Objective-C中的SceneKit 3D图形渲染
2023-01-182.8k 阅读
SceneKit 简介
SceneKit 是苹果公司为 macOS 和 iOS 开发的一个 3D 图形框架，它使得开发者能够轻松地创建交互式 3D 场景和动画。SceneKit 建立在 OpenGL 和 Metal 之上，提供了一个面向对象的 API，简化了 3D 图形渲染的过程，让开发者可以专注于场景的设计和交互逻辑，而不是底层的图形编程细节。
在 Objective-C 中使用 SceneKit，开发者可以利用其丰富的类和方法来构建各种类型的 3D 场景，从简单的几何形状到复杂的虚拟环境都能轻松实现。SceneKit 支持多种 3D 模型格式的导入，如 COLLADA（.dae）、USDZ 等，这使得与 3D 建模软件（如 Blender、Maya 等）的协作变得更加容易。
环境搭建
- 创建项目：首先，在 Xcode 中创建一个新的 iOS 或 macOS 项目。对于 iOS 项目，可以选择“Single View App”模板；对于 macOS 项目，可以选择“Cocoa App”模板。
- 导入 SceneKit 框架：在项目导航器中，选择项目文件，然后在“General”选项卡的“Frameworks, Libraries, and Embedded Content”部分，点击“+”按钮，搜索并添加“SceneKit.framework”。
基本场景创建
- 创建 SCNView：SCNView 是显示 SceneKit 场景的视图。在 iOS 中，可以在视图控制器的
viewDidLoad方法中添加以下代码来创建 SCNView：
#import "ViewController.h"
#import <SceneKit/SceneKit.h>
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
SCNView *sceneView = [[SCNView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
sceneView.autoresizingMask = UIViewAutoresizingFlexibleWidth | UIViewAutoresizingFlexibleHeight;
[self.view addSubview:sceneView];
SCNScene *scene = [SCNScene scene];
sceneView.scene = scene;
}
@end
在 macOS 中，在视图控制器的 viewDidLoad 方法中添加以下代码：
#import "ViewController.h"
#import <SceneKit/SceneKit.h>
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
SCNView *sceneView = [[SCNView alloc] initWithFrame:self.view.bounds];
[self.view addSubview:sceneView];
SCNScene *scene = [SCNScene scene];
sceneView.scene = scene;
}
@end
- 添加节点到场景：节点（SCNNode）是 SceneKit 场景的基本构建块。一个节点可以包含几何形状、灯光、摄像机等。以下代码展示了如何创建一个简单的立方体节点并添加到场景中：
SCNNode *cubeNode = [SCNNode node];
SCNBox *cubeGeometry = [SCNBox boxWithWidth:1.0 height:1.0 length:1.0 chamferRadius:0.0];
cubeNode.geometry = cubeGeometry;
cubeNode.position = SCNVector3Make(0, 0, -3);
[scene.rootNode addChildNode:cubeNode];
- 添加灯光：为了使场景中的物体可见，需要添加灯光。以下代码添加一个环境光和一个点光源：
// 添加环境光
SCNNode *ambientLightNode = [SCNNode node];
ambientLightNode.light = [SCNLight light];
ambientLightNode.light.type = SCNLightTypeAmbient;
ambientLightNode.light.color = [UIColor whiteColor];
[scene.rootNode addChildNode:ambientLightNode];
// 添加点光源
SCNNode *pointLightNode = [SCNNode node];
pointLightNode.light = [SCNLight light];
pointLightNode.light.type = SCNLightTypeOmni;
pointLightNode.light.color = [UIColor whiteColor];
pointLightNode.position = SCNVector3Make(0, 2, 0);
[scene.rootNode addChildNode:pointLightNode];
- 添加摄像机：摄像机决定了场景的视角。以下代码添加一个摄像机节点：
SCNNode *cameraNode = [SCNNode node];
cameraNode.camera = [SCNCamera camera];
cameraNode.position = SCNVector3Make(0, 0, 5);
[scene.rootNode addChildNode:cameraNode];
材质与纹理
- 材质基础：材质（SCNMaterial）决定了物体表面的外观。可以设置材质的各种属性，如颜色、光泽度、透明度等。以下代码为立方体设置一个简单的漫反射材质：
SCNMaterial *material = [SCNMaterial material];
material.diffuse.contents = [UIColor redColor];
cubeGeometry.materials = @[material];
- 纹理映射：纹理是一种将图像应用到物体表面的技术。可以使用
UIImage或NSImage来创建纹理。以下代码将一张图片作为纹理应用到立方体上：
UIImage *textureImage = [UIImage imageNamed:@"texture.jpg"];
SCNMaterial *textureMaterial = [SCNMaterial material];
textureMaterial.diffuse.contents = textureImage;
cubeGeometry.materials = @[textureMaterial];
- 材质属性调整：除了漫反射属性，还可以调整其他材质属性，如镜面反射、透明度等。以下代码设置一个半透明且有光泽的材质：
SCNMaterial *transparentMaterial = [SCNMaterial material];
transparentMaterial.diffuse.contents = [UIColor blueColor];
transparentMaterial.transparency = 0.5;
transparentMaterial.specular.contents = [UIColor whiteColor];
transparentMaterial.specular.intensity = 0.8;
cubeGeometry.materials = @[transparentMaterial];
动画与过渡
- 基本动画：SceneKit 支持基于关键帧的动画。可以通过
SCNAction类来创建动画。以下代码使立方体在 Y 轴上上下移动：
SCNAction *moveUp = [SCNAction moveByX:0 y:2 z:0 duration:1.0];
SCNAction *moveDown = [SCNAction moveByX:0 y:-2 z:0 duration:1.0];
SCNAction *moveSequence = [SCNAction sequence:@[moveUp, moveDown]];
SCNAction *moveForever = [SCNAction repeatActionForever:moveSequence];
[cubeNode runAction:moveForever];
- 旋转动画：可以创建旋转动画使物体绕轴旋转。以下代码使立方体绕 Y 轴旋转：
SCNAction *rotate = [SCNAction rotateByX:0 y:M_PI z:0 duration:2.0];
SCNAction *rotateForever = [SCNAction repeatActionForever:rotate];
[cubeNode runAction:rotateForever];
- 过渡效果：SceneKit 可以实现场景之间的过渡效果。例如，在 iOS 中，可以在视图控制器中添加以下代码来实现淡入淡出的场景过渡：
SCNScene *newScene = [SCNScene sceneNamed:@"newScene.scn"];
[sceneView presentScene:newScene withTransition:[SCNSceneTransition fadeWithDuration:1.0] incomingPointOfView:nil completionHandler:nil];
交互与手势
- 触摸交互（iOS）：在 iOS 中，可以通过添加手势识别器来实现与 3D 场景的交互。以下代码添加一个点击手势识别器，当点击立方体时，改变其颜色：
UITapGestureRecognizer *tapGesture = [[UITapGestureRecognizer alloc] initWithTarget:self action:@selector(tapGestureHandler:)];
[tapGesture setNumberOfTapsRequired:1];
[sceneView addGestureRecognizer:tapGesture];
- (void)tapGestureHandler:(UITapGestureRecognizer *)gesture {
CGPoint tapLocation = [gesture locationInView:sceneView];
NSArray *hitResults = [sceneView hitTest:tapLocation options:nil];
if (hitResults.count > 0) {
SCNHitTestResult *result = hitResults[0];
if ([result.node.geometry isKindOfClass:[SCNBox class]]) {
SCNMaterial *material = [SCNMaterial material];
material.diffuse.contents = [UIColor greenColor];
result.node.geometry.materials = @[material];
}
}
}
- 鼠标交互（macOS）：在 macOS 中，可以通过重写视图控制器的鼠标事件方法来实现交互。以下代码实现当鼠标点击立方体时，改变其颜色：
- (void)mouseDown:(NSEvent *)event {
NSPoint clickLocation = [self.view convertPoint:event.locationInWindow fromView:nil];
NSArray *hitResults = [self.sceneView hitTest:clickLocation options:nil];
if (hitResults.count > 0) {
SCNHitTestResult *result = hitResults[0];
if ([result.node.geometry isKindOfClass:[SCNBox class]]) {
SCNMaterial *material = [SCNMaterial material];
material.diffuse.contents = [NSColor greenColor];
result.node.geometry.materials = @[material];
}
}
}
导入 3D 模型
- COLLADA 模型导入：COLLADA 是一种常用的 3D 模型交换格式。可以使用
SCNScene的sceneNamed:方法来导入 COLLADA 模型。以下代码导入一个名为“model.dae”的 COLLADA 模型：
SCNScene *modelScene = [SCNScene sceneNamed:@"model.dae"];
if (modelScene) {
SCNNode *modelNode = modelScene.rootNode;
modelNode.position = SCNVector3Make(0, 0, -3);
[scene.rootNode addChildNode:modelNode];
}
- USDZ 模型导入：USDZ 是苹果推广的一种轻量化 3D 模型格式。同样可以使用
SCNScene的sceneNamed:方法来导入 USDZ 模型。以下代码导入一个名为“model.usdz”的 USDZ 模型：
SCNScene *usdzScene = [SCNScene sceneNamed:@"model.usdz"];
if (usdzScene) {
SCNNode *usdzNode = usdzScene.rootNode;
usdzNode.position = SCNVector3Make(0, 0, -3);
[scene.rootNode addChildNode:usdzNode];
}
光照与阴影
- 光照类型：除了前面提到的环境光和点光源，SceneKit 还支持其他光照类型，如方向光（SCNLightTypeDirectional）和平行光（SCNLightTypeSpot）。以下代码添加一个方向光：
SCNNode *directionalLightNode = [SCNNode node];
directionalLightNode.light = [SCNLight light];
directionalLightNode.light.type = SCNLightTypeDirectional;
directionalLightNode.light.color = [UIColor whiteColor];
directionalLightNode.orientation = SCNQuaternionMake(0, 1, 0, M_PI_4);
[scene.rootNode addChildNode:directionalLightNode];
- 阴影设置：SceneKit 支持阴影渲染。可以通过设置灯光的
castsShadow属性来开启阴影，并调整阴影的相关属性，如阴影模式（shadowMode）、阴影颜色（shadowColor）等。以下代码为点光源开启阴影：
pointLightNode.light.castsShadow = YES;
pointLightNode.light.shadowMode = SCNShadowModeForward;
pointLightNode.light.shadowColor = [UIColor colorWithRed:0 green:0 blue:0 alpha:0.5];
高级特性
- 粒子系统：粒子系统可以用于创建各种特效，如烟雾、火焰等。在 SceneKit 中，可以使用
SCNParticleSystem类来创建粒子系统。以下代码创建一个简单的粒子系统并添加到节点上：
SCNParticleSystem *particleSystem = [SCNParticleSystem particleSystemNamed:@"SmokeParticleSystem.scnp" inDirectory:nil];
SCNNode *particleNode = [SCNNode node];
[particleNode addParticleSystem:particleSystem];
particleNode.position = SCNVector3Make(0, 2, -3);
[scene.rootNode addChildNode:particleNode];
- 物理模拟：SceneKit 支持物理模拟，通过
SCNPhysicsWorld和SCNPhysicsBody类来实现。可以为节点添加物理体，使物体在场景中遵循物理规律。以下代码为立方体添加一个动态物理体：
SCNPhysicsBody *physicsBody = [SCNPhysicsBody bodyWithType:SCNPhysicsBodyTypeDynamic shape:[SCNPhysicsShape shapeWithGeometry:cubeGeometry options:nil]];
cubeNode.physicsBody = physicsBody;
- 多场景管理：在复杂的应用中，可能需要管理多个场景。可以创建多个
SCNScene对象，并根据需要切换或组合它们。例如，可以在不同的视图控制器中管理不同的场景，然后通过导航控制器或其他方式进行切换。
性能优化
- 减少节点数量：尽量减少场景中不必要的节点。过多的节点会增加渲染开销，尤其是在移动设备上。可以合并一些小的几何形状，或者使用纹理映射来减少几何细节。
- 优化材质：避免使用过于复杂的材质，尤其是在低端设备上。减少材质中的纹理数量和分辨率，以及避免使用高计算量的材质属性，如复杂的反射和折射效果。
- 批处理：对于相似的几何形状，可以使用批处理技术将它们合并为一个渲染批次。SceneKit 会自动对一些相似的节点进行批处理，但开发者也可以手动优化，例如将多个相同的立方体合并为一个大的几何形状。
- 使用 LOD（Level of Detail）：对于远距离的物体，可以使用不同细节层次的模型。当物体离摄像机较远时，切换到低细节层次的模型，以减少渲染工作量。可以通过创建多个不同细节层次的节点，并根据距离进行切换来实现 LOD。
通过以上对 SceneKit 在 Objective - C 中的详细介绍，开发者可以利用其强大的功能创建出丰富多彩、交互性强的 3D 图形应用程序。无论是游戏开发、虚拟展示还是其他领域，SceneKit 都为开发者提供了便捷且高效的 3D 图形渲染解决方案。在实际开发过程中，需要根据具体需求和目标设备的性能进行优化，以确保应用程序的流畅运行和良好的用户体验。