如何在rgl窗口中实现3D树状图与单个球体的独立交互式旋转？

背景 #

此前我在Stack Overflow上提问「如何在R的rgl窗口中绘制3D极坐标树状图」，user2554330的回答已解决基础绘制需求。现在我在树状图尖端添加了3D球体，但默认旋转场景时所有物体（树状图+所有球体）会一同转动，想要实现单个球体独立旋转的效果——比如旋转粉色球体时，树状图和其他三个球体保持静止。

现有代码 #

1. 构建树状图

a <- list()  # 初始化空对象
# 定义合并规则：
#    负数代表叶节点，
#    正数代表合并后的聚类（对应$merge中的行号）
a$merge <- matrix(c(-1, -2,
                    -3, -4,
                    1,  2), nc=2, byrow=TRUE ) 
a$height <- c(1, 1.5, 3)    # 定义合并高度
a$order <- 1:4              # 叶节点顺序（手动输入时可忽略）
a$labels <- LETTERS[1:4]    # 叶节点标签
class(a) <- "hclust"        # 转为hclust对象
plot(a)                     # 绘制平面树状图

# 转为dendrogram对象
ad <- as.dendrogram(a)

# 获取线段信息
library(ggdendro)
dend_data <- dendro_data(ad, type = "rectangle")

2. 绘制3D极坐标树状图（来自user2554330的代码）

nodes <- dend_data$segments

# 设置树末端间隙
gap <- 0
# 设置中心偏移量
offset <- 0

radius <- with(nodes, max(c(y, yend)) + offset)
circ <- with(nodes, max(c(x, xend)) + gap)

# 转换为极坐标
nodes$theta <- with(nodes, 2*pi*x/circ)
nodes$thetaend <- with(nodes, 2*pi*xend/circ)
nodes$r     <- with(nodes, (radius - y)/radius)
nodes$rend  <- with(nodes, (radius - yend)/radius)

# 提取水平和垂直线段
horiz <- subset(nodes, y == yend)
vert <- subset(nodes, x == xend)

library(rgl)

open3d()
#> glX 
#>   1

# 绘制垂直线段
x     <- with(vert, as.numeric(rbind(r*cos(theta), rend*cos(theta))))
y     <- with(vert, as.numeric(rbind(r*sin(theta), rend*sin(theta))))
segments3d(x, y, z = 0)

# 绘制水平线段（转为圆弧，剔除半径为0的情况）
horiz <- subset(horiz, r > 0)
with(horiz, arc3d(from = cbind(r*cos(theta), r*sin(theta), 0),
                  to = cbind(r*cos(thetaend), r*sin(thetaend), 0),
                  center = c(0, 0, 0)))

# 绘制标签
labels <- dend_data$labels
labels$theta <- with(labels, 2*pi*x/circ)
# 稍微偏移避免和线段重叠
labels$r     <- with(labels, (radius - y)/radius + 0.1)
with(labels, text3d(r*cos(theta), r*sin(theta), 0, label))

3. 添加尖端球体的代码

with(labels, spheres3d(r*cos(theta), r*sin(theta), 0, radius = 0.1, color = c("lightblue", "pink", "lightyellow", "lightgrey")))

解决方案：利用rgl子场景实现独立旋转 #

rgl默认将所有物体放在同一个主场景中，旋转时会同步变动。要实现单个物体独立旋转，需要使用**子场景（subscene）**功能，将需要单独控制的物体放在独立子场景中，主场景放置树状图和其他不需要单独旋转的物体。

修改后的代码示例

# 先在主场景绘制树状图、标签，以及除粉色球外的其他球体
open3d()
# 绘制树状图线段和圆弧（复用之前的代码）
segments3d(x, y, z = 0)
with(horiz, arc3d(from = cbind(r*cos(theta), r*sin(theta), 0),
                  to = cbind(r*cos(thetaend), r*sin(thetaend), 0),
                  center = c(0, 0, 0)))
# 绘制标签
with(labels, text3d(r*cos(theta), r*sin(theta), 0, label))
# 绘制非粉色球体
sphere_coords <- with(labels, cbind(r*cos(theta), r*sin(theta), 0))
# 索引1、3、4对应lightblue、lightyellow、lightgrey
spheres3d(sphere_coords[c(1,3,4), ], radius = 0.1, color = c("lightblue", "lightyellow", "lightgrey"))

# 为粉色球体创建独立子场景
pink_subscene <- subscene3d(parent = currentSubscene3d())
# 切换到子场景绘制粉色球体
useSubscene3d(pink_subscene)
spheres3d(sphere_coords[2, ], radius = 0.1, color = "pink")
# 切回主场景
useSubscene3d(currentSubscene3d())

# 设置子场景的交互控制：仅允许旋转子场景内的物体
# 禁用主场景对粉色子场景的联动旋转
par3d(subscene = pink_subscene, mouseMode = c("rotate", "zoom", "fov", "none"))
# 主场景保持默认交互
par3d(subscene = currentSubscene3d(), mouseMode = c("rotate", "zoom", "fov", "none"))

操作说明

• 点击粉色球体所在区域时，旋转操作只会影响粉色球体；点击树状图或其他球体区域时，旋转操作会影响主场景中的所有物体（树+非粉色球）。
• 如果需要多个球体都能独立旋转，可为每个球体创建单独的子场景，重复上述子场景创建和绘制步骤即可。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Patrick