在 WWDC 2012 (那時 OS X 系統(tǒng)還在用喵系命名)，Apple 向 OS X 開發(fā)者們介紹了 Scene Kit，這個 Cocoa 下的 3D 渲染框架。在第一版通用 3D 渲染器發(fā)布后，一年內(nèi)又陸續(xù)增加了像 shader (著色器) 修改器、節(jié)點約束、骨骼動畫等幾個強大的特性 (隨 Mavericks 發(fā)布)。今年，Scene Kit 變的更加強大，支持了粒子效果、物理引擎、腳本事件以及多通道分層渲染等多種技術(shù)，而且，對于很多人來說更關(guān)鍵的是，它終于可以在 iOS 中使用了。
一上手，我發(fā)現(xiàn) Scene Kit 最強大和脫穎而出的地方，就是可以與 Core Image，Core Animation，Sprite Kit 等已有的圖形框架相互整合及協(xié)作，這在其他游戲引擎中可不常見，但如果你本身就是個 Cocoa 或 Cocoa Touch 框架下的的開發(fā)者的話，就會感到相當(dāng)親切了。
Scene Kit 建立在 OpenGL 的基礎(chǔ)上，包含了如光照、模型、材質(zhì)、攝像機等高級引擎特性，這些組件都是面向?qū)ο蟮模憧梢杂檬煜さ?Objective-C 或 Swift 語言來編寫代碼。假如你用過 OpenGL 最早的版本，那時還沒有 shader，只能苦逼的使用各種底層受限制的 API 開發(fā)。而 Scene Kit 就好了很多，對于大多數(shù)需求 (甚至像動態(tài)陰影和景深這種高級特性)，使用它提供的上層 API 來配置，就已經(jīng)足夠了。
不僅如此，Scene Kit 還允許你直接調(diào)用底層 API，或自己寫 shader 進行手動渲染 (GLSL)。
不僅是光照、模型、材質(zhì)、攝像機這幾個具體的對象，Scene Kit 使用節(jié)點 (在3D圖形學(xué)中，像這樣的樹狀節(jié)點結(jié)構(gòu)一般被稱做 scene graph，這也是 Scene Kit 名稱由來的一種解釋) 以樹狀結(jié)構(gòu)來組織內(nèi)容，每個節(jié)點都存儲了相對其父節(jié)點的位移、旋轉(zhuǎn)角度、縮放等信息，父節(jié)點也是如此，一直向上，直到根節(jié)點。假如要給一個節(jié)點確定一個位置，就必須將它掛載到節(jié)點樹中的某個節(jié)點上，可以使用下面的幾個操作方法：
addChildNode(_:) insertChildNode(_: atIndex:) removeFromParentNode() 這些方法與 iOS 和 OS X 中管理 view 和 layer 層級方法如出一轍。
Scene Kit 內(nèi)建了幾種簡單的幾何模型，如盒子、球體、平面、圓錐體等，但對于游戲來說，一般都會從文件中加載3D模型。你可以通過制定文件名來導(dǎo)入 (或?qū)С? COLLADA 格式的模型文件：
let chessPieces = SCNScene(named: "chess pieces") // SCNScene?如果一個從文件里加載的場景可以全部顯示時，將其設(shè)置成 SCNView 的 scene 就好了；但如果加載的場景文件中包含了多個對象，只有一部分對象要顯示在屏幕上時，就可以通過名字找到這個對象，再手動加載到 view 上：
if let knight = chessPieces.rootNode.childNodeWithName("Knight", recursively: true) {
sceneView.scene?.rootNode.addChildNode(knight)
}這是一個對導(dǎo)入文件原始節(jié)點的引用，其中包含了任一和每一個子節(jié)點，也包括了模型對象 (包括其材質(zhì))，光照，以及綁定在這些節(jié)點上的攝像機。只要傳入的名字一樣，不論調(diào)用多少次，返回的都是對同一個對象的引用。
http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/18-4.png" alt="" />
若需要在場景中擁有一個節(jié)點的多個拷貝，如在一個國際象棋棋盤上顯示兩個馬，你可以對馬這個節(jié)點進行 copy 或 clone (遞歸的copy)。這將會拷貝一份節(jié)點的引用，但兩份引用所指向的材質(zhì)對象和模型對象仍然是原來那個。所以，想要單獨改變副本材質(zhì)的話，需要再copy一份模型對象，并對這個新的模型對象設(shè)置新材質(zhì)。copy一個模型對象的速度仍然很快，開銷也不高，因為副本引用的頂點數(shù)據(jù)還是同一份。
帶有骨骼動畫的模型對象也會擁有一個皮膚對象，它提供了對骨骼中各個節(jié)點的訪問接口，以及管理骨骼和模型間連接的功能。每個單獨的骨骼都可以被移動和旋轉(zhuǎn)，而復(fù)雜的動畫需要同時對多塊骨骼進行操作，如一個角色走路的動畫，很可能就是從文件讀取并加到對象上的 (而不是用代碼一根骨頭一根骨頭的寫)。
Scene Kit 中完全都是動態(tài)光照，使用起來一般會很簡單，但也意味著與完整的游戲引擎相比，光照這塊進步并不明顯。Scene Kit 提供四種類型的光照：環(huán)境光、定向光源、點光源和聚光燈。
通常來說，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和變換角度并不是設(shè)定光照的最佳方法。下面的例子表示一個光照對象通過一個節(jié)點對象來設(shè)置空間坐標(biāo)，再通過 "look at" 約束，將光照對象約束到了目標(biāo)對象上，即使它移動，光照也會一直朝向目標(biāo)對象。
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]http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/18-5.gif" alt="" />
Scene Kit 的對象中絕大多數(shù)屬性都是可以進行動畫的，就像 Cocoa (或 Cocoa Touch) 框架一樣，你可以創(chuàng)建一個 CAAnimation 對象，并指定一個 key path (甚至可以 "position.x") ，然后向一個對象施加這個動畫。同樣的，你可以在 SCNTransaction 的 "begin" 和 "commit" 調(diào)用間去改變值，和剛才的 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 那樣的 action 形式的動畫 API，你可以創(chuàng)建串行的動畫組，也支持自定義 action 來協(xié)同使用。與 Core Animation 不同的是，這些 action 作為游戲循環(huán)的一部分執(zhí)行，在每一幀都更新模型對象的值，而不只是更新表現(xiàn)層的節(jié)點。
假如你之前用過 Sprite Kit，會發(fā)現(xiàn) Scene Kit 除了變成了 3D 之外，沒有太多陌生的東西。目前，在 iOS8 (首次支持 Scene Kit) 和 OS X 10.10 下，Scene Kit 和 Sprite Kit 可以協(xié)同工作：對 Sprite Kit 來說，3D 模型可以與 2D 精靈混合使用；對 Scene Kit 來說，Sprite Kit 中的場景和紋理可以作為 Scene Kit 的紋理貼圖，而且 Sprite Kit 的場景可以作為 Scene Kit 場景的蒙層 (如3D游戲中的2D菜單面板，譯者注。兩套非常像的API和概念 (像場景啊，節(jié)點啊，約束啊兩邊都有) 讓人容易混淆。)
不僅是動作和紋理，Scene Kit 和 Sprite Kit 還有很多相同之處。當(dāng)開始寫游戲的時候，Scene Kit 和它 2D 版本的小伙伴非常相似，它們的游戲循環(huán)步驟完全一致，使用下面幾個代理回調(diào)：
http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/18-6.png" alt="" />
這些回調(diào)在每幀被調(diào)用，并用來執(zhí)行游戲相關(guān)的邏輯，如用戶輸入，AI (人工智能) 和游戲腳本。
Scene Kit 與普通 Cocoa 或 Cocoa Touch 應(yīng)用使用一樣的機制來處理用戶輸入，如鍵盤事件、鼠標(biāo)事件、觸摸事件和手勢識別，而主要區(qū)別在于 Scene Kit 中只有一個視圖，場景視圖 (scene view) 。像鍵盤事件或如捏取、滑動、旋轉(zhuǎn)的手勢，只要知道事件的發(fā)生就好了，但像鼠標(biāo)點擊，或觸碰、拖動手勢等就需要知道具體的事件信息了。
這些情況下，scene view 可以使用 -hitTest(_: options:) 來做點擊測試。與通常的視圖只返回被點擊的子 view 或子 layer 不同，Scene Kit 返回一個數(shù)組，里面存有每個相交的模型對象以及從攝像機投向這個測試點的射線。每個 hit test 的結(jié)果包含被擊中模型的節(jié)點對象，也包含了交點的詳細信息 (交點坐標(biāo)、交點表面法線，交點的紋理坐標(biāo))。多數(shù)情況下，知道第一個被擊中的節(jié)點就足夠了：
if let firstHit = sceneView.hitTest(tapLocation, options: nil)?.first as? SCNHitTestResult {
let hitNode = firstHit.node
// do something with the node that was hit...
}光照和材質(zhì)的配置方法很易用，但有局限性。假如你有寫好的 OpenGL 著色器 (shader)，可以用于完全自定制的進行材質(zhì)渲染；如果你只想修改下默認的渲染，Scene Kit 暴露了 4 個入口用于插入 shader代碼 (GLSL) 來改變默認渲染。Scene Kit 在不同入口點分別提供了對旋轉(zhuǎn)矩陣、模型數(shù)據(jù)、樣本貼圖及渲染后輸出的色值的訪問。
比如，下面的 GLSL 代碼被用在模型數(shù)據(jù)的入口點中，可以將模型對象上所有點沿 x 軸扭曲。這是通過定義一個函數(shù)來創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)變換，并將其應(yīng)用在模型的位置和法線上。同時，也自定義了一個 "uniform" 變量來決定對象該如何被扭曲。
// a function that creates a rotation transform matrix around X
mat4 rotationAroundX(float angle)
{
return mat4(1.0, 0.0, 0.0, 0.0,
0.0, cos(angle), -sin(angle), 0.0,
0.0, sin(angle), cos(angle), 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}
#pragma body
uniform float twistFactor = 1.0;
float rotationAngle = _geometry.position.x * twistFactor;
mat4 rotationMatrix = rotationAroundX(rotationAngle);
// position is a vec4
_geometry.position *= rotationMatrix;
// normal is a vec3
vec4 twistedNormal = vec4(_geometry.normal, 1.0) * rotationMatrix;
_geometry.normal = twistedNormal.xyz;著色修改器 (Shader modifier) 既可以綁定在模型對象上，也可以綁定在它的材質(zhì)對象上。這兩個類都完全支持 key-value coding (KVC)，你可以指定任意 key 進行賦值。在 shader 中聲明的 "twistFactor" uniform 變量使得 Scene Kit 在這個值改變時自動重新綁定 uniform，這使得你也可以用 KVC 來實現(xiàn)：
torus.setValue(5.0, forKey: "twistFactor")使用這個 key path 的 CAAnimation 也 ok：
let twist = CABasicAnimation(keyPath: "twistFactor")
twist.fromValue = 5
twist.toValue = 0
twist.duration = 2.0
torus.addAnimation(twist, forKey: "Twist the torus")http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/18-7.gif" alt="" />
即使在純 OpenGL 環(huán)境下，有些圖像效果也無法通過一次渲染 pass 完成，我們可以將不同 shader 進行序列操作，以達到后續(xù)處理的目的，稱為延時著色。Scene Kit 使用 SCNTechnique 類來表示這種技術(shù)。它使用字典來創(chuàng)建，字典中定義了繪圖步驟、輸入輸出、shader 文件、符號等等。
第一個渲染 pass 永遠是 Scene Kit 的默認渲染，它輸出場景的顏色和景深。如果你不想這時計算色值，可以將材質(zhì)設(shè)置成"恒定"的光照模型，或者將場景里所有光照都設(shè)置成環(huán)境光。
比如，從 Scene Kit 渲染流程的第一個 pass 獲取景深，第二個獲取法線，第三個對其執(zhí)行邊界檢測，你即可以沿輪廓也可以沿邊緣畫粗線：
http://wiki.jikexueyuan.com/project/objc/images/18-8.png" alt="" />
延伸閱讀
如果你想了解更多使用 Scene Kit 做游戲的知識的話，我推薦今年的 WWDC 中的 "Building a Game with Scene Kit" video，并看看 Bananas sample code.
如果你想學(xué)習(xí) Scene Kit 基礎(chǔ)知識，我推薦看這一年的和去年的 "What's New in Scene Kit" 相關(guān)視頻。如果你還想學(xué)習(xí)更多，可以關(guān)注我即將發(fā)布的這個主題的書。
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