实现三阶魔方的操作与动画

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问题

请编写带有图形界面的普通三阶魔方模拟程序.

要求:

• 实现平移、放大、缩小和自适应大小的魔方展示功能.
• 请自定义编码表示魔方的各种可能操作, 每种编码表示其中 1 种操作.
• 实现打开文本文件的功能, 该文本文件由一系列编码组成, 对应魔方操作.
• 实现魔方操作功能: 可以交互实现每个操作, 也可以通过动画自动播放魔方的系列操作.
• 在操作或转动魔方时, 必须以动画的形式展示, 从而方便看清如何操作或转动.
• 可以保存魔方操作, 保存结果是由一系列编码组成文本文件.
• 编写文档详细介绍模拟算法与图形界面等内容.

参考:

• 雍俊海. 清华教授的小课堂魔方真好玩. 北京: 清华大学出版社.

1. 构建系统与包管理

1.1 xmake & xrepo

工具定位:

• xmake: 新一代跨平台构建工具, 采用 Lua 语法编写构建规则
• xrepo: xmake 生态的跨平台包管理器

选择理由:

• 相比 CMake 更简洁的配置语法 (xmake.lua vs CMakeLists.txt)
• 内置依赖管理, 无需额外工具链
• 支持交叉编译和多种工具链
• 集成包管理功能, 降低依赖管理成本

典型配置:

add_requires("glm", "fmt", "imgui v1.89")  -- 声明依赖
target("RubikCube")
    set_kind("binary")
    add_packages("glm", "fmt", "imgui")     -- 链接依赖
    add_files("src/*.cpp")                  -- 添加源文件

1.2 ccache

作用机制:

• 通过缓存编译中间结果, 加速重复编译过程
• 采用哈希校验机制保证缓存一致性
  集成方式:

xmake f --ccache=enable  # 启用缓存
xmake build -j8          # 并行编译

2. 代码质量保障体系

2.1 代码格式化

工具链配置:

# .clang-format
BasedOnStyle: Google
IndentWidth: 2
ColumnLimit: 120

2.2 Sanitizers

检测类型	检测范围
AddressSanitizer	内存越界, 使用释放内存
UndefinedBehavior	未定义行为 (除零, 空指针等)
LeakSanitizer	内存泄漏

2.3 静态分析

工具	检测能力
clang-tidy	代码质量分析
iwyu	头文件包含优化
cppcheck	代码质量分析

3. 核心功能库选型

3.1 3D 渲染引擎 - Polyscope

核心特性:

• 基于 OpenGL 的轻量级可视化框架
• 内置相机控制系统 (旋转/平移/缩放)
• 支持实时表面网格渲染
• 提供即时模式 GUI 集成

魔方应用:

// 创建立方体单元
polyscope::SurfaceMesh* add_cube(std::string name, glm::vec3 center) {
    std::vector<glm::vec3> vertices = {...};
    std::vector<std::vector<size_t>> faces = {...};
    return polyscope::registerSurfaceMesh(name, vertices, faces);
}

3.2 数学库 - GLM

功能矩阵:

• 提供仿射变换矩阵运算: glm::rotate(), glm::translate()
• 支持四元数旋转插值: glm::slerp()
• 类型安全向量运算: glm::vec3, glm::mat4

动画实现:

// 立方体旋转插值
glm::mat4 interpolateRotation(float t) {
    glm::quat start = ...;
    glm::quat end = ...;
    return glm::mat4_cast(glm::slerp(start, end, t));
}

3.3 用户界面 - ImGui

本程序采用纯键盘交互模式, 通过 ImGui 输入系统实现以下核心交互逻辑:

3.3.1. 操作映射表

物理按键	魔方操作语义	动画参数
F	前面顺时针 90 度	axis: +Z, angle: 90°
Shift+F	前面逆时针 90 度	axis: +Z, angle:-90°
R	右面顺时针 90 度	axis: +X, angle: 90°
Shift+R	右面逆时针 90 度	axis: +X, angle:-90°
U/D/L/B	类似映射（各面轴系不同）	…

3.3.2. 输入处理核心逻辑

void processInput() {
    ImGuiIO& io = ImGui::GetIO();

    auto checkRotation = [&](ImGuiKey key, Face face) {
        if (io.KeysDown[key] && !io.WantCaptureKeyboard) {
            const bool reverse = io.KeyShift;
            executeRotation(face, reverse);
            io.KeysDown[key] = false; // 防止重复触发
        }
    };

    checkRotation(ImGuiKey_F, FRONT);
    checkRotation(ImGuiKey_B, BACK);
    checkRotation(ImGuiKey_U, UP);
    checkRotation(ImGuiKey_D, DOWN);
    checkRotation(ImGuiKey_L, LEFT);
    checkRotation(ImGuiKey_R, RIGHT);
}

3.3.3. 防冲突机制

1. WantCaptureKeyboard 检测: 仅在 ImGui 无焦点时响应魔方操作
2. 去抖动处理: 操作执行后立即清除键位状态
3. 动画锁: 旋转动画执行期间禁用新输入

3.4 辅助工具库

库名称	功能定位
spdlog	日志记录
fmt	类型安全字符串格式化
dbg-macro	调试信息输出

5. 文档生成

5.1 Doxygen 配置

# Doxyfile
PROJECT_NAME           = "Rubik's Cube"
INPUT                  = src/ include/
RECURSIVE              = YES
EXTRACT_ALL            = YES
GENERATE_LATEX         = NO
USE_MDFILE_AS_MAINPAGE = README.md

文档生成命令:

doxygen Doxyfile

6. 项目目录结构

rubiks-cube/
├── src/             # 源代码
├── tests/           # 单元测试
├── scripts/         # 构建脚本
├── docs/            # 文档
├── xmake.lua        # 构建配置
└── .github/         # CI/CD配置

本环境配置通过严格的工具链集成, 实现了从代码编写, 质量验证到可视化呈现的全流程支持, 为魔方模拟程序的开发提供了可靠的技术保障. 各组件间通过 xmake 构建系统深度整合, 确保跨平台开发体验的一致性.