ARKit（二）概念&关系分析

注：此篇文章是ARKit（一）的拓展和深入
主要是拷贝别人的文档，勿喷！！！

一、是什么？

ARKit：ARKit是2017年6月6日，苹果发布iOS11系统所新增框架,它能够帮助我们以最简单快捷的方式实现AR技术功能。
SceneKit：基于3D场景(SceneKit)实现的增强现实，SceneKit是基于OpenGL构建的。
SpriteKit：基于2D场景(SpriktKit)实现的增强现实
Metal：iOS8中，支持GPU加速的3D绘图API。Metal和OpenGL ES类似，也是一个底层API，负责和3D绘图硬件交互。可惜的是，Metal不是跨平台的。

二、ARKit与SceneKit的关系

• ARKit并不是一个独立就能够运行的框架，而是必须要SceneKit一起用才可以，换一句话说，如果只有<ARKit>,而没有<SceneKit>，那么ARKit和一般的相机没有任何区别

• AR技术叫做虚拟增强现实，也就是在相机捕捉到的现实世界的图像中显示一个虚拟的3D模型。这一过程可以分为两个步骤：

  • 一：相机捕捉现实世界图像 -- 由ARKit来实现
  • 二：在图像中显示虚拟3D模型 -- 由SceneKit来实现

• 下图是一个<ARKit>与<SceneKit>框架关系图，可以得出：

  • 1.<ARKit>框架中中显示3D虚拟增强现实的视图ARSCNView继承于<SceneKit>框架中的SCNView,而SCNView又继承于<UIKit>框架中的UIView

    • UIView的作用是将视图显示在iOS设备的window中，SCNView的作用是显示一个3D场景，ARScnView的作用也是显示一个3D场景，只不过这个3D场景是由摄像头捕捉到的现实世界图像构成的

  • 2.ARSCNView只是一个视图容器，它的作用是管理一个ARSession,笔者称之为AR会话。

    • ARSession的作用及原理将在本篇下一小节介绍

  • 3.在一个完整的虚拟增强现实体验中，<ARKit>框架只负责将真实世界画面转变为一个3D场景，这一个转变的过程主要分为两个环节：由ARCamera负责捕捉摄像头画面，由ARSession负责搭建3D场景。

  • 4.在一个完整的虚拟增强现实体验中，将虚拟物体现实在3D场景中是由<SceneKit>框架来完成中：每一个虚拟的物体都是一个节点SCNNode,每一个节点构成了一个场景SCNScene,无数个场景构成了3D世界

  • 5.综上所述，ARKit捕捉3D现实世界使用的是自身的功能，这个功能是在iOS11新增的。而ARKit在3D现实场景中添加虚拟物体使用的是父类SCNView的功能，这个功能早在iOS8时就已经添加（SceneKit是iOS8新增）

    • 今后在介绍使用ARSCNView时将不再累述这一关系，可以简单的理解为：ARSCNView所有跟场景和虚拟物体相关的属性及方法都是自己父类SCNView的

整体关系图

三、ARKit工作原理

3.1、ARSCNView与ARSession

• 1.ARKit提供两种虚拟增强现实视图，他们分别是3D效果的ARSCNView（基于SceneKit）和2D效果的ARSKView（基于SpriteKit），无论是使用哪一个视图都是用了相机图像作为背景视图（这里可以参考iOS自定义相机中的预览图层），而这一个相机的图像就是由<ARKit>框架中的相机类ARCamera来捕捉的。

• 2.ARSCNView与ARCamera两者之间并没有直接的关系，它们之间是通过AR会话，也就是ARKit框架中非常重量级的一个类ARSession来搭建沟通桥梁的

  • 在iOS框架中，凡是带session或者context后缀的，这种类一般自己不干活，作用一般都是两个：
    • 1.管理其他类，帮助他们搭建沟通桥梁，好处就是解耦
    • 2.负责帮助我们管理复杂环境下的内存
    • context与session不同之处是：一般与硬件打交道，例如摄像头捕捉ARSession，网卡的调用NSURLSession等使用的都是session后缀。没有硬件参与，一般用context，如绘图上下文，自定义转场上下文等

• 3.要想运行一个ARSession会话，你必须要指定一个称之为会话追踪配置的对象:ARSessionConfiguration,ARSessionConfiguration的主要目的就是负责追踪相机在3D世界中的位置以及一些特征场景的捕捉（例如平面捕捉），这个类本身比较简单却作用巨大

  • ARSessionConfiguration是一个父类，为了更好的看到增强现实的效果，苹果官方建议我们使用它的子类ARWorldTrackingSessionConfiguration，该类只支持A9芯片之后的机型，也就是iPhone6s之后的机型

关系图

3.2、ARWorldTrackingSessionConfiguration与ARFrame

• 1.ARSession搭建沟通桥梁的参与者主要有两个ARWorldTrackingSessionConfiguration与ARFrame

• 2.ARWorldTrackingSessionConfiguration（会话追踪配置）的作用是跟踪设备的方向和位置,以及检测设备摄像头看到的现实世界的表面。它的内部实现了一系列非常庞大的算法计算以及调用了你的iPhone必要的传感器来检测手机的移动及旋转甚至是翻滚

  • 我们无需关心内部实现，ARKit框架帮助我们封装的非常完美，只需调用一两个属性即可

• 3.当ARWorldTrackingSessionConfiguration计算出相机在3D世界中的位置时，它本身并不持有这个位置数据，而是将其计算出的位置数据交给ARSession去管理（与前面说的session管理内存相呼应），而相机的位置数据对应的类就是ARFrame

  • ARSession类一个属性叫做currentFrame，维护的就是ARFrame这个对象

• 4.ARCamera只负责捕捉图像，不参与数据的处理。它属于3D场景中的一个环节，每一个3D Scene都会有一个Camera，它觉得了我们看物体的视野

• 它们三者之间的关系看起来如下图：

关系图

• ARCamera在3D世界的位置看起来是这样的

三维图

四、ARKit工作完整流程

ARKit框架工作流程可以参考下图:

• 1.ARSCNView加载场景SCNScene
• 2.SCNScene启动相机ARCamera开始捕捉场景
• 3.捕捉场景后ARSCNView开始将场景数据交给Session
• 4.Session通过管理ARSessionConfiguration实现场景的追踪并且返回一个ARFrame
• 5.给ARSCNView的scene添加一个子节点（3D物体模型）
  • ARSessionConfiguration捕捉相机3D位置的意义就在于能够在添加3D物体模型的时候计算出3D物体模型相对于相机的真实的矩阵位置
  • 在3D坐标系统中，有一个世界坐标系和一个本地坐标系。类似于UIView的Frame和Bounds的区别，这种坐标之间的转换可以说是ARKit中最难的部分

流程图

附带

1.Xcode版本：Xcode9及以上
2.iOS系统:iOS11及以上
3.iOS设备：处理器A9及以上（6S机型及以上）
4.MacOS系统：10.12.4及以上（安装Xcode9对Mac系统版本有要求）

参考文章：
1、ARKit从入门到精通（2）-ARKit工作原理及流程介绍