2017-08-22

iOS で SceneKit を試す(Swift 3) その75 - SceneKit Particle System File とパーティクルシステムの emitterShape

SceneKit Particle System File (scnp) は Particle System 専用のファイル。
Scene Editor 上で、Particle System の確認ができる。

scnp ファイルは Particle System のファイルではあるが、scn では参照ができないため、コード場で行う。

scnp ファイルを Scene Editor で見た場合

パーティクルシステムの情報しかないので、Scene Graph View は存在せず、Inspector のも少なくなっている。

Scene Editor の下の部分は scn ファイルと異なっている。

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ファイルの作成

Xcode のメニューバー、File > New > File… か、Command + N から「SceneKit Particle System File」を選ぶ。

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テンプレートの選択が出るので必要なものを選択すると、scnp ファイルと使用する画像ファイルができあがる。

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テンプレートの種類

以下のテンプレートが用意されている。

Bokeh
Confetti
Rain
Reactor
Smoke
Stars

Bokeh

円状のパーティクルの輪郭がボケながら消えてゆくテンプレート。

Attributes Inspector (Command + Option + 4) の Image の Color を変更すると色が変わる。

bokeh.png は 4x4 のアニメーションを並べたテクスチャで、例えば Initial frame の 0 にするとアニメーションが行われないため、ボケは行われず透過で消える。

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Confetti

紙吹雪の動きを模したテンプレート。

テンプレートのままだと Scene Editor で表示されないため、コード上で設定を行う。

Fire

炎を模したテンプレート

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Rain

雨粒が下に落ちる雨を模したテンプレート。

重力の物理アニメーションで落としているの PhysicsWorld の重力値を変更する場合は注意。

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Reactor

バーナーのような炎を模したテンプレート

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Smoke

煙を模したアニメーション。

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Stars

小さな星が奥から手前に移動し、宇宙空間を慰労しているかのように見せるテンプレート。

薄い黄色から薄い青にアニメーションさせているため、 Scene Editor で若干ズームアウトすると見た目が変わる。

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任意の Shape にパーティクルを適応してみる。

普通にシーンにパーティクルを適応しても scn のパーティクルシステムとかわらないので emitterShape を使用してみる。

ひとまず、Xcode で SceneKit の Game テンプレート作成。

SCNP の作成

Command + N から「SceneKit Particle System File」を選美、Fire テンプレートを選択。
ここでは、ファイル名を Fire.scnp にしてプロジェクトに追加する。

GameViewController.swift の設定

GameViewController.swift を開く。

ship.scn を使用しないので、19行目を以下に変更。

let scene = SCNScene()

ship.scn を使用しなくなり、宇宙船のアニメーションはいらないので、 44、47行目を削除

let ship = scene.rootNode.childNode(withName: "ship", recursively: true)!

ship.runAction(SCNAction.repeatForever(SCNAction.rotateBy(x: 0, y: 2, z: 0, duration: 1)))

パーティクルの設定

GameViewController.swift の viewDidLoad() でビルトインジオメトリ SCNText でシェイプを作成。
そのシェイプからエミッターとしてパーティクルを吐き出す。

// シェイプ
let textShape = SCNText(string: "つぶ", extrusionDepth: 1)
textShape.flatness = 0.0

// パーティクルシステム
let particle = SCNParticleSystem(named: "Fire.scnp", inDirectory: "")
particle?.emitterShape = textShape
let particleShapePosition = particle?.emitterShape?.boundingSphere.center

// ノードにパーティクルシステムをピボット変更後して紐付ける
let particleNode = SCNNode()
particleNode.pivot = SCNMatrix4MakeTranslation(particleShapePosition!.x, particleShapePosition!.y, 0)
particleNode.addParticleSystem(particle!)

scene.rootNode.addChildNode(particleNode)

そのままでは大きいので、27行目のカメラの Z軸を 50 に変更

cameraNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: 50)

ビルドすると以下のような感じになる

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GameViewController.swift のコード

import UIKit
import QuartzCore
import SceneKit

class GameViewController: UIViewController {

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        
        let scene = SCNScene()
        
        let cameraNode = SCNNode()
        cameraNode.camera = SCNCamera()
        cameraNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: 50)
        scene.rootNode.addChildNode(cameraNode)
        
        let lightNode = SCNNode()
        lightNode.light = SCNLight()
        lightNode.light!.type = .omni
        lightNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 10, z: 10)
        scene.rootNode.addChildNode(lightNode)
        
        let ambientLightNode = SCNNode()
        ambientLightNode.light = SCNLight()
        ambientLightNode.light!.type = .ambient
        ambientLightNode.light!.color = UIColor.darkGray
        scene.rootNode.addChildNode(ambientLightNode)
        
        let scnView = self.view as! SCNView
        scnView.scene = scene
        scnView.allowsCameraControl = true
        scnView.showsStatistics = true
        scnView.backgroundColor = UIColor.black
        
        // シェイプ
        let textShape = SCNText(string: "つぶ", extrusionDepth: 1)
        textShape.flatness = 0.0
        
        // パーティクルシステム
        let particle = SCNParticleSystem(named: "Fire.scnp", inDirectory: "")
        particle?.emitterShape = textShape
        let particleShapePosition = particle?.emitterShape?.boundingSphere.center
        
        // ノードにパーティクルシステムをピボット変更後して紐付ける
        let particleNode = SCNNode()
        particleNode.pivot = SCNMatrix4MakeTranslation(particleShapePosition!.x, particleShapePosition!.y, 0)
        particleNode.addParticleSystem(particle!)
        
        scene.rootNode.addChildNode(particleNode)
    }
    
    override var shouldAutorotate: Bool {
        return true
    }
    
    override var prefersStatusBarHidden: Bool {
        return true
    }
    
    override var supportedInterfaceOrientations: UIInterfaceOrientationMask {
        if UIDevice.current.userInterfaceIdiom == .phone {
            return .allButUpsideDown
        } else {
            return .all
        }
    }
    
    override func didReceiveMemoryWarning() {
        super.didReceiveMemoryWarning()
    }
}

今回はここまで。

2017-08-21

iOS で SceneKit を試す(Swift 3) その74 - SceneKit のパーティクル、SCNParticleSystem について

SceneKit Swift3 開発

パーティクルシステムとは粒状のものに画像など使用し、振る舞いの設定を行い、
煙、雨、紙吹雪、花火の効果を再現する。

そして、その粒子の一つ一つをパーティクルと呼ぶ。

パーティクルは SceneKit で存在するオブジェクトで唯一 Scene Graph と切り離され存在となっており、数千、数万と描画される可能性があるため、内部的に処理している。

ちなみに他のゲームエンジンと異なりパーティクルをジオメトリに設定することはできないので自力で頑張る。

パーティクルシステムの流れ

パーティクルの画像設定

各パーティクルにテクスチャ画像を適応し、色合い、ブレンディングモードなどのパラメータを調整し外観を設定する。
また、アニメーション用にシーケンス画像を設定して、鳥の群れや多段階の爆発など表現することができる。

パーティクルの寿命

パーティクルは発射口となるエミッタの始点から、消えるまで位置や色を変更することでアニメーションを表現する。

各パーティクルのが消えるまでを birthRate と particleLifeSpan とし、掛け合わしたものを寿命として設定するが、寿命を長くしすぎると画面上のパーティクルが多くなりすぎ消費電力と演算に時間がかかるので注意。

エミッタ

発射口となる部分で、単一点もしくはジオメトリをエミッタに設定することができる。 emissionDuration の設定次第で一定期間アイドルさせたりすることができる。

バリエージョン

パーティクルシステムプロパティには、ランダムに変化させるプロパティがある。
例えば、大きさをランダム化し大きさに幅を持たせるとか。

動き

パーティクルは方向、速度、角速度、加速度などのシンプルな物理シミュレーションによって移動が行われ、設定している寿命がきて消滅するまでアニメーションを行う。
パーティクルは物理シミュレーションであるため PhysicsWorld のジオメトリによる障害物や PhysicsField を使うことで複雑な効果をアニメーションで行うことができる。

他の機能

SCNParticlePropertyController を使用すると CoreAnimation の機能から個々のパーティクルの振る舞いを調整しエフェクトを作成すことができる
systemSpawnedOnCollision を使用することでパーティクルが障害物に衝突した際に処理ができる。新たなパーティクルが生成される設定が可能
パーティクルシステム用に各イベントハンドラにパーティクルモディファイアブロックを付加しアニメーションさせることができる。ブロックはパーティクルのプロパティを一括で変更することができるがレンダリングコストは高くなる。

SCNParticleSystem の設定方法の種類

全てコードで作成
SceneKit Particle System File (scnp) を作成し、コードから利用
Scene ファイル (scn) の Scene Graph で Particle System を作成する。

設定項目が多く動作の状況が掴みづらいので、大体は scn か scnp から利用することなる。

今回はここまで。

2017-08-18

iOS で SceneKit を試す(Swift 3) その73 - 物理シミュレーションとパーティクルの空間に影響を与える PhysicsField について

SceneKit Swift3 開発

重力、電磁気、乱気流などの外部から与えられる力を領域内に反映させるオブジェクト、PhysicsField (物理フィールド) について見ていこうと思う。

PhysicsField は物理アニメーションとパーティクルに適応でき、コード上からカスタムの PhysicsField を作成することができる。

SceneKit で用意されている物理フィールド

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名称	機能
Drag	動きを減速させる流体摩擦や空気抵抗のフィールド
Vartex	指定した軸を中心に力が循環する渦のフィールド
Radial Gravity	中心に向かって加速する重力フィールド
Linner Gravity	特定の方向に加速する重力フィールド
Noise	ランダムな力を適用するフィールド
Turbulance	オブジェクトの速度に比例した大きさでランダムな力を適用するフィールド
Spring	中心に向かってバネのような力で引っ張るフィールド
Electoric	電荷によって中心から距離に基づいてオブジェクトを引き付けるか、または反発させるフィールド
Magnetic	電荷、速度、フィールド軸の距離に基づいて、オブジェクトを引き付けるか、または反発させるフィールド

共通のパラメーター

パラメーター	Scene Editor	機能
strength	◯	PhysicsField が適応範囲に与える力の数値
falloffExponent	◯	距離とともに strength の値がどのように減少するかを設定する数
minimumDistance	◯	距離に基づく効果の最小値
isActive	◯	PhysicsField 効果の有効/無効を設定する
isExclusive	◯	PhysicsField が重なっている他のフィールドを無視するかどうかを指定する。デフォルト値は false。true にするとこれに重なる Field は無視される
halfExtent	◯	PhysicsField の適応範囲を設定する。デフォルト値は無限遠になっているため、Scene Editor で設定を変更する場合は infinite のチェックを外す
scope	◯	適応範囲を指定している内側か外側かを決める。halfExtent がデフォルト値の場合は無限遠であるため変更しても変わらない
usesEllipsoidalExtent	◯	デフォルトでは適応範囲は立方体になっているが、こちらを true にすると球状に変更することができる
categoryBitMask	×	PhysicsField 用のカテゴリービットマスク。PhysicsBody と PhysicsField のビットマスクの AND 演算が 0 でなければ、PhysicsField を適応する

補足

halfExtent の設定

PhysicsField の中心である pivot から x, y, z 座標を指定するとそれに合わせた立方体が適応範囲となる。

PhysicsField を (x: 2.0, y:2.0, z:2.0) に配置した際、halfExtent を (x: 0.5, y:0.5, z:0.5) とした設定は、 x, y, z で 1.5 〜 2.5 が有効範囲となる。

Scene Editor での設定

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適応範囲を決めることでこのような効果を得られる。

f:id:x67x6fx74x6f:20170818163839g:plain

scope の outside

デフォルト値は内側の設定になっているので問題はないが、 outside にした場合、設定した適応範囲の外側すべてになるので注意。

フィールド効果の減衰

フィールド効果の減衰は pow(distance - minRadius, -falloff) で計算されている。

falloffExponent の数が 0 より大きい場合、フィールドの効果は近くの PhysicsBody が強くなる。デフォルトの falloffExponent の値は、フィールドタイプによって異なる。

Scene Editor にだけあるパラメーター

Display - Field Scale でデフォルト値 1。

ガイドで表示されているポリライン（例えば Vartex の場合は渦状）の長さや大きさを変化させる。
Strength の値を増やしても見た目は変わるが、シーンが大きくて見えなかったりする場合などで確認するためのもの。

フイールド別の個別で設定できるパラメーター

Drag Field

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