ARKit 进阶：物理世界

写在前面

ARKit的渲染能力是由其他框架实现的，除了苹果的SceneKit, Unity3D、UE, 或者其他自定义的OpenGL、Metal渲染引擎都可以与ARKit相结合。本文所介绍的技术都是基于SceneKit。

Demo

关于物理模拟

虽然物理引擎都具有真实的物理变量，如质量、重力、摩擦力等，但当我们说道物理模拟，不是要真的去用真实世界的数值去模拟物理行为，事实上那样反而会失真。我们要做的是维护好各种变量的相对关系，制造一种真实的物理感官即可。

SCNPhysicsWorld

游戏中的物理引擎用来模拟3D世界中的物理特效，使物体具备的真实的动态行为。SceneKit使用SCNPhysicsWorld来管理这种物理模拟，让物体的碰撞、连接、掉落等具有真实感。 ARSCNScene具有继承自SCNScene的默认SCNPhysicsWorld。任何添加到ARSCNScene的物理对象，都会注册到SCNPhysicsWorld中，维护其中的物理关系是重点。 利用SCNPhysicsWorld，我们主要做以下工作：

• 管理全局的物理变量。
• 利用其代理方法观察物理行为。
• 使用contact/ray/convex test方法，检测物理之间的物理关系。

SCNPhysicsBody

想要一个SCNNode参与到物理模拟中，只需要给node.physicsBody赋值一个合适的值。 所有拥有physics body的node，会在render loop的physics simulation阶段，计算该node的物理行为，在接下来的渲染阶段对node做相应的变换。

image.png

一个合适的SCNPhysicsBody需要合理设置其type与physicsShape。 type:

• dynamic: 可以被碰撞、力影响。适合场景中物理引擎可以完全接管的类型，如掉落的石块。
• static: 不受碰撞、力影响，且不能移动。适合场景中地面、墙体等。
• kinematic: 不受碰撞、力影响，但移动的时候会影响其他body。适合场景中的角色，毕竟我们不想角色的移动不想被太多力影响。

physicsShape: 当physics body参与到物理模拟时，一个更贴合的形状能得到一个更令人满意的结果。但是对于一个比较复杂的几何体，简单的convex会显得过大，concave又会太复杂影响性能。这种情况可以使用若干个简单的形状拼装一个相似的形状，或者由设计给出一个合理的形状，总之形状的选择要平衡性能与真实感。

body category

一个场景中会有许多node，需要给他们设置category，让我们只关注感兴趣的碰撞、接触。尤其要注意的是它们各自的默认值，不然很容易出现bug。 categoryBitMask: 指定body的类型， dynamic/kinematic body默认为1，static body默认为2。 collisionBitMask: 指定能与该body产生碰撞的physics body类型。默认是-1，即每位都置1。 contactTestBitMask: 指定哪种类型的physics body与该body发生接触（几何体交叉）后，通知给physics world。 这个属性在OSX10.11和iOS9以上默认值是0，以下与collisionBitMask相同。

记住重设physics body时，要恢复这些值

注意SCNNode也有一个categoryBitMask，用法与这个类似。但在scene test时，这两个容易搞混。这里吐槽以下苹果的命名。

SCNPhysicsShape

当物理引擎检测碰撞时，使用的是SCNPhysicsShape来计算结果，除了性能，我碰到两个关于physicsShape的问题：

1. 如果node.geometry是不可见的，那个虽然它有physics shape，在调试时也会显示，但不会参与物理模拟。
2. SceneKit的物理引擎是不支持缩放变换的。如果一个node做缩放变换后，physics body将仍是原来的尺寸。这种情况看我的回答，重点是当attach body之前如果没有指定形状，那么SceneKit才会使用scale信息，使用SCNPhysicsShapeScaleKey也有一样的效果。

//still has identity scale
SCNPhysicsBody *body = [SCNPhysicsBody bodyWithType:SCNPhysicsBodyTypeKinematic shape:[SCNPhysicsShape shapeWithGeometry:ramp.geometry options:nil]];
//this did worked
SCNPhysicsBody *body = [SCNPhysicsBody bodyWithType:SCNPhysicsBodyTypeKinematic                                                     shape:nil];

SceneKit automatically creates a physics shape for the body when you attach it to a node, based on that node’s geometry property

物理模拟与其他动画的冲突

从SceneKit的render loop可以看到，物理模拟实际上也是一种动画，只不过动画的参数由物理引擎控制。SceneKit也遵循iOS的传统，具有隐式、显式动画，同时有SCNAction接口。由于物理引擎 是将所有的计算结果应用到动画层上，即node.presentationNode，这会让新加入的动画显得不正常。因为其他动画的初始值是从node.transform中读取的。对于这种问题，需要读出node.presentationNode.transform的值用于动画的初始值。

process of collision

对于简单的碰撞，只要设置好physics body和category bit mask，collision bit mask等参数，其他的就由物理引擎接管了。 碰撞的处理过程由3个部分组成。

collision detection

物理引擎会在渲染时检测物体之间的physics body是否发生重叠，这一过程我们可以通过中的方法观察。

collision determination

与操作两个物体的之间的categoryBitMask和collisionBitMask，若返回非0，则发生碰撞。

collision respond

物理引擎会在渲染之前，计算物理碰撞的结果并应用到物体上。

contact test

当有两个物体相接触，若categoryBitMask和contactTestBitMask相与不为零，那么会调用的方法。很显然这个结果的集合是小于碰撞结果的。通过这个方法，我们能够控制两个物体之间的碰撞，这在物理引擎接管的碰撞动画不理想时，是非常有用的。 当接触发生时，代理方法会传来SCNPhysicsContact对象，它包含了接触的对象、部位、法线与重叠距离。通过它可以修正错误的动画。例如我将一个石块从高处坠落，如果速度特别大，那么它会直接穿过底部的平面。因为在render loop的渲染时，两者相接触的那一帧在物理模拟时，石块已经大部分穿过了平面，这样在下一帧石块会直接穿过去，而不是回弹。可以看我的回答。

scene test

SceneKit与ARKit中共有以下几种scene test，用以观察世界中的物体关系，作用类似UIKit的 hitTest: 方法。

AR scene test

//ARSCNView
- (NSArray<ARHitTestResult *> *)hitTest:(CGPoint)point 
                                  types:(ARHitTestResultType)types;

根据ARSCNView中的点，构造一条3D世界的射线，搜索ARAnchor或真实物体（特征点或已检测出的平面）。 scene test

//SCNSceneRenderer
- (NSArray<SCNHitTestResult *> *)hitTest:(CGPoint)point 
                                 options:(NSDictionary<SCNHitTestOption, id> 
                                 
//SCNNode
- (NSArray<SCNHitTestResult *> *)hitTestWithSegmentFromPoint:(SCNVector3)pointA 
                                                     toPoint:(SCNVector3)pointB 
                                                     options:(NSDictionary<NSString *,id> *)options;

第一个方法：根据SCNSceneRenderer（SCNView等）中的点，构造一条3D世界的射线，搜索与射线相交的几何体，node.geometry为nil则忽视。 第二个方法：在目标node的局部空间中，搜索与pointA-pointB线段相交的子node。

physics body test

//SCNPhysicsBody
- (NSArray<SCNHitTestResult *> *)rayTestWithSegmentFromPoint:(SCNVector3)origin 
                                                     toPoint:(SCNVector3)dest 
                                                     options:(NSDictionary<SCNPhysicsTestOption, id> *)options;
- (NSArray<SCNPhysicsContact *> *)convexSweepTestWithShape:(SCNPhysicsShape *)shape 
                                             fromTransform:(SCNMatrix4)from 
                                               toTransform:(SCNMatrix4)to 
                                                   options:(NSDictionary<SCNPhysicsTestOption, id> *)options;

第一个方法：在物理世界中，返回在两点之间的physics body所属的node。 第二个方法：在物理世界中，按form-to变换滑动指定的形状，返回相交的physics body所属的node。

contact test

//contact test
- (NSArray<SCNPhysicsContact *> *)contactTestBetweenBody:(SCNPhysicsBody *)bodyA 
                                                 andBody:(SCNPhysicsBody *)bodyB 
                                                 options:(NSDictionary<SCNPhysicsTestOption, id> *)options;
- (NSArray<SCNPhysicsContact *> *)contactTestWithBody:(SCNPhysicsBody *)body 
                                              options:(NSDictionary<SCNPhysicsTestOption, id> *)options;

第一个方法：检测物理世界中，两个body是否发生接触，返回所有的接触点。 第二个方法：返回所有在物理世界中与指定body发生contact的node。

最后

物理引擎能够帮助我们模拟真实世界的效果，虽然高级的特效一般都是自己在渲染循环中实现的，但它大大减轻了我们计算成本。拥有良好的物理特效，能够让用户有真实的感受，希望本篇文章能够帮助大家。