SceneKit虚拟现实和3D图形

上期分享中实现了使用CoreMotion获取设备运动状态，从而实现交互数据准备。
本期要简单介绍一下SceneKit，用这个图形框架实现虚拟现实的立体图像，以及图像对运动的响应。

● SCNView：显示SceneKit内容的视图

● SCNScene：加载其他工具构建的的3D文件场景，或者自己编写的场景，用于显示这个场景。

● SCNNode：一个场景的基本层次结构，节点可以添加几何形状，灯光，摄像机等……

● SCNGeometry：

● SCNMaterial：表面外观特征，指定材料的表面着色纹理，以及如何响应场景灯光。

● SCNLight：一个节点，在渲染场景中提供着色的光源。

● SCNCamera：一个节点，场景观察视角的摄像机。

快速入门Demo0

新建一个Xcode工程


选择SceneKit，就会初始化一个Demo。
我们称之为Demo0吧，这是一个简单的开始，通过了解Demo中的代码你可以快速了解SceneKit具体能干什么。

//加载一个场景scene
SCNScene *scene = [SCNScene sceneNamed:@"art.scnassets/ship.scn"];

//给场景scene添加一个摄像机节点
SCNNode *cameraNode = [SCNNode node];
cameraNode.camera = [SCNCamera camera];
[scene.rootNode addChildNode:cameraNode];

//设置摄像机的位置
cameraNode.position = SCNVector3Make(0, 0, 15);

//给场景scene添加一个光照节点
SCNNode *lightNode = [SCNNode node];
lightNode.light = [SCNLight light];
lightNode.light.type = SCNLightTypeOmni;
lightNode.position = SCNVector3Make(0, 10, 10);
[scene.rootNode addChildNode:lightNode];

//给场景scene添加一个环境光节点
SCNNode *ambientLightNode = [SCNNode node];
ambientLightNode.light = [SCNLight light];
ambientLightNode.light.type = SCNLightTypeAmbient;
ambientLightNode.light.color = [UIColor darkGrayColor];
[scene.rootNode addChildNode:ambientLightNode];

//self.view 转换为SCNView
SCNView *scnView = (SCNView *)self.view;

//在scnView上添加一个场景scene
scnView.scene = scene;

//允许触屏控制摄像机位置
scnView.allowsCameraControl = YES;
 //取出Node ship
SCNNode *ship = [scene.rootNode childNodeWithName:@"ship" recursively:YES];
//给ship添加动画。
[ship runAction:[SCNAction repeatActionForever:[SCNAction rotateByX:0 y:2 z:0 duration:1]]];
   
scnView.backgroundColor = [UIColor blackColor];

这样的代码即可实现一个简单的3D场景，SCNScene负责加载场景，摄像机SCNCamera负责实现确定视角，SCNLight负责光照，整个结构以节点SCNNode这种形式组织，通过这个官方的例子，很快就可以入门SceneKit 3D开发。

Scene Kit概要

Scene Kit 建立在 OpenGL 的基础上，包含了如光照、模型、材质、摄像机等高级引擎特性，这些组件都是面向对象的，你可以用熟悉的 Objective-C 或 Swift 语言来编写代码。假如你用过 OpenGL 最早的版本，那时还没有 shader，只能苦逼的使用各种底层受限制的 API 开发。而 Scene Kit 就好了很多，对于大多数需求 (甚至像动态阴影和景深这种高级特性)，使用它提供的上层 API 来配置，就已经足够了。

不仅如此，Scene Kit 还允许你直接调用底层 API，或自己写 shader 进行手动渲染 (GLSL)。

节点(SCNode)

不仅是光照、模型、材质、摄像机这几个具体的对象，Scene Kit 使用节点 (在3D图形学中，像这样的树状节点结构一般被称做 scene graph，这也是 Scene Kit 名称由来的一种解释) 以树状结构来组织内容，每个节点都存储了相对其父节点的位移、旋转角度、缩放等信息，父节点也是如此，一直向上，直到根节点。假如要给一个节点确定一个位置，就必须将它挂载到节点树中的某个节点上，可以使用下面的几个操作方法：
-addChildNode(:)
-insertChildNode(: atIndex:)
-removeFromParentNode()
这些方法与 iOS 和 OS X 中管理 view 和 layer 层级方法如出一辙。

摄像机（SCNCamera）

光照（SCNLight）

Scene Kit 中完全都是动态光照，使用起来一般会很简单，但也意味着与完整的游戏引擎相比，光照这块进步并不明显。Scene Kit 提供四种类型的光照：环境光、定向光源、点光源和聚光灯。

通常来说，旋转坐标轴和变换角度并不是设定光照的最佳方法。下面的例子表示一个光照对象通过一个节点对象来设置空间坐标，再通过 “look at” 约束，将光照对象约束到了目标对象上，即使它移动，光照也会一直朝向目标对象。

let spot = SCNLight()
spot.type = SCNLightTypeSpot
spot.castsShadow = true

let spotNode = SCNNode()
spotNode.light = spot
spotNode.position = SCNVector3(x: 4, y: 7, z: 6)

let lookAt = SCNLookAtConstraint(target: knight)
spotNode.constraints = [lookAt]

几何模型对象

Scene Kit 内建了几种简单的几何模型，如盒子、球体、平面、圆锥体等，但对于游戏来说，一般都会从文件中加载3D模型。你可以通过制定文件名来导入 (或导出) COLLADA 格式的模型文件：

let chessPieces = SCNScene(named: "chess pieces") // SCNScene?

如果一个从文件里加载的场景可以全部显示时，将其设置成 SCNView 的 scene 就好了；但如果加载的场景文件中包含了多个对象，只有一部分对象要显示在屏幕上时，就可以通过名字找到这个对象，再手动加载到 view 上：

if let knight = chessPieces.rootNode.childNodeWithName("Knight", recursively: true) {
   sceneView.scene?.rootNode.addChildNode(knight)
}

这是一个对导入文件原始节点的引用，其中包含了任一和每一个子节点，也包括了模型对象 (包括其材质)，光照，以及绑定在这些节点上的摄像机。只要传入的名字一样，不论调用多少次，返回的都是对同一个对象的引用。

动画

Scene Kit 的对象中绝大多数属性都是可以进行动画的，就像 Cocoa (或 Cocoa Touch) 框架一样，你可以创建一个 CAAnimation 对象，并指定一个 key path (甚至可以 “position.x”) ，然后向一个对象施加这个动画。同样的，你可以在 SCNTransaction 的 “begin” 和 “commit” 调用间去改变值，和刚才的 CAAnimation 非常相似：

let move = CABasicAnimation(keyPath: "position.x")
move.byValue  = 10
move.duration = 1.0
knight.addAnimation(move, forKey: "slide right")

Scene Kit 也提供了像 Sprite Kit 那样的 action 形式的动画 API，你可以创建串行的动画组，也支持自定义 action 来协同使用。与 Core Animation 不同的是，这些 action 作为游戏循环的一部分执行，在每一帧都更新模型对象的值，而不只是更新表现层的节点。

实现虚拟现实界面与交互

实现虚拟现实的基本思想：模拟人的左右眼看到的图像细微差别，实现立体成像。在这个图像的基础上，加入身体移动与图像的交互，即低头抬头后转，移动位置后，图像会根据人体动作做出相应的改变，界面显示和真实世界展示相似。这样就实现了视觉上的虚拟现实。

未来虚拟现实还可以在听觉，触觉，甚至是味觉嗅觉等方面模拟现实的情况，实现更高级的虚拟现实，当然这是后话了。

我们这次要做的事情，就是在屏幕上创造出两个图像，对Camera在X轴上的位置进行细微调整，使两个场景的Camera模拟人的左右眼，创造视差，同时利用CoreMotion获取到的旋转角姿态角对Camera的Position进行调整，响应人体的动作。

Demo1Cardboard虚拟现实