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ARKit API介绍

ARKit API介绍

作者: CoderLWG | 来源:发表于2017-10-26 16:26 被阅读312次

    1.<ARKit>框架中所有的API介绍

    1.1-ARKit框架简介
    1.2-ARAnchor
    1.3-ARCamera
    1.4-ARError
    1.5-ARFrame
    1.6-ARHitTestResult
    1.7-ARLightEstimate
    1.8-ARPlaneAnchor
    1.9-ARPointCloud
    1.10-ARSCNView
    1.11-ARSession
    1.12-ARSessionConfiguration
    1.13-ARSKView

    1. 1ARKit框架简介

    1.2-ARAnchor

    • ARAnchor表示一个物体在3D空间的位置和方向（ARAnchor通常称为物体的3D锚点，有点像UIKit框架中CALayer的Anchor）
      • ARFrame表示的也是物体的位置和方向，但是ARFrame通常表示的是AR相机的位置和方向以及追踪相机的时间，还可以捕捉相机的帧图片,也就是说ARFrame用于捕捉相机的移动，其他虚拟物体用ARAnchor
    @interface ARAnchor : NSObject <NSCopying>

/**
 标识符
 */
@property (nonatomic, readonly) NSUUID *identifier;

/**
 锚点的旋转变换矩阵，定义了锚点的旋转、位置、缩放。是一个4x4的矩阵（读者可以自行科普什么叫4x4矩阵）
 */
@property (nonatomic, readonly) matrix_float4x4 transform;

/**
 构造方法,一般我们无需构造。因为添加一个3D物体时ARKit会有代理告知我们物体的锚点
 */
- (instancetype)initWithTransform:(matrix_float4x4)transform;

@end

    1.3-ARCamera

    • ARCamera是一个相机，它是连接虚拟场景与现实场景之间的枢纽。在ARKit中，它是捕捉现实图像的相机，在SceneKit中它又是3D虚拟世界中的相机。
      • 一般我们无需去创建一个相机，因为当我们初始化一个AR视图时，会为我们默认创建一个相机，而且这个相机就是摄像头的位置，同时也是3D世界中的原点所在（x=0,y=0,z=0）
      • ARCamera的API一般我们无需关心，因为ARKit会默认帮助我们配置好
    @interface ARCamera : NSObject <NSCopying>

/**
 4x4矩阵表示相机位置，同ARAnchor
 */
@property (nonatomic, readonly) matrix_float4x4 transform;

/**
相机方向（旋转）的矢量欧拉角
分别是x/y/z
 */
@property (nonatomic, readonly) vector_float3 eulerAngles;

/**
 相机追踪状态（在下方会有枚举值介绍）
 */
@property (nonatomic, readonly) ARTrackingState trackingState NS_REFINED_FOR_SWIFT;

/**
追踪运动类型
 */
@property (nonatomic, readonly) ARTrackingStateReason trackingStateReason NS_REFINED_FOR_SWIFT;

/**
相机内置函数
3x3矩阵
 fx 0   px
 0  fy  py
 0  0   1
 fx和fy是像素焦距
 px和py是主像素点坐标
 原点位于左上像素的中心
 */
@property (nonatomic, readonly) matrix_float3x3 intrinsics;

/**
摄像头分辨率
 */
@property (nonatomic, readonly) CGSize imageResolution;

/**
投影矩阵
*/
@property (nonatomic, readonly) matrix_float4x4 projectionMatrix;

/**
返回一个二维坐标点
*/
- (CGPoint)projectPoint:(vector_float3)point orientation:(UIInterfaceOrientation)orientation viewportSize:(CGSize)viewportSize;

/**
创建相机投影矩阵
 */
- (matrix_float4x4)projectionMatrixWithViewportSize:(CGSize)viewportSize orientation:(UIInterfaceOrientation)orientation zNear:(CGFloat)zNear zFar:(CGFloat)zFar;

@end

//相机追踪状态枚举
typedef NS_ENUM(NSInteger, ARTrackingState) {

    /** 不被允许 */
    ARTrackingStateNotAvailable,

    /** 受限状态 */
    ARTrackingStateLimited,

    /** 正常. */
    ARTrackingStateNormal,
} NS_REFINED_FOR_SWIFT;

/**
 描述相机追踪状态有限的原因
 */
typedef NS_ENUM(NSInteger, ARTrackingStateReason) {
    /** 无. */
    ARTrackingStateReasonNone,
    
    /** 正在初始化，导致跟踪受限 */
    ARTrackingStateReasonInitializing,

    /** 运动过度. */
    ARTrackingStateReasonExcessiveMotion,

    /** 缺少可见的特征. */
    ARTrackingStateReasonInsufficientFeatures,
} NS_REFINED_FOR_SWIFT;

    1.4-ARError

    • ARError是一个描述ARKit错误的类，这个错误来源于几个方面，例如设备不支持，或者当相机常驻后台时ARSession会断开等问题
    //作用域，一般会表示是哪一个类出现问题
NSString *const ARErrorDomain;

//错误码描述  100：不支持会话追踪配置，主线由于A9芯片以下的机型会报错   101：失活状态 102：传感器故障  200：追踪失败
typedef NS_ERROR_ENUM(ARErrorDomain, ARErrorCode) {
    /** Unsupported session configuration. */
    ARErrorCodeUnsupportedConfiguration   = 100,

    /** A sensor required to run the session is not available. */
    ARErrorCodeSensorUnavailable          = 101,

    /** A sensor failed to provide the required input. */
    ARErrorCodeSensorFailed               = 102,

    /** World tracking has encountered a fatal error. */
    ARErrorCodeWorldTrackingFailed        = 200,
};

    1.5-ARFrame

    • ARFrame主要是追踪相机当前的状态，这个状态不仅仅只是位置，还有图像帧及时间等参数
    @interface ARFrame : NSObject <NSCopying>

/**
时间戳.
 */
@property (nonatomic, readonly) NSTimeInterval timestamp;

/**
 缓冲区图像帧
 */
@property (nonatomic, readonly) CVPixelBufferRef capturedImage;

/**
相机（表示这个ARFrame是哪一个相机的，iPhone7plus有两个摄像机）
 */
@property (nonatomic, copy, readonly) ARCamera *camera;

/**
 返回当前相机捕捉到的锚点数据（当一个3D虚拟模型加入到ARKit中时，锚点值得就是这个模型在AR中的位置）
 */
@property (nonatomic, copy, readonly) NSArray<ARAnchor *> *anchors;

/**
灯光，详情可见本章节ARLightEstimate类介绍（指的是灯光强度 一般是0-2000，系统默认1000）
 */
@property (nonatomic, copy, nullable, readonly) ARLightEstimate *lightEstimate;

/**
特征点（应该是捕捉平地或者人脸的，比较苹果有自带的人脸识别功能）
 */
@property (nonatomic, nullable, readonly) ARPointCloud *rawFeaturePoints;

/**
根据2D坐标点搜索3D模型，这个方法通常用于，当我们在手机屏幕点击某一个点的时候，可以捕捉到这一个点所在的3D模型的位置，至于为什么是一个数组非常好理解。手机屏幕一个是长方形，这是一个二维空间。而相机捕捉到的是一个由这个二维空间射出去的长方体，我们点击屏幕一个点可以理解为在这个长方体的边缘射出一条线，这一条线上可能会有多个3D物体模型
point：2D坐标点（手机屏幕某一点）
ARHitTestResultType：捕捉类型  点还是面
(NSArray<ARHitTestResult *> *)：追踪结果数组  详情见本章节ARHitTestResult类介绍

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

/**
相机窗口的的坐标变换（可用于相机横竖屏的旋转适配）
 */
- (CGAffineTransform)displayTransformWithViewportSize:(CGSize)viewportSize orientation:(UIInterfaceOrientation)orientation;

@end

    1.6-ARHitTestResult

    • ARHitTestResult：点击回调结果，这个类主要用于虚拟增强现实技术（AR技术）中现实世界与3D场景中虚拟物体的交互。 比如我们在相机中移动。拖拽3D虚拟物体，都可以通过这个类来获取ARKit所捕捉的结果
    //捕捉类型枚举
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, ARHitTestResultType) {
    /** 点. */
    ARHitTestResultTypeFeaturePoint              = (1 << 0),

    /** 水平面 y为0. */
    ARHitTestResultTypeEstimatedHorizontalPlane  = (1 << 1),

    /** 已结存在的平面. */
    ARHitTestResultTypeExistingPlane             = (1 << 3),

    /** 已结存在的锚点和平面. */
    ARHitTestResultTypeExistingPlaneUsingExtent  = (1 << 4),
} NS_SWIFT_NAME(ARHitTestResult.ResultType);

/**
捕捉类型
 */
@property (nonatomic, readonly) ARHitTestResultType type;

/**
 3D虚拟物体与相机的距离（单位：米）
 */
@property (nonatomic, readonly) CGFloat distance;

/**
本地坐标矩阵（世界坐标指的是相机为场景原点的坐标，而每一个3D物体自身有一个场景，本地坐标就是相对于这个场景的坐标）类似于frame和bounds的区别
 */
@property (nonatomic, readonly) matrix_float4x4 localTransform;

/**
世界坐标矩阵
 */
@property (nonatomic, readonly) matrix_float4x4 worldTransform;

/**
 锚点（3D虚拟物体，在虚拟世界有一个位置，这个位置参数是SceneKit中的SCNVector3：三维矢量），而锚点anchor是这个物体在AR现实场景中的位置，是一个4x4的矩阵
 */
@property (nonatomic, strong, nullable, readonly) ARAnchor *anchor;

    <h2 id = '7'>1.7-ARLightEstimate</h2>

    • ARLightEstimate是一个灯光效果，它可以让你的AR场景看起来更加的好
    @interface ARLightEstimate : NSObject <NSCopying>

/**
灯光强度  范围0-2000 默认1000
 */
@property (nonatomic, readonly) CGFloat ambientIntensity;

@end

    1.8-ARPlaneAnchor

    • ARPlaneAnchor是ARAnchor的子类，笔者称之为平地锚点。ARKit能够自动识别平地，并且会默认添加一个锚点到场景中，当然要想看到真实世界中的平地效果，需要我们自己使用SCNNode来渲染这个锚点
      • 锚点只是一个位置
    /**
平地类型，目前只有一个，就是水平面
 */
@property (nonatomic, readonly) ARPlaneAnchorAlignment alignment;

/**
3轴矢量结构体，表示平地的中心点  x/y/z
 */
@property (nonatomic, readonly) vector_float3 center;

/**
3轴矢量结构体，表示平地的大小（宽度和高度）  x/y/z
 */
@property (nonatomic, readonly) vector_float3 extent;

@end

    1.9-ARPointCloud

    • ARPointCloud：点状渲染云，主要用于渲染场景
    @interface ARPointCloud : NSObject <NSCopying>

/**
 点的数量
 */
@property (nonatomic, readonly) NSUInteger count;

/**
每一个点的位置的集合（结构体带*表示的是结构体数组）
 */
@property (nonatomic, readonly) const vector_float3 *points;

@end

    1.10-ARSCNView

    • ARKit支持3D的AR场景和2D的AR场景，ARSCNView是3D的AR场景视图
      • 该类非常重要，且API较多
      • 该类是整个ARKit框架中唯一两个有代理的类其中之一
    @interface ARSCNView : SCNView

/**
代理
 */
@property (nonatomic, weak, nullable) id<ARSCNViewDelegate> delegate;

/**
AR会话
 */
@property (nonatomic, strong) ARSession *session;

/**
场景
 */
@property(nonatomic, strong) SCNScene *scene;

/**
是否自动适应灯光
 */
@property(nonatomic) BOOL automaticallyUpdatesLighting;

/**
返回对应节点的锚点，节点是一个3D虚拟物体，它的坐标是虚拟场景中的坐标，而锚点ARAnchor是ARKit中现实世界的坐标。
 */
- (nullable ARAnchor *)anchorForNode:(SCNNode *)node;

/**
返回对应锚点的物体
 */
- (nullable SCNNode *)nodeForAnchor:(ARAnchor *)anchor;

/**
根据2D坐标点搜索3D模型，这个方法通常用于，当我们在手机屏幕点击某一个点的时候，可以捕捉到这一个点所在的3D模型的位置，至于为什么是一个数组非常好理解。手机屏幕一个是长方形，这是一个二维空间。而相机捕捉到的是一个由这个二维空间射出去的长方体，我们点击屏幕一个点可以理解为在这个长方体的边缘射出一条线，这一条线上可能会有多个3D物体模型
point：2D坐标点（手机屏幕某一点）
ARHitTestResultType：捕捉类型  点还是面
(NSArray<ARHitTestResult *> *)：追踪结果数组  详情见本章节ARHitTestResult类介绍
数组的结果排序是由近到远
 */
- (NSArray<ARHitTestResult *> *)hitTest:(CGPoint)point types:(ARHitTestResultType)types;

@end

//代理
#pragma mark - ARSCNViewDelegate


//代理的内部实现了SCNSceneRendererDelegate：scenekit代理 和ARSessionObserver：ARSession监听（KVO机制）
@protocol ARSCNViewDelegate <SCNSceneRendererDelegate, ARSessionObserver>
@optional

/**
自定义节点的锚点
 */
- (nullable SCNNode *)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer nodeForAnchor:(ARAnchor *)anchor;

/**
当添加节点是会调用，我们可以通过这个代理方法得知我们添加一个虚拟物体到AR场景下的锚点（AR现实世界中的坐标）
 */
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor;

/**
将要刷新节点
 */
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer willUpdateNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor;

/**
 已经刷新节点
 */
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didUpdateNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor;

/**
 移除节点
 */
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didRemoveNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor;

@end

    <font color=red>
    <h2 id = '11'>1.11-ARSession</h2>
    </font>

    • ARSession是一个连接底层与AR视图之间的桥梁，其实ARSCNView内部所有的代理方法都是由ARSession来提供的

    • ARSession与ARScnView之间的关系看起来是这样的:


    • ARSession获取相机位置数据主要有两种方式

      • 第一种：push。 实时不断的获取相机位置，由ARSession主动告知用户。通过实现ARSession的代理
        -(void)session:(ARSession *)session didUpdateFrame:(ARFrame *)frame来获取
      • 第二种：pull。 用户想要时，主动去获取。ARSession的属性currentFrame来获取

    • API介绍

    @interface ARSession : NSObject

/**
 代理
 */
@property (nonatomic, weak) id <ARSessionDelegate> delegate;

/**
指定代理执行的线程（主线程不会有延迟，子线程会有延迟），不指定的话默认主线程
 */
@property (nonatomic, strong, nullable) dispatch_queue_t delegateQueue;

/**
相机当前的位置（是由会话追踪配置计算出来的）
 */
@property (nonatomic, copy, nullable, readonly) ARFrame *currentFrame;

/**
 会话追踪配置
 */
@property (nonatomic, copy, nullable, readonly) ARConfiguration *configuration;

/**
运行会话（这行代码就是开启AR的关键所在）
 */
- (void)runWithConfiguration:(ARConfiguration *)configuration NS_SWIFT_UNAVAILABLE("Use run(_:options:)");

/**
运行会话，只是多了一个参数ARSessionRunOptions：作用就是会话断开重连时的行为。是一个枚举值如下：  
ARSessionRunOptionResetTracking：表示重置追踪
ARSessionRunOptionRemoveExistingAnchors：移除现有锚点
 */
- (void)runWithConfiguration:(ARSessionConfiguration *)configuration options:(ARSessionRunOptions)options NS_SWIFT_NAME(run(_:options:));

/**
暂停会话
 */
- (void)pause;

/**
添加锚点
 */
- (void)addAnchor:(ARAnchor *)anchor NS_SWIFT_NAME(add(anchor:));

/**
移除锚点
 */
- (void)removeAnchor:(ARAnchor *)anchor NS_SWIFT_NAME(remove(anchor:));

@end

//session代理分类两部分，一个是观察者（KVO） 一个是委托者（代理）
#pragma mark - ARSessionObserver


//session KVO观察者
@protocol ARSessionObserver <NSObject>

@optional

/**
 session失败
 */
- (void)session:(ARSession *)session didFailWithError:(NSError *)error;

/**
相机改变追踪状态
 */
- (void)session:(ARSession *)session cameraDidChangeTrackingState:(ARCamera *)camera;

/**
 session意外断开（如果开启ARSession之后，APP退到后台就有可能导致会话断开）
 */
- (void)sessionWasInterrupted:(ARSession *)session;

/**
session会话断开恢复（短时间退到后台再进入APP会自动恢复）
 */
- (void)sessionInterruptionEnded:(ARSession *)session;

@end

#pragma mark - ARSessionDelegate



@protocol ARSessionDelegate <ARSessionObserver>

@optional

/**
 相机当前状态（ARFrame：空间位置，图像帧等）更新
 */
- (void)session:(ARSession *)session didUpdateFrame:(ARFrame *)frame;

/**
添加锚点
 */
- (void)session:(ARSession *)session didAddAnchors:(NSArray<ARAnchor*>*)anchors;

/**
刷新锚点
 */
- (void)session:(ARSession *)session didUpdateAnchors:(NSArray<ARAnchor*>*)anchors;

/**
移除锚点
 */
- (void)session:(ARSession *)session didRemoveAnchors:(NSArray<ARAnchor*>*)anchors;

@end

    1.12-ARConfiguration

    • 注意：该类还有一个子类：ARWorldTrackingConfiguration，它们在同一个API文件中
    //会话追踪配置类
@interface ARConfiguration : NSObject <NSCopying>

/**
当前设备是否支持，一般A9芯片以下设备不支持
 */
@property(class, nonatomic, readonly) BOOL isSupported;

/**
会话的对齐方式，这里的对齐指的是3D世界的坐标。枚举值见下方
默认值ARWorldAlignmentGravity
 */
@property (nonatomic, readwrite) ARWorldAlignment worldAlignment;

/**
是否需要自适应灯光效果，默认是YES
 */
@property (nonatomic, readwrite, getter=isLightEstimationEnabled) BOOL lightEstimationEnabled;

/**
是否需要提供音频，默认是NO
 */
@property (nonatomic, readwrite) BOOL providesAudioData;

@end


//世界会话追踪配置，苹果建议我们使用这个类，这个子类只有一个属性，也就是可以帮助我们追踪相机捕捉到的平地
@interface ARWorldTrackingSessionConfiguration : ARSessionConfiguration

/**
侦查类型。枚举值见下方（默认侦查平地）
 */
@property (nonatomic, readwrite) ARPlaneDetection planeDetection;

@end

    //追踪对其方式，这个决定了会话的参考坐标系（参照物）

    typedef NS_ENUM(NSInteger, ARWorldAlignment) {
    /** Aligns the world with gravity that is defined by vector (0, -1, 0). */
    ARWorldAlignmentGravity,
    
    /** Aligns the world with gravity that is defined by the vector (0, -1, 0)
     and heading (w.r.t. True North) that is given by the vector (0, 0, -1). */
    ARWorldAlignmentGravityAndHeading,
    
    /** Aligns the world with the camera’s orientation. */
    ARWorldAlignmentCamera
};

typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, ARPlaneDetection) {
    /** No plane detection is run. */
    ARPlaneDetectionNone        = 0,
    
    /** Plane detection determines horizontal planes in the scene. */
    ARPlaneDetectionHorizontal  = (1 << 0),
};

    1.13-ARSKView

    • ARSKView也是AR视图，只不过他是2D的，由于2D比3D简单很多，并且ARSKView基本与ARSCNView类似，所以这里不做重复介绍。详细内容可参考ARSCNView

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