增强现实系列—深入探索ARKit：平面检测、三维模型放置与增强现实交互

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文章目录

[1. 背景介绍](#1. 背景介绍)
[2. ARKit平面检测技术详解](#2. ARKit平面检测技术详解)
[3. 三维模型放置](#3. 三维模型放置)
[4. 增强现实交互](#4. 增强现实交互)
[5. 应用场景与代码示例](#5. 应用场景与代码示例)
[6. 结语](#6. 结语)

1. 背景介绍

ARKit是由苹果公司推出的一项创新技术，自2017年首次亮相以来，它便不断推动移动设备上的增强现实体验向前发展。作为一个集成了高级计算机视觉、图形处理和传感器数据的框架，ARKit不仅为开发者提供了丰富的API，还通过不断的更新迭代，引入了更多创新功能，如面部追踪、环境理解以及与真实世界无缝融合的虚拟对象。本文所涉及到的应用代码已打包上传至AR开发基础 + ARKit + 平面检测与视觉效果 + 开发初学者教育与引导。

技术演进带来的创新机遇

平面检测是ARKit中用于识别和追踪水平或垂直表面的关键技术。通过视觉惯性里程计（VIO）技术，ARKit能够分析摄像头捕获的图像序列中的特征点，并结合设备的运动传感器数据，实现对设备位置和姿态的精确估计。当启用平面检测功能时，ARKit会在构建的网格中考虑这些信息，并在检测到平面时对网格进行平滑处理，以提供更准确的平面信息。

随着ARKit的不断演进，它已经从最初的基础平面检测和简单的虚拟物体叠加，发展到现在能够实现更为复杂和精准的3D场景理解。这些技术进步为开发者带来了新的机遇，使他们能够在教育、游戏、零售、室内设计等多个领域中，探索更多创新的AR应用场景。

平面检测技术的原理与应用

平面检测是ARKit中的一个关键功能，它允许系统在用户所处的环境中识别出水平或垂直的表面。这项技术基于先进的计算机视觉算法，通过分析摄像头捕获的图像序列，识别出场景中的特征点，并结合设备的传感器数据，实现对这些平面的精确追踪和尺寸估计。平面检测不仅为虚拟物体提供了一个稳定且直观的放置位置，还为用户与这些虚拟对象之间的交互提供了基础。

三维模型放置的实现机制

在ARKit中，三维模型放置是一个将虚拟内容与现实世界相结合的创造性过程。开发者可以利用ARKit提供的工具和API，如SCNScene和SCNNode，来创建和控制3D模型。通过这些工具，开发者可以在检测到的平面上放置虚拟家具、游戏角色或其他任何3D对象，实现虚拟与现实的融合，并为用户提供一种全新的视觉和交互体验。

基于平面的交互功能

除了平面检测和三维模型放置，ARKit还提供了基于平面的交互功能，使用户能够与虚拟对象进行更自然和直观的交云。通过实现光线投射（Raycasting）技术，ARKit能够响应用户的触摸或手势操作，允许用户通过点击、拖动等动作与虚拟物体进行互动。这种交互方式不仅增强了用户的沉浸感，还为AR应用提供了更丰富的功能和更好的用户体验。

本文的探讨重点

在本文中，我们将深入探讨ARKit的这些核心技术，并分析它们在不同应用场景下的实际工作方式。通过提供详尽的代码示例和应用场景分析，本文旨在帮助开发者更好地理解ARKit的功能，并激发他们在AR领域的创新思维。无论是对于初学者还是有经验的开发者，本文都将成为他们在ARKit开发旅程中的宝贵资源。

2. ARKit平面检测技术详解

平面检测作为ARKit中的核心功能之一，它允许开发者识别和追踪现实世界中的水平或垂直表面，如地面、桌面等。这项技术背后依赖的是视觉惯性里程计（VIO）技术，通过分析摄像头捕获的图像序列中的特征点，并结合设备的运动传感器数据，实现对设备位置和姿态的精确估计。

当启用ARKit的平面检测功能时，系统会在构建的网格中考虑平面信息，并在检测到平面时对网格进行平滑处理，提供更准确的平面数据。这种网格平滑处理，特别是在使用激光雷达扫描仪的设备上，如第四代iPad Pro，可以快速地从用户面前的广阔区域中获取深度信息，从而创建物理环境的多边形模型。

ARKit的平面检测不仅限于基本的表面识别，它还能够对现实世界中的物体进行分类，如区分地板、桌子、座椅、窗户和天花板等。这一功能通过ARMeshClassification实现，增强了虚拟内容与现实世界物体的交互性，例如，可以使虚拟的圆球在撞击现实世界中的墙壁后，根据物理定律弹开。

此外，ARKit 6引入了Depth API，利用激光雷达扫描仪中的逐像素深度信息，结合3D网格数据，实现更精准的虚拟物体放置，让遮挡效果更加逼真。这为应用如更精确的测量或对用户环境应用效果提供了可能。

在实际应用中，ARKit的平面检测功能可以用于各种场景，例如在教育领域，通过将虚拟模型放置在真实世界中，学生可以更直观地了解复杂概念；在游戏领域，可以在现实世界的表面上创建互动式游戏体验；在室内设计中，用户可以预览家具在实际空间中的摆放效果。

ARKit的平面检测技术通过结合先进的传感器数据和计算机视觉算法，为开发者提供了在现实世界中创造丰富AR体验的能力。随着技术的进步和功能的扩展，ARKit在不同领域的应用潜力正逐步被挖掘和实现。

3. 三维模型放置

在平面检测的基础上，ARKit可以在识别的表面上放置三维模型。这一过程涉及到使用SCNScene构建虚拟的3D世界，并通过SCNNode将3D模型添加到场景中。例如，通过SCNBox可以创建一个立方体几何体，并将其作为节点添加到场景的rootNode中，实现在现实世界中的虚拟物体放置。

4. 增强现实交互

ARKit不仅支持在现实世界中放置虚拟对象，还允许用户与这些对象进行交云。通过实现光线投射（Raycasting）技术，ARKit能够响应用户的点击或手势操作，实现对虚拟物体的旋转、移动等交互效果。例如，通过检测用户触摸屏幕的位置，并执行raycastQuery，可以将虚拟物体放置在用户点击的现实世界表面上。

5. 应用场景与代码示例

ARKit的平面检测和三维模型放置功能在多个领域有着广泛的应用。下面是一个平面检测和三维模型放置的代码，可参考。

Swift 复制代码

import UIKit
import SceneKit
import ARKit

final class ViewController: UIViewController {
    //MARK: - Outlets
    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!
    //MARK: - Variables
    var sceneNodeItems = [SCNNode]()

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        // Set the view's delegate
        sceneView.delegate = self
        // Enable auto lighting to brighten the scene
        sceneView.autoenablesDefaultLighting = true
        // Enable debugging in scene
        sceneView.debugOptions = [.showFeaturePoints]
    }
    
    override func viewWillAppear(_ animated: Bool) {
        super.viewWillAppear(animated)
        // Create a session configuration
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        // Set plane detection configuration
        configuration.planeDetection = .horizontal
        // Run the view's session
        sceneView.session.run(configuration)
    }
    
    override func viewWillDisappear(_ animated: Bool) {
        super.viewWillDisappear(animated)
        // Pause the view's session
        sceneView.session.pause()
    }

    @IBAction func trashTapped(_ sender: UIBarButtonItem) {
        // Remove every node from parent
        for item in sceneNodeItems {
            item.removeFromParentNode()
        }
        // Emptied node array
        sceneNodeItems = []
    }
}

//MARK: - ARSCNViewDelegate
extension ViewController : ARSCNViewDelegate {
    // Allow to create plane
    func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
        // Determine if anchor detected was ARPlaneAnchor
        guard let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor else {
            print("Could not found any plane anchor")
            return
        }
        // Create a new plane and set it size based on plane detected
        let horizontalPlane = SCNPlane(width: CGFloat(planeAnchor.extent.x), height: CGFloat(planeAnchor.extent.z))
        
        // Create material for horizontal plane
        let colorMaterial = SCNMaterial()
        // Assign content with UIColor
        colorMaterial.diffuse.contents = UIColor(white: 1, alpha: 0.5)
        // Add meterial to plane
        horizontalPlane.materials = [colorMaterial]
        
        // Create a new node for horizontal plane
        let planeNode = SCNNode(geometry: horizontalPlane)
        // Specify the node position
        planeNode.position = SCNVector3(x: planeAnchor.center.x, y: 0, z: planeAnchor.center.z)
        // Rotate the plane in X axis, by default SceneKit plane is in vertical
        planeNode.eulerAngles.x = -.pi / 2
        // Adding node as a child node, allow to display on scene of detected plane
        node.addChildNode(planeNode)
        
        // Add plane node to array
        sceneNodeItems.append(planeNode)
    }
}

extension ViewController {
    // Allow to detect touch on the screen
    override func touchesBegan(_ touches: Set<UITouch>, with event: UIEvent?) {
        // Get the first touch on the screen
        guard let touch = touches.first else {
            print("Could not get the first touch")
            return
        }
        // Get the location of the touch (2D Coordinate) from the sceneView
        let touchLocation = touch.location(in: sceneView)
        // Make a query to convert 2D to 3D coordinate
        guard let raycastQuery = sceneView.raycastQuery(from: touchLocation,
                                                        allowing: .estimatedPlane,
                                                        alignment: .horizontal) else {
            print("Could not make raycast query to convert 2D ro 3D coordiate")
            return
        }
        // Return results from query
        let queryResults = sceneView.session.raycast(raycastQuery)
        // Get the first item in query results
        guard let result = queryResults.first else {return}
        // Create a scene for the 3D model from assets
        let houseScene = SCNScene(named: "art.scnassets/skytower.scn")!
        // Create and get the first node in 3D model
        let houseNode = houseScene.rootNode.childNodes.first!
        // Position the node based on user touch location
        houseNode.position = SCNVector3(x: result.worldTransform.columns.3.x,
                                        y: result.worldTransform.columns.3.y,
                                        z: result.worldTransform.columns.3.z)
        
        // Add house node to rootnode of the scene to display the model in your world
        sceneView.scene.rootNode.addChildNode(houseNode)
        
        // Add house node to array
        sceneNodeItems.append(houseNode)
    }
}

以下是一些应用场景的代码示例：

家居设计：用户可以在真实的空间中预览家具的摆放效果。

swift 复制代码

let furnitureScene = SCNScene(named: "furniture.scn")
let furnitureNode = furnitureScene.rootNode.childNodes.first!
furnitureNode.position = SCNVector3(x: detectedPlaneCenter.x, y: 0.1, z: detectedPlaneCenter.z)
sceneView.scene.rootNode.addChildNode(furnitureNode)

教育领域：通过三维模型和动画，复杂的概念和理论得以直观展示。

swift 复制代码

let educationalModel = SCNSphere(radius: 0.05)
let modelNode = SCNNode(geometry: educationalModel)
modelNode.position = SCNVector3(x: touchLocation.x, y: 0.2, z: touchLocation.y)
sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)

游戏娱乐：将虚拟角色和元素融入现实世界，提供新颖的游戏体验。

swift 复制代码

let gameCharacterScene = SCNScene(named: "character.scn")
let characterNode = gameCharacterScene.rootNode.childNodes.first!
characterNode.position = SCNVector3(x: raycastResult.position.x, y: 0.1, z: raycastResult.position.z)
sceneView.scene.rootNode.addChildNode(characterNode)

6. 结语

随着ARKit技术的不断进步，其在各个行业的应用潜力正逐步被挖掘。从家居设计到教育，再到游戏娱乐，ARKit正在改变我们与数字内容互动的方式。通过本文的深入分析和代码示例，我们可以看到ARKit如何将虚拟世界与现实世界无缝融合，为用户带来前所未有的增强现实体验。

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