iOS开发之SceneKit框架--SCNGeometry.h

1、SCNGeometry简介

　　SCNGeometry负责呈现三维模型的类，它管理者物体的形状、纹理等。它可以由SCNGeometrySource和SCNGeometryElement来构造， 一个SCNGeometry 可以包含多个SCNGeometrySource和SCNGeometryElement对象. 还可以通过SCNMaterial定义几何形状表面的颜色或者纹理, SCNLight 定义光照效果, SCNProgram 设计OpenGL或者Metal着色语言等等。

　　SCNGeometrySource 在SceneKit中就是顶点的集合. 这些点用来构成一个几何图形. 创建了一个SCNGeometrySource对象，包含有2个顶点， 可以用来绘制一条直线. 

　　SCNGeometryElement 用来描述如何把SCNGeometrySource中的顶点构成基本的几何图形. SCNGeometryPrimitiveType定义了在SceneKit所支持的基本几何图形的种类, 

2、相关API简介

• 初始化

//懒加载，ios初始化用init
+ (instancetype)geometry API_AVAILABLE(macos(10.9));
//通过SCNGeometrySource和SCNGeometryElement对象创建
+ (instancetype)geometryWithSources:(NSArray<SCNGeometrySource *> *)sources elements:(nullable NSArray<SCNGeometryElement *> *)elements;

• 几何属性管理

//名字
@property(nonatomic, copy, nullable) NSString *name;

• 几何材料的管理

//确定几何图形的外观（也就是说用什么样的材料）
@property(nonatomic, copy) NSArray<SCNMaterial *> *materials;

//确定几何体的第一个材料，如果没有返回nil
@property(nonatomic, retain, nullable) SCNMaterial *firstMaterial;

//新建材料material在材料数组中插入指定位置index
- (void)insertMaterial:(SCNMaterial *)material atIndex:(NSUInteger)index;

//从材料数组中移除指定位置的材料
- (void)removeMaterialAtIndex:(NSUInteger)index;

//新建材料material在材料数组中替换指定位置index的材料
- (void)replaceMaterialAtIndex:(NSUInteger)index withMaterial:(SCNMaterial *)material;

//返回与指定名称连接的第一个材料。
- (nullable SCNMaterial *)materialWithName:(NSString *)name;

• 几何数据的管理

//为几何图形提供顶点数据
@property(nonatomic, readonly) NSArray<SCNGeometrySource *> *geometrySources API_AVAILABLE(macos(10.10));

//返回指定语句的顶点数据
- (NSArray<SCNGeometrySource *> *)geometrySourcesForSemantic:(SCNGeometrySourceSemantic)semantic;

//描述几何形状的几何元素数组
@property(nonatomic, readonly) NSArray<SCNGeometryElement *> *geometryElements API_AVAILABLE(macos(10.10));

//几何图形元素的个数
@property(nonatomic, readonly) NSInteger geometryElementCount;

//返回指定索引处的几何元素
- (SCNGeometryElement *)geometryElementAtIndex:(NSInteger)elementIndex;

• 优化的详细级别

//管理几何的外观当视图很远时。一种可以自动替换的几何图形的替代解决方案，以提高渲染性能。
//一个SCNLevelOfDetail数组，SCNLevelOfDetail代表模型的细节层次，比如获取SCNGeometry属性等。
@property(nonatomic, copy, nullable) NSArray<SCNLevelOfDetail *> *levelsOfDetail API_AVAILABLE(macos(10.9));

• 平滑和细分几何

//指定接收器的细分级别。默认值为0。
//分等级0表示没有细分。当接收器的“tessel”属性不是nil时，对GPU进行细化。
@property(nonatomic) NSUInteger subdivisionLevel API_AVAILABLE(macos(10.10));

//自适应细分，默认值是YES，要求接收方的“tessel”属性不是nil。
@property(nonatomic) BOOL wantsAdaptiveSubdivision API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0), tvos(11.0), watchos(4.0));

//指定控制子分区的边缘折痕
//在细分后，几何元素识别几何图形的边缘应该保持锋利。这种几何元素的原始类型必须是SCNGeometryPrimitiveTypeLine。
//请参见上面的subdivisionLevel来控制子分区的级别
@property(nonatomic, retain, nullable) SCNGeometryElement *edgeCreasesElement API_AVAILABLE(macos(10.10));

//指定表面细分后边缘的平滑度或锐度。
//这个几何源的语义必须是“SCNGeometrySourceSemanticEdgeCrease”。折痕值是介于0和10之间的浮动值，其中0表示平滑，10表示无限锐。
//请参见上面的subdivisionLevel来控制子分区的级别。请参阅上面的edgecreeselement来指定边缘折痕的边缘。
@property(nonatomic, retain, nullable) SCNGeometrySource *edgeCreasesSource API_AVAILABLE(macos(10.10));

• 管理镶嵌

//指定如何在GPU的呈现时间内对几何图形进行镶嵌。默认为零
#if SCN_ENABLE_METAL
@property(nonatomic, retain, nullable) SCNGeometryTessellator *tessellator API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0)) API_UNAVAILABLE(tvos, watchos);
#endif

3、SCNGeometrySource顶点集合相关API简介

• 官方示例

typedef struct {
    float x, y, z;    // position
    float nx, ny, nz; // normal
    float s, t;       // texture coordinates
} MyVertex;
 
MyVertex vertices[VERTEX_COUNT] = { /* ... vertex data ... */ };
NSData *data = [NSData dataWithBytes:vertices length:sizeof(vertices)];
SCNGeometrySource *vertexSource, *normalSource, *tcoordSource;
 
vertexSource = [SCNGeometrySource geometrySourceWithData:data
                                                semantic:SCNGeometrySourceSemanticVertex
                                             vectorCount:VERTEX_COUNT
                                         floatComponents:YES
                                     componentsPerVector:3 // x, y, z
                                       bytesPerComponent:sizeof(float)
                                              dataOffset:offsetof(MyVertex, x)
                                              dataStride:sizeof(MyVertex)];
 
normalSource = [SCNGeometrySource geometrySourceWithData:data
                                                semantic:SCNGeometrySourceSemanticNormal
                                             vectorCount:VERTEX_COUNT
                                         floatComponents:YES
                                     componentsPerVector:3 // nx, ny, nz
                                       bytesPerComponent:sizeof(float)
                                              dataOffset:offsetof(MyVertex, nx)
                                              dataStride:sizeof(MyVertex)];
 
tcoordSource = [SCNGeometrySource geometrySourceWithData:data
                                                semantic:SCNGeometrySourceSemanticTexcoord
                                             vectorCount:VERTEX_COUNT
                                         floatComponents:YES
                                     componentsPerVector:2 // s, t
                                       bytesPerComponent:sizeof(float)
                                              dataOffset:offsetof(MyVertex, s)
                                              dataStride:sizeof(MyVertex)];

• 创建几何源

/**
 从给定的数据和参数中创建并返回一个几何源。

 @param data 几何数据。
 @param semantic 枚举值SCNGeometrySourceSemantic
 @param vectorCount 几何源向量的个数。
 @param floatComponents 指示向量组件是否为浮点值的标志。
 @param componentsPerVector 向量中标量分量的数目。
 @param bytesPerComponent 表示向量组件的字节数。
 @param offset 从数据开始的偏移量
 @param stride 数据中从一个向量到另一个向量的字节数。
 @return SCNGeometrySource
 */
+ (instancetype)geometrySourceWithData:(NSData *)data semantic:(SCNGeometrySourceSemantic)semantic vectorCount:(NSInteger)vectorCount floatComponents:(BOOL)floatComponents componentsPerVector:(NSInteger)componentsPerVector bytesPerComponent:(NSInteger)bytesPerComponent dataOffset:(NSInteger)offset dataStride:(NSInteger)stride;

/**
 从顶点位置的数组中创建一个几何源。

 @param vertices 顶点
 @param count 顶点数量
 @return SCNGeometrySource
 */
+ (instancetype)geometrySourceWithVertices:(const SCNVector3 *)vertices count:(NSInteger)count;

/**
 从法向量的数组中创建一个几何源

 @param normals 法线的缓冲区。
 @param count 法线的数量。
 @return SCNGeometrySource
 */
+ (instancetype)geometrySourceWithNormals:(const SCNVector3 *)normals count:(NSInteger)count;

/**
 从纹理坐标点的数组中创建一个几何源。

 @param texcoord 纹理坐标的缓冲区。
 @param count 纹理坐标点的数量。
 @return SCNGeometrySource
 */
+ (instancetype)geometrySourceWithTextureCoordinates:(const CGPoint *)texcoord count:(NSInteger)count;

• 检查几何来源

//几何图形的数据来源
@property(nonatomic, readonly) NSData *data;

//每个顶点的语义值 枚举
@property(nonatomic, readonly) SCNGeometrySourceSemantic semantic;

//向量的个数
@property(nonatomic, readonly) NSInteger vectorCount;

//该值指示向量组件是否为浮点值。
@property(nonatomic, readonly) BOOL floatComponents;

//标量的组件的数量
@property(nonatomic, readonly) NSInteger componentsPerVector;

//每个向量组件的大小
@property(nonatomic, readonly) NSInteger bytesPerComponent;

//以字节为单位的偏移量，从数据的开始到第一个在几何源中使用的向量组件。
@property(nonatomic, readonly) NSInteger dataOffset;

//数据中从一个向量到另一个向量的字节数。
@property(nonatomic, readonly) NSInteger dataStride;

• 创建GPU-Mutable几何来源

/**
 创建一个几何源，其顶点数据位于指定的金属缓冲区中，允许通过金属计算着色器进行修改。

 @param mtlBuffer 一个金属缓冲器。
 @param vertexFormat 顶点格式
 @param semantic 枚举SCNGeometrySourceSemantic
 @param vertexCount 顶点的数目。
 @param offset 数据开始时的偏移量
 @param stride 从一个向量到数据中的下一个向量的字节数。
 @return SCNGeometrySource
 
 试图修改SCNSceneRenderer委托调用之外的金属缓冲区的讨论是没有定义的。
 通常使用它在willRenderScene回调中修改MTLBuffer，在用户自己的命令缓冲区中使用计算内核或顶点函数。所以类似:
 - (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)aRenderer willRenderScene:(SCNScene *)scene atTime:(NSTimeInterval)time
 {
 // 请求新的命令缓冲区。
 id <MTLCommandBuffer> myCommandBuffer = [aRenderer.commandQueue commandBuffer];
 
 // 获取一个计算命令编码器。
 id <MTLComputeCommandEncoder> myComputeCommandEncoder = [myCommandBuffer computeCommandEncoder];
 
 // 配置计算命令编码器的管道状态、缓冲区输入等…
 //...
 // 调度
 [myComputeCommandEncoder dispatchThreadgroups:numberOfWorkingGroups threadsPerThreadgroup:numberOfThreads];
 [myComputeCommandEncoder endEncoding];
 [myCommandBuffer commit];
 }
 */
+ (instancetype)geometrySourceWithBuffer:(id <MTLBuffer>)mtlBuffer vertexFormat:(MTLVertexFormat)vertexFormat semantic:(SCNGeometrySourceSemantic)semantic vertexCount:(NSInteger)vertexCount dataOffset:(NSInteger)offset dataStride:(NSInteger)stride API_AVAILABLE(macos(10.11), ios(9.0));

• SCNGeometrySourceSemantic枚举值

#if defined(SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH) && SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH >= 3
typedef NSString * SCNGeometrySourceSemantic NS_EXTENSIBLE_STRING_ENUM;
#else
typedef NSString * SCNGeometrySourceSemantic;
#endif

FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticVertex;//顶点位置数据的语义
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticNormal;//表面正常数据的语义
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticColor;//每个顶点颜色数据的语义。
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticTexcoord;//纹理坐标数据的语义。
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticTangent API_AVAILABLE(macos(10.12), ios(10.0), tvos(10.0));//表面切矢量数据的语义
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticVertexCrease API_AVAILABLE(macos(10.10));//用于细分曲面的顶点折痕数据的语义
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticEdgeCrease API_AVAILABLE(macos(10.10));//用于细分曲面的边缘折痕数据的语义
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticBoneWeights API_AVAILABLE(macos(10.10));//骨重量数据的语义，用于皮肤表面的骨骼动画
FOUNDATION_EXTERN SCNGeometrySourceSemantic const SCNGeometrySourceSemanticBoneIndices API_AVAILABLE(macos(10.10));//骨指数数据的语义，用于皮肤表面的骨骼动画。

4、SCNGeometryElement几何元素相关API简介

• 初始化

/**
 从指定的数据和选项创建一个几何元素

 @param data 包含元素索引的数据。您可以通过nil来使用隐式顶点排序(0,1,2…)。
 @param primitiveType SCNGeometryPrimitiveType枚举值
 @param primitiveCount 数据中的基元数。
 @param bytesPerIndex 表示数据中单个索引值的字节数。
 @return SCNGeometryElement
 */
+ (instancetype)geometryElementWithData:(nullable NSData *)data primitiveType:(SCNGeometryPrimitiveType)primitiveType primitiveCount:(NSInteger)primitiveCount bytesPerIndex:(NSInteger)bytesPerIndex;

• 使用索引

//描述几何元素的数据。
@property(nonatomic, readonly) NSData *data;

//SCNGeometryPrimitiveType 枚举值
@property(nonatomic, readonly) SCNGeometryPrimitiveType primitiveType;

//元素中的基元数。
@property(nonatomic, readonly) NSInteger primitiveCount;

//范围渲染。默认为[NSNotFound,0]
//当将范围的位置设置为NSNotFound时，将呈现整个几何元素。
@property(nonatomic) NSRange primitiveRange API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0), tvos(11.0), watchos(4.0));

//表示元素数据中的每个索引值的字节数。
@property(nonatomic, readonly) NSInteger bytesPerIndex;

• SCNGeometryPrimitiveType枚举值

typedef NS_ENUM(NSInteger, SCNGeometryPrimitiveType) {
    SCNGeometryPrimitiveTypeTriangles                                                  = 0,//几何元素的数据是一个三角形序列，每个三角形由三个新的顶点描述。
    SCNGeometryPrimitiveTypeTriangleStrip                                              = 1,//几何元素的数据是一个三角形序列，每个三角形由一个新顶点和前一个三角形的两个顶点描述。
    SCNGeometryPrimitiveTypeLine                                                       = 2,//几何元素的数据是一个线段序列，每个线段由两个新的顶点描述。
    SCNGeometryPrimitiveTypePoint                                                      = 3,//几何元素的数据是一个未连接点的序列。
#if defined(SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH) && SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH >= 2
    SCNGeometryPrimitiveTypePolygon API_AVAILABLE(macos(10.12), ios(10.0), tvos(10.0)) = 4//多边形
#endif
};
#if !(defined(SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH) && SWIFT_SDK_OVERLAY2_SCENEKIT_EPOCH >= 2)
#define SCNGeometryPrimitiveTypePolygon (SCNGeometryPrimitiveType)4
#endif

• 呈现点云

//使用这些属性将一个几何图形显示为一个点集合，而不是一个固体表面或线框。

//几何元素中各点的宽度，如几何图形中的局部三维坐标空间。默认1
@property(nonatomic) CGFloat pointSize API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0), tvos(11.0), watchos(4.0));

//在屏幕点上测量的最小的半径，用来渲染几何元素中的任何一点。默认1
@property(nonatomic) CGFloat minimumPointScreenSpaceRadius API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0), tvos(11.0), watchos(4.0));

//最大的半径，测量在屏幕上的点，在其中渲染任何一点的几何元素。默认1
@property(nonatomic) CGFloat maximumPointScreenSpaceRadius API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0), tvos(11.0), watchos(4.0));

5、SCNGeometryTessellator几何镶嵌者相关API简介

• 实例属性

//指定用于每个贴片镶嵌因素的比例因子。默认为1。
@property(nonatomic) CGFloat tessellationFactorScale;

//指定镶嵌划分模式。默认为MTLTessellationPartitionModeInteger。
@property(nonatomic) MTLTessellationPartitionMode tessellationPartitionMode;
typedef NS_ENUM(NSUInteger, MTLTessellationPartitionMode) {
    MTLTessellationPartitionModePow2 = 0,
    MTLTessellationPartitionModeInteger = 1,
    MTLTessellationPartitionModeFractionalOdd = 2,
    MTLTessellationPartitionModeFractionalEven = 3,
} NS_ENUM_AVAILABLE(10_12, 10_0);

//指定镶嵌应该是统一的还是自适应的。默认为NO
@property(nonatomic, getter=isAdaptive) BOOL adaptive;

//指定在屏幕空间中是否应该调整镶嵌的水平。默认为NO
@property(nonatomic, getter=isScreenSpace) BOOL screenSpace;

//指定边缘镶嵌因子。默认为1。
@property(nonatomic) CGFloat edgeTessellationFactor;

//指定内部镶嵌因素。默认为1
@property(nonatomic) CGFloat insideTessellationFactor;

//指定最大边长。默认为1。
@property(nonatomic) CGFloat maximumEdgeLength;

• 选择一个平滑算法SCNTessellationSmoothingMode枚举

//默认是SCNTessellationSmoothingModeNone
@property(nonatomic) SCNTessellationSmoothingMode smoothingMode;

typedef NS_ENUM(NSInteger, SCNTessellationSmoothingMode) {
    SCNTessellationSmoothingModeNone = 0,
    SCNTessellationSmoothingModePNTriangles,//PN-Triangles是控制曲面的算法法，P表现point，N表示法线，Triangles说明总有有3个点其对应的法线，这个算法很适用于实时渲染中的曲面生成，空间的最基本的面就是三角形面。
    SCNTessellationSmoothingModePhong// phong 光照模型渲染效果。
} API_AVAILABLE(macos(10.13), ios(11.0)) API_UNAVAILABLE(tvos, watchos);