28、增强现实应用开发：从平面检测到虚拟对象创建

增强现实应用开发：从平面检测到虚拟对象创建

在增强现实（AR）应用开发中，我们可以实现虚拟对象在特定位置显示，并对诸如滑动等手势做出响应。为了让 AR 应用更加灵活和实用，我们将深入学习平面检测、虚拟对象放置、图像修改以及虚拟对象创建等关键技术。

1. 水平平面检测

为了实现水平平面检测功能，我们需要创建一个新的增强现实应用项目，命名为 ARPlane。以下是具体的操作步骤：
1. 创建项目 ：创建 ARPlane 项目，项目会自动生成一个 art.scnassets 文件夹，其中包含 ship.scn 和 texture.png 文件，我们将使用 ship.scn 文件作为虚拟对象。
2. 配置平面检测 ：在 viewWillAppear 函数中添加平面检测配置代码，具体如下：

override func viewWillAppear(_ animated: Bool) {
    super.viewWillAppear(animated)
    // 创建会话配置
    let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
    // 开启水平平面检测
    configuration.planeDetection = .horizontal
    // 运行视图的会话
    sceneView.session.run(configuration)
}

3. 显示世界原点和特征点 ：在 viewDidLoad 函数中添加以下代码，用于显示世界原点和特征点：

sceneView.debugOptions = [ARSCNDebugOptions.showFeaturePoints, ARSCNDebugOptions.showWorldOrigin]

4. 添加点击手势 ：在 viewDidLoad 函数中添加点击手势，以便在检测到水平平面时，通过点击添加虚拟对象。代码如下：

let tapGesture = UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(handleTap))
sceneView.addGestureRecognizer(tapGesture)

5. 实现点击处理函数 ：在 ViewController.swift 文件中添加 handleTap 函数，用于处理点击手势。代码如下：

@objc func handleTap(sender: UITapGestureRecognizer) {
    let sceneView = sender.view as! ARSCNView
    let location = sender.location(in: sceneView)
    let hitTest = sceneView.hitTest(location, types: .estimatedHorizontalPlane)
    if !hitTest.isEmpty {
        addObject(hitTestResult: hitTest.first!)
    }
}

6. 实现添加对象函数 ：添加 addObject 函数，用于在点击位置添加虚拟对象。代码如下：

func addObject (hitTestResult: ARHitTestResult) {
    let scene = SCNScene(named: "art.scnassets/ship.scn")!
    let node = (scene.rootNode.childNode(withName: "ship", recursively: false))!
    let transform = hitTestResult.worldTransform.columns.3
    node.position = SCNVector3(transform.x, transform.y, transform.z)
    sceneView.scene.rootNode.addChildNode(node)
}

2. 修改虚拟图像

当运行 ARPlane 项目时， ship.scn 图像可能会显得过大，因此需要对其进行修改。具体操作步骤如下：
1. 打开图像文件 ：在导航面板中，打开 art.scnassets 文件夹，点击 ship.scn 文件。
2. 打开节点检查器 ：点击节点检查器图标或选择 View ➤ Utilities ➤ Show Node Inspector ，查看图像的位置、欧拉角和缩放比例。
3. 修改缩放比例 ：当前图像的缩放比例为 0.02，将 x、y 和 z 三个缩放选项都改为 0.005，以缩小图像尺寸。

3. 创建虚拟对象

接下来，我们将学习如何使用常见的几何形状创建简单的虚拟对象。创建一个新的增强现实应用项目，命名为 ARCreateShapes，具体操作步骤如下：
1. 创建项目并清理文件 ：创建 ARCreateShapes 项目，删除 art.scnassets 文件夹中的 ship.scn 和 texture.png 文件。
2. 创建新的 .scn 文件 ：点击 ARCreateShapes 文件夹，选择 File ➤ New ➤ File ，在模板窗口中选择 iOS 类别，滚动找到资源类别，点击 SceneKit Scene File 图标，命名为 MyShape 并创建。将新创建的 .scn 文件拖放到 art.scnassets 文件夹中。
3. 添加空节点 ：确保对象库窗口打开，点击对象库中的空节点图标，将其拖放到场景中。点击节点检查器图标，定义节点的名称、位置、欧拉坐标、缩放比例和不透明度。将节点命名为 House 。
4. 添加几何形状 ：在对象库中添加 Box 、 Pyramid 和 Plane 。将 Box 拖放到场景图视图面板中，使其缩进在 House 标题下。点击 Box 名称，使用材质检查器将其颜色改为 Turquoise ，并使用节点检查器将其位置的 x、y 和 z 坐标都设置为 0。
5. 调整金字塔位置和颜色 ：将 Pyramid 拖放到场景图视图面板中，使其缩进在 House 标题下。点击 Pyramid 名称，使用材质检查器将其颜色改为 Salmon ，并使用节点检查器将其位置的 x 和 z 坐标设置为 0，y 坐标设置为 0.5，使其位于 Box 上方。
6. 添加并调整平面 ：将 Plane 拖放到场景图视图面板中，使其缩进在 House 标题下。使用节点检查器将其位置的 x 坐标设置为 0，y 坐标设置为 -0.25，z 坐标设置为 0.52，使其位于 Box 前方。使用属性检查器将其宽度设置为 0.25，高度设置为 0.5。
7. 调整整体缩放比例 ：点击 House 节点，使用节点检查器将其缩放比例的 x、y 和 z 坐标都设置为 0.2，缩小整个房屋图像。
8. 修改代码 ：复制 ARPlane 项目的 ViewController.swift 文件中的所有函数，并修改 addObject 函数的前两行代码，使其加载 MyShape.scn 文件中的 House 节点：

func addObject (hitTestResult: ARHitTestResult) {
    let scene = SCNScene(named: "art.scnassets/MyShape.scn")!
    let node = (scene.rootNode.childNode(withName: "House", recursively: false))!
    let transform = hitTestResult.worldTransform.columns.3
    node.position = SCNVector3(transform.x, transform.y, transform.z)
    sceneView.scene.rootNode.addChildNode(node)
}

4. 总结

通过以上步骤，我们学习了如何在增强现实应用中实现水平平面检测、修改虚拟图像以及创建虚拟对象。具体来说，我们掌握了以下关键技术：
- 平面检测 ：通过配置 ARWorldTrackingConfiguration 的 planeDetection 属性，实现水平平面检测。
- 虚拟对象放置 ：使用点击手势和 hitTest 方法，在检测到的水平平面上放置虚拟对象。
- 图像修改 ：通过节点检查器修改虚拟图像的位置、旋转和缩放比例，以满足应用需求。
- 虚拟对象创建 ：使用常见的几何形状，如盒子、金字塔和平面，通过可视化方式创建复杂的虚拟对象。

在增强现实应用开发中，我们可以根据需求选择使用 Swift 代码或可视化方式设计虚拟对象。对于简单的形状，可视化设计更加直观和便捷；而对于复杂的、逼真的图像，可能需要使用 3D 图像编辑器。通过掌握这些技术，我们可以创建出更加丰富和有趣的增强现实应用。

操作流程总结

以下是整个开发过程的操作流程总结：

graph LR
    A[创建 ARPlane 项目] --> B[配置平面检测]
    B --> C[显示世界原点和特征点]
    C --> D[添加点击手势]
    D --> E[实现点击处理函数]
    E --> F[实现添加对象函数]
    F --> G[修改虚拟图像]
    G --> H[创建 ARCreateShapes 项目]
    H --> I[清理文件并创建新的 .scn 文件]
    I --> J[添加空节点并命名]
    J --> K[添加几何形状并调整属性]
    K --> L[修改代码以加载新的虚拟对象]

通过以上步骤，我们可以逐步实现一个功能丰富的增强现实应用，包括水平平面检测、虚拟对象放置、图像修改和虚拟对象创建等功能。希望这些内容对你的增强现实应用开发有所帮助！

增强现实应用开发：从平面检测到虚拟对象创建

4. 技术细节分析

在增强现实应用开发过程中，涉及到多个关键技术点，下面对这些技术点进行详细分析。

4.1 平面检测技术

平面检测是增强现实应用中的重要基础技术，它允许 iOS 设备识别现实世界中的水平平面，如桌面或地板。在代码实现中，我们通过 ARWorldTrackingConfiguration 的 planeDetection 属性来开启水平平面检测功能。

let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
configuration.planeDetection = .horizontal
sceneView.session.run(configuration)

当设备检测到水平平面时，会在屏幕上显示黄色的特征点，这是检测到平面的直观表现。通过这种方式，应用可以更好地与现实世界的平面进行交互，为后续放置虚拟对象提供基础。

4.2 手势交互技术

手势交互是增强现实应用中实现用户与虚拟对象互动的重要手段。在我们的开发中，使用了点击手势来触发在检测到的水平平面上添加虚拟对象的操作。具体实现步骤如下：
1. 创建手势识别器 ：使用 UITapGestureRecognizer 创建一个点击手势识别器，并指定处理函数。

let tapGesture = UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(handleTap))

2. 添加手势到视图 ：将创建的手势识别器添加到场景视图中。

sceneView.addGestureRecognizer(tapGesture)

3. 实现手势处理函数 ：在 handleTap 函数中，通过 hitTest 方法判断点击位置是否在水平平面上，如果是，则调用 addObject 函数添加虚拟对象。

@objc func handleTap(sender: UITapGestureRecognizer) {
    let sceneView = sender.view as! ARSCNView
    let location = sender.location(in: sceneView)
    let hitTest = sceneView.hitTest(location, types: .estimatedHorizontalPlane)
    if !hitTest.isEmpty {
        addObject(hitTestResult: hitTest.first!)
    }
}

4.3 虚拟对象管理技术

虚拟对象的管理包括加载、定位和显示等操作。在我们的开发中，使用 SCNScene 加载虚拟对象的场景文件，通过 SCNNode 来管理虚拟对象的位置和属性。

func addObject (hitTestResult: ARHitTestResult) {
    let scene = SCNScene(named: "art.scnassets/ship.scn")!
    let node = (scene.rootNode.childNode(withName: "ship", recursively: false))!
    let transform = hitTestResult.worldTransform.columns.3
    node.position = SCNVector3(transform.x, transform.y, transform.z)
    sceneView.scene.rootNode.addChildNode(node)
}

通过 hitTestResult.worldTransform 获取点击位置的坐标信息，将虚拟对象准确地放置在点击位置上。

5. 常见问题及解决方案

在开发过程中，可能会遇到一些常见问题，下面对这些问题进行总结并给出解决方案。

问题描述	解决方案
虚拟对象显示过大	打开节点检查器，修改虚拟对象的缩放比例，将 x、y 和 z 坐标的缩放值调整到合适大小。
无法检测到水平平面	确保设备支持 AR 功能，并且环境光照条件良好。同时，检查代码中是否正确开启了平面检测功能。
点击手势无响应	检查手势识别器是否正确添加到场景视图中，以及 handleTap 函数是否正确实现。

6. 未来展望

随着增强现实技术的不断发展，其应用场景也越来越广泛。在未来的开发中，我们可以进一步拓展增强现实应用的功能，例如：
- 增加更多的手势交互 ：除了点击手势，还可以实现滑动、旋转、缩放等多种手势交互，让用户与虚拟对象的互动更加丰富。
- 实现多人协作 ：支持多个用户在同一增强现实场景中进行协作，共同完成任务或互动。
- 结合其他技术 ：将增强现实技术与人工智能、物联网等技术相结合，创造出更加智能、便捷的应用体验。

总结

通过前面的学习和实践，我们深入了解了增强现实应用开发的多个关键环节，包括水平平面检测、虚拟对象放置、图像修改和虚拟对象创建等。这些技术的掌握为我们开发出更加丰富和有趣的增强现实应用奠定了基础。

在开发过程中，我们既可以使用 Swift 代码来实现各种功能，也可以通过可视化方式进行虚拟对象的设计。对于简单的形状，可视化设计更加直观和高效；而对于复杂的、逼真的图像，可能需要借助专业的 3D 图像编辑器。

同时，我们还分析了开发过程中的关键技术细节，总结了常见问题及解决方案，并对未来的发展进行了展望。希望这些内容能够帮助开发者更好地掌握增强现实应用开发技术，创造出更多优秀的应用作品。

知识要点回顾

为了方便大家回顾，下面列出了本文的主要知识要点：
1. 平面检测 ：通过 ARWorldTrackingConfiguration 的 planeDetection 属性开启水平平面检测。
2. 手势交互 ：使用 UITapGestureRecognizer 实现点击手势交互，通过 handleTap 函数处理点击事件。
3. 虚拟对象管理 ：使用 SCNScene 和 SCNNode 加载和管理虚拟对象，通过 hitTestResult.worldTransform 确定虚拟对象的位置。
4. 图像修改 ：通过节点检查器修改虚拟对象的位置、旋转和缩放比例。
5. 虚拟对象创建 ：使用常见的几何形状，如盒子、金字塔和平面，通过可视化方式创建复杂的虚拟对象。

通过不断学习和实践，相信大家能够在增强现实应用开发领域取得更好的成果！