ARKit OpenGL ES - ARKit原理篇

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本文所用的代码在https://github.com/SquarePants1991/OpenGLESLearn.git的ARKit分支中。

iOS11推出了新框架ARKit，通过ARKit和SceneKit可以很方便的制作AR App。苹果也提供了AR基本的应用框架，你可以直接从此开始你的AR App的开发。

不过本系列文章将使用OpenGL ES为ARKit提供渲染支持，接下来我们先去了解一下ARKit的理论相关知识。

AR基本概念

AR最基本的概念就是将虚拟的计算机图形和真实环境结合的技术。该技术有很多种实现方式。

• 使用2D或者3D图形装饰人脸，常见于一些相机和视频类App，主要使用人脸识别追踪技术。
• 基于标记的3D模型放置，比如基于AR的故事书，阴阳师的现世召唤。标记可以是简单的黑框包裹的标记，也可以是一张复杂图片的特征点训练数据。如果你感兴趣可以前往ARToolKit，这是一个开源的AR框架，主要用于基于标记的AR。最近出ARToolkit6 Beta了，不知道有没有新的功能开放。
• 追踪真实环境的特征点，计算真实摄像机在真实环境的位置。所谓特征点，就是图片中灰度变化比较剧烈的位置，所以想要更精准稳定的计算，就需要真实环境的颜色变化比较丰富。ARKit就是使用这种原理进行摄像机定位的。

世界追踪（WorldTracking）

通过追踪真实世界的特征点，计算真实摄像机位置并应用到3D世界的虚拟摄像机是AR实现中最重要的部分。计算结果的精确性直接影响到渲染出来的结果。ARKit使用ARSession来管理整个AR处理流程，包括摄像机位置的计算。

#pragma make - AR Control
- (void)setupAR {if (@available(iOS 11.0, *)) {self.arSession = [ARSession new];self.arSession.delegate = self;}
}- (void)runAR {if (@available(iOS 11.0, *)) {ARWorldTrackingSessionConfiguration *config = [ARWorldTrackingSessionConfiguration new];config.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;[self.arSession runWithConfiguration:config];}
}- (void)pauseAR {if (@available(iOS 11.0, *)) {[self.arSession pause];}
}

使用ARSession的方式很简单，初始化，设置delegate，开启ARSession需要传入一个配置ARWorldTrackingSessionConfiguration，ARWorldTrackingSessionConfiguration代表AR系统会追踪真实世界的特征点，计算摄像机位置。苹果以后也有可能会出ARMarkerTrackingSessionConfiguration之类用来识别追踪标记的配置吧。ARSession开启后会启动相机，并且会通过传感器感知手机位置。借用WWDC中的一张图。

ARSession综合相机捕获的视频流和位置信息生成一系列连续的ARFrame。

- (void)session:(ARSession *)session didUpdateFrame:(ARFrame *)frame {
...
}

每个ARFrame包含了从相机捕捉的图片，相机位置相关信息等。在这个方法里我们需要绘制相机捕捉的图片。根据相机位置等信息绘制3D物体等。

平面检测

ARKit提供了另一个很酷的功能，检测真实世界的平面，并提供一个ARPlaneAnchor对象描述平面的位置，大小，方向等信息。

- (void)runAR {if (@available(iOS 11.0, *)) {ARWorldTrackingSessionConfiguration *config = [ARWorldTrackingSessionConfiguration new];config.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;[self.arSession runWithConfiguration:config];}
}

上面的config.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;设置了检测平面的类型是水平。不过目前也就只有这一个选项可以选。如果ARKit检测到了平面，会通过delegate中的方法- (void)session:(ARSession *)session didAddAnchors:(NSArray<ARAnchor*>*)anchors提供数据给你。你可以判断ARAnchor是不是ARPlaneAnchor来判断是否检测到了平面。ARAnchor用来表示3D物体在真实环境的位置。你只要保持你的3D物体和ARAnchor的3D变换同步就能实现AR效果了。

Hit Test

Hit Test可以让你方便的在检测到的平面上放置物体。当你点击屏幕时，使用Hit Test可以检测出你点击的位置有哪些平面，并且提供ARAnchor用于设置放置物体的位置。

[frame hitTest:CGPointMake(0.5, 0.5) types:ARHitTestResultTypeExistingPlane];

使用ARFrame的hitTest方法，第一个传入的点取值范围从(0,0)到(1,1)，第二个参数代表可以检测哪些对象。可以检测到的对象如下。

• ARHitTestResultTypeFeaturePoint，根据距离最近的特征点检测出来的连续表面。
• ARHitTestResultTypeEstimatedHorizontalPlane，非精准方式计算出来与重力垂直的平面。
• ARHitTestResultTypeExistingPlane, 已经检测出来的平面，检测时忽略平面本身大小，把它看做一个无穷大的平面。
• ARHitTestResultTypeExistingPlaneUsingExtent, 已经检测出来的平面，检测时考虑平面本身的大小。
  检测成功则返回NSArray<ARHitTestResult *> *，ARHitTestResult中包含检测类型，相交点的距离，平面的ARAnchor。注意只有检测到ARHitTestResultTypeExistingPlane和ARHitTestResultTypeExistingPlaneUsingExtent才会有ARAnchor。这四个检测类型是可以通过|的方式同时存在的，比如ARHitTestResultTypeEstimatedHorizontalPlane | ARHitTestResultTypeExistingPlane。

光线强度调节

ARKit还提供了一个检测光照强度的功能，主要为了让3D模型的光照和环境的光照强度保持一致。在ARFrame中有一个lightEstimate的变量，如果检测光照强度成功，则会有值。值的类型为ARLightEstimate，其中只包含一个变量ambientIntensity。在3D光照模型中，它对应环境光，它的值从0 ~ 2000。使用OpenGL渲染时，可以使用这个值调整光照模型中的环境光强度。

ARKit的理论知识差不多到此结束了，下一篇将会介绍如何使用OpenGL ES渲染ARFrame里的内容。