SceneKit 应用扭矩

Question

我正在尝试将扭矩应用到我场景中的一个节点。文档指出：

扭矩矢量的每个分量都与绕轴的旋转有关 SCNNode 局部坐标系中的对应轴 包含物理体的对象。例如，施加扭矩 {0.0, 0.0, 1.0} 使节点围绕其逆时针旋转 z 轴。

但是在我的测试中，物理动画似乎不会影响对象的实际位置。因此，轴保持静止（即使实际节点明显移动）。这导致扭矩总是从同一方向施加（无论场景启动时 z 轴在哪里）。

我希望能够施加扭矩，以便它相对于对象始终是恒定的（例如，使节点围绕节点的presentationNode的z轴逆时针旋转，而不是位置节点有（有？）当场景已启动）

Answer 1

SceneKit 使用每个节点的两个版本：model 节点定义静态行为，presentation 节点实际参与动态行为并在屏幕上使用。这种划分反映了 Core Animation 中使用的功能，并启用了隐式动画等功能（您可以在其中执行诸如设置 node.position 之类的操作并将其设置为新值，而无需处理查询 node.position 的代码的其他部分动画期间的中间值）。

Physics 在表示节点上运行，但在某些情况下（例如本例）在场景空间中进行输入。

但是，表示节点和场景之间的唯一区别在于坐标空间，因此您需要做的就是将向量从表示空间转换为场景空间。 （场景的根节点不应被物理、动作或飞行动画转换，因此模型场景空间和演示场景空间之间没有实际区别。）为此，请使用坐标转换方法之一SceneKit 提供，如convertPosition:fromNode:。

这里有一个 Swift 游乐场，可以说明您的困境：

import Cocoa
import SceneKit
import XCPlayground

// Set up a scene for our tests
let scene = SCNScene()
let view = SCNView(frame: NSRect(x: 0, y: 0, width: 500, height: 500))
view.autoenablesDefaultLighting = true
view.scene = scene
let cameraNode = SCNNode()
cameraNode.camera = SCNCamera()
cameraNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: 5)
scene.rootNode.addChildNode(cameraNode)
XCPShowView("view", view)

// Make a pyramid to test on
let node = SCNNode(geometry: SCNPyramid(width: 1, height: 1, length: 1))
scene.rootNode.addChildNode(node)
node.physicsBody = SCNPhysicsBody.dynamicBody()
scene.physicsWorld.gravity = SCNVector3Zero // Don't fall off screen

// Rotate around the axis that looks into the screen
node.physicsBody?.applyTorque(SCNVector4(x: 0, y: 0, z: 1, w: 0.1), impulse: true)

// Wait a bit, then try to rotate around the y-axis
node.runAction(SCNAction.waitForDuration(10), completionHandler: {
    var axis = SCNVector3(x: 0, y: 1, z: 0)
    node.physicsBody?.applyTorque(SCNVector4(x: axis.x, y: axis.y, z: axis.z, w: 1), impulse: true)
})

第二次旋转有效地使金字塔围绕屏幕的 y 轴旋转，而不是金字塔的 y 轴——穿过金字塔顶点的那个。正如您所指出的，在第一次旋转之前，它正在围绕金字塔的 y 轴是旋转；即场景的 y 轴（不受物理影响），而不是表示节点的 y 轴（通过物理旋转）。

要修复它，请插入以下行（在以 var axis 开头的行之后）：

axis = scene.rootNode.convertPosition(axis, fromNode: node.presentationNode())

对convertPosition:fromNode: 的调用说“给我一个场景坐标空间中的向量，它与表示节点空间中的向量等效”。当您围绕转换后的轴施加扭矩时，它会有效地转换回表示节点的空间以模拟物理场，因此您会看到它围绕您想要的轴旋转。

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更新：有一些坐标空间错误，但最终结果几乎相同。

Answer 2

不幸的是，rickster 提供的解决方案对我不起作用:(

为了解决这个难题，我创建了（我认为是）一个非常不合标准的解决方案（更多的是概念证明）。它涉及在我试图找到的轴上创建（空）对象，然后我使用它们的位置来找到与轴对齐的向量。

由于我有一个相当复杂的场景，我从 COLLADA 文件加载它。在该文件中，我模拟了一个简单的坐标三脚架：三个正交圆柱体，顶部有圆锥体（更容易可视化正在发生的事情）。

然后我将这个三脚架对象约束到我试图对其施加扭矩的对象上。这样我就有了一些对象，这些对象允许我在我试图施加扭矩的对象的presentationNode的轴上检索两个点。然后我可以使用这两个点来确定施加扭矩的矢量。

// calculate orientation vector in the most unimaginative way possible

// retrieve axis tripod objects. We will be using these as guide objects.
// The tripod is constructed as a cylinder called "Xaxis" with a cone at the top.
// All loaded from an external COLLADA file.

SCNNode *XaxisRoot = [scene.rootNode childNodeWithName:@"XAxis" recursively:YES];
SCNNode *XaxisTip = [XaxisRoot childNodeWithName:@"Cone" recursively:NO];


// To devise the vector we will need two points. One is the root of our tripod,
// the other is at the tip. First, we get their positions. As they are constrained
// to the _rotatingNode, presentationNode.position is always the same .position
// because presentationNode returns position in relation to the parent node.

SCNVector3 XaxisRootPos = XaxisRoot.position;
SCNVector3 XaxisTipPos = XaxisTip.position;


// We then convert these two points into _rotatingNode coordinate space. This is
// the coordinate space applyTorque seems to be using.

XaxisRootPos = [_rotatingNode convertPosition:XaxisRootPos fromNode:_rotatingNode.presentationNode];
XaxisTipPos = [_rotatingNode convertPosition:XaxisTipPos fromNode:_rotatingNode.presentationNode];

// Now, we have two *points* in _rotatingNode coordinate space. One is at the center
// of our _rotatingNode, the other is somewhere along it's Xaxis. Subtracting them
// will give us the *vector* aligned to the x axis of our _rotatingNode

GLKVector3 rawXRotationAxes = GLKVector3Subtract(SCNVector3ToGLKVector3(XaxisRootPos), SCNVector3ToGLKVector3(XaxisTipPos));

// we now normalise this vector
GLKVector3 normalisedXRotationAxes = GLKVector3Normalize(rawXRotationAxes);

//finally we are able to apply toque reliably
[_rotatingNode.physicsBody applyTorque:SCNVector4Make(normalisedXRotationAxis.x,normalisedXRotationAxis.y,normalisedXRotationAxis.z, 500) impulse:YES];

您可能会看到，我在 SceneKit 方面经验不足，但即使我可以看到更简单/优化的解决方案确实存在，但我找不到它:(

Answer 3

我最近遇到了同样的问题，如何将扭矩从对象的局部空间转换为applyTorque 方法所需的世界空间。使用节点的convertPosition:toNode 和fromNodes 方法的问题在于它们还将节点的平移应用于扭矩，因此这仅在节点位于0,0,0 时有效。这些方法所做的是将 SCNVector3 视为 w 分量为 1.0 的 vec4。我们只想应用旋转，换句话说，我们希望 vec4 的 w 分量为 0。与 SceneKit 不同，GLKit 为我们提供了 2 个选项来说明我们希望 vec3 的倍增方式：

GLKMatrix4MultiplyVector3 在哪里

输入向量被视为 w 分量为 0.0 的 4 分量向量。

和GLKMatrix4MultiplyVector3WithTranslation 在哪里

输入向量被视为 w 分量为 1.0 的 4 分量向量。

这里我们想要的是前者，只是旋转，而不是平移。

所以，我们可以往返 GLKit。例如，要将局部 x 轴 (1,0,0)（例如俯仰旋转）转换为施加扭矩所需的全局轴，如下所示：

    let local = GLKMatrix4MultiplyVector3(SCNMatrix4ToGLKMatrix4(node.presentationNode.worldTransform), GLKVector3(v: (1,0,0)))
    node.physicsBody?.applyTorque(SCNVector4(local.x, local.y, local.z, 10), impulse: false)

然而，更 Swiftian 的方法是为 mat4 * vec3 添加一个 * 运算符，它将 vec3 视为具有 0.0 w 分量的 vec4。像这样：

func * (left: SCNMatrix4, right: SCNVector3) -> SCNVector3 { //multiply mat4 by vec3 as if w is 0.0
    return SCNVector3(
        left.m11 * right.x + left.m21 * right.y + left.m31 * right.z,
        left.m12 * right.x + left.m22 * right.y + left.m32 * right.z,
        left.m13 * right.x + left.m23 * right.y + left.m33 * right.z
    )
}

虽然这个操作符假设我们希望我们的 vec3s 如何相乘，但我的推理是，由于 convertPosition 方法已经将 w 视为 1，所以有一个 * 操作符也是多余的这个。

您还可以添加一个 mat4 * SCNVector4 运算符，让用户明确选择他们希望 w 为 0 还是 1。

因此，我们不必从 SceneKit 到 GLKit 往返，只需编写：

    let local = node.presentationNode.worldTransform * SCNVector3(1,0,0)
    node.physicsBody?.applyTorque(SCNVector4(local.x, local.y, local.z, 10), impulse: false)

您可以使用此方法通过一个applyTorque 调用在多个轴上应用旋转。所以说，如果你有摇杆输入，你希望摇杆上的 x 是偏航（本地 yUp 轴）和摇杆上的 y 是俯仰（本地 x 轴），但具有飞行模拟风格“向下拉回/ up"，然后你可以设置为SCNVector3(input.y, -input.x, 0)