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allowsCameraControl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