使用Swift和SceneKit开发一片圣诞树林

过去几年中，移动应用像风暴一样席卷世界，改变了我们的网上工作、娱乐方式。很多移动应用开发技术应运而生，而移动也开始得到开发过程重视。尽管移动已经看似无所不在，但未来才刚刚开始。新一代的移动设备，好比可穿戴设备，好比物联网的许许多多移动构件，就在我们面前。我们会发现：用于数据展示和命令接收的用户界面不断地推陈出新；越来越多的公司站在真正的移动浪潮之巅。这会在未来几年中影响软件的设计、开发、测试方式。

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今年，随着Swift编程语言及其1.0版的发布，苹果允许向AppStore提交用Swift开发的iOS应用，为iOS编写应用从未如此简单。这篇文章展示了用Swift创建iOS应用的全过程，以及如何通过SceneKit展示3D图形。

本文中代码的Swift版本为1.0版，仅供学习使用。

软件需求

创建本文相关代码之前，先要在OSX 10.9或更高版本中安装Xcode 6.1。文中的代码可以直接在模拟器中运行，想要部署到硬件设备上的话，需要激活 iOS开发者 账号。

iOS新项目创建

创建新项目，可以通过Xcode启动时的欢迎对话框，或是“文件→新建→项目”菜单。

出现在Xcode新窗口菜单中的新对话框包含了多种iOS或OS X应用选项。有很多缺省模版类型，用以创建不同行为的示例代码项目。

选择“iOS→应用→游戏”可以从众多不同类型中选择一个来创建模版：

• SceneKit
• SpriteKit
• OpenGL ES
• Metal

用 SceneKit 创建一个面向通用设备的名为 MerrySwiftmas 的Swift应用。（通用应用意味着该应用可以运行在iPad和iPhone/iPod上；如果应用只面向一种设备，可以在此处或接下来的 info.plist 中进行更改）。

运行项目

这样就根据模版创建了一个新项目。项目的用户界面可以被划分为四个独立区域：左边是导航区（可以通过快捷键⌘1-9进行切换）；右上部是各种检视器（可以通过快捷键⌥⌘1-9进行切换）；右下方是各个类库（可以通过快捷键^⌥⌘1-9进行切换）。

窗口中间是编辑区，该区域会显示导航区所选中的文件。选中最顶层项目时，编辑区会展示一系列通用信息（这些信息存储在info.plist文件中）；单击选中其他文件时，编辑区会发生变化，双击文件时，则会弹出含有该文件的新窗口。

窗口顶部是运行按钮；运行意味着构建并启动缺省目标设备及应用；本例中，是一个加载应用的模拟器窗口：

Swift代码简介

飞船的加载、显示是靠 GameViewController.swift 文件中的 viewDidLoad 函数。

import UIKit import SceneKit  class GameViewController: UIViewController {   override func viewDidLoad() {     super.viewDidLoad()     let scene = SCNScene()     ...     let scnView = self.view as SCNView     scnView.scene = scene     scnView.autoenablesDefaultLighting = true     scnView.allowsCameraControl = true   }   ... }

正如其他C类型语言，块集成用花括号{}，类成员访问用.，函数和构造器传参用括号()。参数可以是定位参数或命名参数，冒号隔开名称和值。

虽说Swift是静态编译的强类型应用，却不必声明变量类型。Swift会在编译时自动推导。 Var 用于声明变量， let 用于声明常量。

关键字 as 用于类型转换，有了它，源于 UIViewController 超类、被声明为 UIView 的 self.view 就可以当SceneKit SCNView 使用，进而对诸如 scene 或是 allowsCameraContro l这类SceneKit特有的字段进行访问。

替换宇宙飞船

视图控制器首次加载时， viewDidLoad() 的函数体会被调用，函数体可以用上述代码替换。运行替换后的代码会得到不含其他信息的黑色屏幕。

场景图像通过结点结构进行展示，并以 rootNode 为顶层结点。任何结点都能添加子结点；结点的翻转变换会统一影响其所有子结点。

向图中添加柱体，可以像下面这样，创建一个含有 SCNCylinder 的 SCNNode 并添加到图中：

... scnView.allowsCameraControl = true  let rootNode = scene.rootNode let cylinder = SCNCylinder(radius:1,height:3) let tree = SCNNode(geometry: cylinder) rootNode.addChildNode(tree)

如果现在运行应用，你会看到一个相当无趣的白块：

柱体看上去并不具备3D效果，这只是因为柱体尚未上色、场景尚未投灯光。这些都很容易搞定：可以像下面这样，将柱体的漫反射材质上色，场景投自动灯光：

... rootNode.addChildNode(tree)  cylinder.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.brownColor() scnView.autoenablesDefaultLighting = true

现在再运行应用，柱体就会显示出着色后的的3D效果。因为场景允许摄像控制（采用上帝视角观察），所以可以通过手指或鼠标手势拖动场景：

下一步是在柱体之上添加锥体，方法与添加柱体类似。

... scnView.autoenablesDefaultLighting = true  let cone = SCNNode(geometry: SCNCone(topRadius:0, bottomRadius:3, height:3)) cone.position.y = 3 cone.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.greenColor() tree.addChildNode(cone)

为了把锥体放在柱体之上，初始位置上移了3个单元，但仍保持和柱体中心对称。 ?. 是可选访问器：如果值为空，那么一切都不变；如果值非空，那么计算表达式的剩余部分。

现在应用的运行结果如下：

完成树

由于要在顶部添加更多锥体，锥体的创建代码会被重复多次。也可以用含有这部分代码的 for 循环替代。

... scnView.autoenablesDefaultLighting = true  for i in 1...3 {   let cone = SCNNode(geometry: SCNCone(topRadius:0, bottomRadius:3, height:3))   cone.position.y = 2 * Float(i) + 1   cone.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.greenColor()   tree.addChildNode(cone) }

for 循环中，用 1...3 代表闭区间 [1,2,3] 。半闭合区间 [1,2] 可以用 1..<3 表示。通过堆叠锥体来生成树。

整型 i 可以通过 Float 强制转换成浮点型以便根据树根计算相对位置。

应用运行时，会显示一棵树：

添加礼物

用 SCNBox 的话，可以把礼物放在树下。柱体（即树的底部）的位置在0,0,0及其之上，盒子的位置要略低一点： y=-1 。 X 和 z 方向随意。可以显式指定位置，但for循环所允许的位置只有(0,1)，(1,0)以及(1,1)。

for i in 1...3 {   let present = SCNNode(geometry: SCNBox(width: 1, height: 1, length: 1, chamferRadius: 0))   present.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.blueColor()   present.position.x = Float(i % 2) * 2   present.position.z = Float(i / 2) * 2   present.position.y = -1   tree.addChildNode(present) }

重构为类

把这些一股脑儿堆放在视图控制器加载的时候，并不是好的实践方案。这种情况下，代码复用和测试都会变得相对困难。实际上，创建树的相关代码可以单独成类。

用“文件→新建→文件”创建一个名为 ChristmasTree 的iOS Swift文件。文件创建时为空，需要导入 SceneKit 并声明一个名为 ChristmasTree 的类。

import SceneKit  class ChristmasTree { }

想创建 SCNNode 子类的话，要把父类名称放在子类名称之后，并用冒号隔开。实现协议（接口）用的也是同样的语法。这样做时，还要添加一系列调用init的构造器：

class ChristmasTree: SCNNode {   override init() {     super.init()   }   required init(coder: NSCoder) {     fatalError("init(coder:) has not been implemented")   } }

Swift约定：对象要有一个主要（或缺省）初始化函数；在很多UIKit对象中，这意味着要遵循NSCoder协议，也就是说，要有一个编码器相关的init函数。通过把字段属性转换成序列化结构并还原，NSCoder能将Interface Builder中的对象持久化。如果你忘了写，Xcode会报错并帮你添上。这样做的实际效果就是，用Swift重写子类时，“需要”一个构造器，“重写”其他构造器。

现在类框架写好了，也该补充内容了。把创建树的代码从 viewDidLoad 方法移动到 ChristmasTree 的 init 方法中来：

override init() {   super.init()    let cylinder = SCNCylinder(radius:1,height:3)   let trunk = SCNNode(geometry: cylinder)   cylinder.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.brownColor() addChildNode(trunk)    for i in 1...3 {     let cone = SCNNode(geometry: SCNCone(topRadius:0, bottomRadius:3, height:3))     cone.position.y = 2 * Float(i) + 1     cone.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.greenColor()     addChildNode(cone)   }    for i in 1...3 {     let present = SCNNode(geometry: SCNBox(width: 1, height: 1, length: 1, chamferRadius: 0))     present.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = UIColor.blueColor()     present.position.x = Float(i % 2) * 2     present.position.z = Float(i / 2) * 2     present.position.y = -1     addChildNode(present)   } }

这样就把树的添加工作留到视图控制器更新时再做：

override func viewDidLoad() {   super.viewDidLoad()   let scene = SCNScene()   let scnView = self.view as SCNView   scnView.scene = scene   scnView.allowsCameraControl = true   let rootNode = scene.rootNode   let tree = ChristmasTree()   rootNode.addChildNode(tree)   scnView.autoenablesDefaultLighting = true }

种植森林

可以拥有上千棵树，为何满足于只有一棵？现在树被抽象为一个类。种一百棵树很简单。用嵌套for循环的 position 属性安排每棵树的位置。在步长不为1的情况下，可以通过内置函数 stride 生成数字迭代器。

for x in stride(from:0, to:100, by:10) {   for z in stride(from:0, to:100, by:10) {     let tree = ChristmasTree()     tree.position.x = Float(x)     tree.position.z = Float(z)     rootNode.addChildNode(tree)   } }

这样，一百棵树就种好了，间隔10个单位，分布在2D网格中。

所有树看上去都很相似，部分原因在于所有礼物的整齐排列。加入树的旋转后，会不再那么相似。旋转用弧度衡量：圆的弧度为2π，因此，想得到随机位置，可以选一个180以内的随机数，除以180，再乘以π：

tree.position.x = Float(x) tree.position.z = Float(z) tree.rotation.y = 1 tree.rotation.w = Float(M_PI) * Float(arc4random_uniform(180)) / Float(180)

现在森林看上去有那么一点不一样了：

添加颜色

目前所有礼物都是蓝色。如果你恰巧喜欢蓝色，就很不错，只是看上去会有一点单调。还有一种选择，你可以创建颜色序列，并随机选取。

尽管Swift支持 struct 和 enum 类型的 static 成员，但直到Swift1.1，尚不支持 static 类成员。（实际上，要是你试着向Swift类中添加 static 成员，编译器会抱怨你不该用 static ，而应该用 class ，可当你用了 class ，编译器又会表示尚不支持）

值得庆幸的是，类之外也能声明变量，这样声明的全局变量正好能存储构建好的颜色序列。通过随机系数就可以选取礼物的颜色。

let colors = [   UIColor.blueColor(),   UIColor.cyanColor(),   UIColor.magentaColor(),   UIColor.orangeColor(),   UIColor.purpleColor(),   UIColor.redColor(),   UIColor.whiteColor(),   UIColor.yellowColor(), ]  class ChristmasTree: SCNNode { ...       let present = SCNNode(geometry: SCNBox(width: 1, height: 1, length: 1, chamferRadius: 0))       present.geometry?.firstMaterial?.diffuse.contents = colors[random() % colors.count]

结论

Swift是一种很容易上手的语言，因为它有自己的REPL（ swift ，简单交互式编程环境，源于Lisp，译者注）；只通过几行代码就可以用SceneKit创建交互图形应用。最后，祝你们圣诞快乐！

在 Alex 的 GitHub 空间 可以找到该项目的源代码。

关于作者

二十年前， Dr Alex Blewitt 第一次在NeXTstation上接触到Objective-C面向对象编程并一直使用至今。Swift的发布预示着OS X平台的未来，Alex为此写过一本书， Swift Essentials ，该书定于下月出版发行。有空时，如果天气很好，Alex会从本地的Crafield机场试飞。

过去几年中，移动应用像风暴一样席卷世界，改变了我们的网上工作、娱乐方式。很多移动应用开发技术应运而生，而移动也开始得到开发过程重视。尽管移动已经看似无所不在，但未来才刚刚开始。新一代的移动设备，好比可穿戴设备，好比物联网的许许多多移动构件，就在我们面前。我们会发现：用于数据展示和命令接收的用户界面不断推陈出新；越来越多的公司站在真正的移动浪潮之巅。这会在未来几年中影响软件的设计、开发、测试方式。

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查看英文原文： Merry Swiftmas from InfoQ

感谢夏雪对本文的审校。

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