математическая подвижная сетка в Swift с помощью SceneKit

Индивидуальная анимация положения вершин, как правило, непростая задача. Но есть хорошие способы приблизиться к этому в SceneKit.

Графический процессор действительно хочет, чтобы все данные вершин были загружены в один блок, прежде чем он начнет рендеринг кадра. Это означает, что если вы постоянно вычисляете новые позиции вершин/нормали/и т. д. на ЦП, у вас возникает проблема переноса всех этих данных на ГП каждый раз, когда меняется хотя бы часть из них.

Поскольку вы уже описываете свою поверхность математически, у вас есть все шансы проделать эту работу на самом графическом процессоре. Если каждая позиция вершины является функцией некоторой переменной, вы можете написать эту функцию в шейдере и найти способ передать входную переменную для каждой вершины.

Для этого можно рассмотреть несколько вариантов:

1. Модификаторы шейдеров. Начните с фиктивной геометрии, имеющей нужную вам топологию (количество вершин и способ их соединения в виде полигонов). Передайте свою входную переменную как дополнительную текстуру и в коде модификатора шейдера (для точки входа геометрии) найдите текстуру, выполните свою функцию и установите положение вершины с результатом.

2. Металлические вычислительные шейдеры. Создайте источник геометрии с буфером Metal, затем во время рендеринга поставьте в очередь вычислительный шейдер, который записывает данные вершин в этот буфер в соответствии с вашей функцией. (Скелетный код части этого по ссылке.)

Обновление. Судя по вашим комментариям, вам может быть легче.

Если у вас есть геометрия, состоящая из частей, которые являются статичными по отношению друг к другу и перемещаются относительно друг друга — как кубики кубика Рубика — вычисление вершин во время рендеринга является излишним. Вместо этого вы можете один раз загрузить статические части вашей геометрии в GPU и использовать преобразования для их позиционирования относительно друг друга.

Способ сделать это в SceneKit состоит в том, чтобы создать отдельные узлы, каждый со своей собственной (статической) геометрией для каждой части, а затем установить преобразования узлов (или положения/ориентации/масштабы) для перемещения узлов относительно друг друга. Чтобы переместить сразу несколько узлов, используйте иерархию узлов — сделайте несколько из них потомками другого узла. Если некоторые из них должны перемещаться вместе в один момент, а другое подмножество — позже, вы можете изменить иерархию.

Вот конкретный пример идеи кубика Рубика. Сначала создадим кублеты:

// convenience for creating solid color materials
func materialWithColor(color: NSColor) -> SCNMaterial {
    let mat = SCNMaterial()
    mat.diffuse.contents = color
    mat.specular.contents = NSColor.whiteColor()
    return mat
}

// create and arrange a 3x3x3 array of cubelets
var cubelets: [SCNNode] = []
for x in -1...1 {
    for y in -1...1 {
        for z in -1...1 {
            let box = SCNBox()
            box.chamferRadius = 0.1
            box.materials = [
                materialWithColor(NSColor.greenColor()),
                materialWithColor(NSColor.redColor()),
                materialWithColor(NSColor.blueColor()),
                materialWithColor(NSColor.orangeColor()),
                materialWithColor(NSColor.whiteColor()),
                materialWithColor(NSColor.yellowColor()),
            ]
            let node = SCNNode(geometry: box)
            node.position = SCNVector3(x: CGFloat(x), y: CGFloat(y), z: CGFloat(z))
            scene.rootNode.addChildNode(node)
            cubelets += [node]
        }
    }
}

Далее процесс выполнения поворота. Это одно конкретное вращение, но вы можете обобщить его до функции, которая выполняет любое преобразование любого подмножества кубиков:

// create a temporary node for the rotation
let rotateNode = SCNNode()
scene.rootNode.addChildNode(rotateNode)

// grab the set of cubelets whose position is along the right face of the puzzle,
// and add them to the rotation node
let rightCubelets = cubelets.filter { node in 
    return abs(node.position.x - 1) < 0.001 
}
rightCubelets.map { rotateNode.addChildNode($0) }

// animate a rotation
SCNTransaction.begin()
SCNTransaction.setAnimationDuration(2)
rotateNode.eulerAngles.x += CGFloat(M_PI_2)
SCNTransaction.setCompletionBlock {
    // after animating, remove the cubelets from the rotation node,
    // and re-add them to the parent node with their transforms altered
    rotateNode.enumerateChildNodesUsingBlock { cubelet, _ in
        cubelet.transform = cubelet.worldTransform
        cubelet.removeFromParentNode()
        scene.rootNode.addChildNode(cubelet)
    }
    rotateNode.removeFromParentNode()
}
SCNTransaction.commit()

Волшебная часть находится в очистке после анимации. Кублеты начинаются как дочерние элементы корневого узла сцены, и мы временно переназначаем их родителем другому узлу, чтобы мы могли преобразовать их вместе. После того, как они снова станут дочерними узлами корневого узла, мы устанавливаем каждому локальному transform его worldTransform, чтобы он сохранял эффект изменений преобразования временного узла.

Затем вы можете повторить этот процесс, чтобы захватить любой набор узлов, находящихся в (новом) наборе позиций в мировом пространстве, и использовать другой временный узел для их преобразования.

Я не совсем уверен, насколько ваша проблема похожа на кубик Рубика, но похоже, что вы, вероятно, можете обобщить решение из чего-то подобного.