6個 }

property list uint8 int32 vertex_index ...{ 面的頂點索引屬性，類型為uint8的列表 }

end_header                   ...{ 檔案頭結束標誌 }

0 0 0                        ...{ 頂點元素列表 }

0 0 1

0 1 1

0 1 0

1 0 0

1 0 1

1 1 1

1 1 0

4 0 1 2 3                    ...{ 面元素列表 }

4 7 6 5 4

4 0 4 5 1

4 1 5 6 2

4 2 6 7 3

4 3 7 4 0

從這個檔案的檔案頭可以看到，檔案定義的對象由8個頂點元素和6個多邊形面元素組成，其中頂點元素包括x、y、z三個屬性，其在檔案中均為32位浮點類型，而多邊形面元素則只包括一個頂點索引列表的屬性，作為一個列表屬性，它包括兩部分，即列表元素的數量（uint8類型）及各個列表元素（int32類型），其中每個列表屬性的資料包括4個列表元素，分別表示每個多邊形面的4個頂點的索引。

PLY格式支援如下的資料類型。 

name        type        number of bytes

---------------------------------------

int8       character                       1

uint8      unsigned character        1

int16      short integer                 2

uint16     unsigned short integer  2

int32      integer                          4

uint32     unsigned integer           4

float32    single-precision float    4

float64    double-precision float  8

但是需要注意，由於PLY格式的開放性，有些PLY檔案的解析程式不支援全部的資料類型，也有的PLY檔案採用自訂的資料類型，這些都有可能導致檔案解析過程的失敗。（我在一次將PLY檔案載入到Ogre應用的時候，出於測試的目的手動寫了一個PLY檔案，載入總是失敗，反覆尋找才發現原來是檔案中寫的頂點格式為uint32，載入程式根本不支援。）

對於元素的屬性定義方式，PLY允許單一屬性定義：

property <data-type> <property-name-1>

以及列表屬性方式：

property list <numerical-type> <numerical-type> <property-name>

其中第一個資料類型描述列表元素數量，第二個資料類型描述每個列表元素。

除了頂點和多邊形面兩種基本元素外，PLY檔案格式允許使用自訂的元素和元素屬性，稱為Other Element和Other Property。只要遵循檔案格式中對元素及元素屬性的格式定義，就能夠被正常的解析，這也是PLY格式所具備的靈活性特色。

PLY檔案格式的規範及其解析的原始碼都是開放的，可以從參考文獻中找到相關的下載。最著名的就是Greg Turk在1994年發布的解析代碼，Turk似乎也是PLY格式的開發人員之一，因為我參考的“The PLY Polygon File Format”就是他寫的。我現在用的就是Turk的代碼，很方便也挺穩定的，有機會會把結構分析一下。

參考文獻

1．The Stanford 3D Scanning Repository

2．MAC+PC+UNIX PLY reading/writing

3. Large Geometry Models Archieve

4. Power Plant Model

5. The PLY Polygon File Format