第 8 次大作业进展报告

liblaf4/18/25About 3 min

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.

当前操作实现机制

1. 输入事件处理

通过 ImGui 的键盘事件监听实现操作触发
使用 F/R/U/B/L/D 六个按键分别对应前、右、上、后、左、下面操作
按键触发后立即执行 rotate() 进行坐标变换

if (ImGui::IsKeyPressed(ImGuiKey_F)) {
    animator.action = 'f';
    animator.rotate();
} // 其他按键类似

2. 旋转轴确定

根据操作字符返回对应的三维旋转轴

glm::vec3 Animator::rotation_axis() {
    switch (action) {
        case 'f': return {0, 0, 1}; // 前后面绕Z轴
        case 'r': return {1, 0, 0}; // 右左面绕X轴
        case 'u': return {0, 1, 0}; // 上下面绕Y轴
        // ...其他情况类似
    }
}

3. 选择操作对象

根据操作面选择对应的魔方块组：

vector<Group*> select_groups(char action) {
    switch (action) {
        case 'f': // 前表面所有块
            for (x, y) 生成组名 "xy2"
        case 'r': // 右表面所有块
            for (y, z) 生成组名 "2yz"
        // 其他面类似
    }
}

4. 执行变换

直接应用旋转变换矩阵：

auto transform = glm::rotate(glm::half_pi<float>(),  axis); // 90度旋转
transform = transform * mesh->getTransform(); // 累加变换
mesh->setTransform(transform);

当前动画问题分析

问题描述

错误现象：旋转操作后再次操作时, 选择的方块组与实际可见位置不匹配

Bug 根本原因

静态分组策略：
- 初始化时通过 create_groups() 按初始坐标创建固定分组
```
// 初始分组策略（setup.cc）
glm::ivec3 grid = glm::floor((center - scene_bound_min) / cube_length);
```
- 分组信息在旋转后不会更新
变换矩阵叠加：
- 每次旋转直接修改网格的变换矩阵
```
transform = transform * mesh->getTransform(); // 变换矩阵累加
```
- 但分组仍基于初始坐标, 未考虑累积变换后的实际位置

具体错误示例

执行 F（前面顺时针旋转）后：
- 实际前面块已经旋转到新位置
- 但分组仍标记为原始 z=2 的块
再次执行 U（上面旋转）时：
- 选择 y=2 的原始上层块
- 但经过前次旋转后, 实际上层块可能已不在原始坐标位置

TODO

引入动画系统:

class RotationAnimation {
    float progress = 0.0f; // 0~1 进度
    glm::vec3 axis;
    vector<SurfaceMesh*> targets;

    void update(float dt) {
        progress += dt/speed;
        apply_partial_rotation();
    }
};

使用四元数插值:

glm::quat start_rot = current_rotation;
glm::quat end_rot = glm::angleAxis(glm::half_pi(),  axis);
glm::quat interp = glm::slerp(start_rot,  end_rot,  progress);

下一步计划

实现动态分组计算
添加动画插值系统
完善文档中的坐标变换说明

当前实现已基本完成操作响应机制, 但需要解决空间状态同步问题才能实现正确的连续操作. 动画系统的缺失也导致操作缺乏可视化连续性, 这是后续需要重点改进的方向.