鸿蒙(API 12 Beta6版)图形【AR物体摆放】 AR引擎服务

概要

本章节通过AR Engine识别设备周围的平面,并允许用户在平面上放置虚拟物体,实现虚拟和现实的融合。AR物体摆放可用于虚拟家具、数字展厅等应用,给用户提供虚实结合的新体验。通过本示例,您可以学习并掌握如何使用AR Engine开发一款AR应用。

图1 AR物体摆放示意图

本章节涉及的AR Engine能力如下:

  • 运动跟踪能力
  • 环境跟踪能力(平面检测)
  • 命中检测能力

业务流程

  1. 用户打开应用。
  2. 应用需要向用户申请相机权限,用户同意后继续后续步骤。
  3. 用户点击ArWorld。
  4. AR Engine初始化。
  5. 调用[HMS_AREngine_ARSession_Create]函数创建并返回[AREngine_ARSession]会话;同时调用[HMS_AREngine_ARFrame_Create]函数创建并返回[AREngine_ARFrame]对象。
  6. UI设置定时器,定时触发帧绘制。
  7. 调用[HMS_AREngine_ARSession_Update]函数更新当前帧的ARFrame对象,并返回该对象。
  8. 获取平面。首先,调用[HMS_AREngine_ARSession_GetAllTrackables]函数获取平面类型(ARENGINE_TRACKABLE_PLANE)的可跟踪对象列表。其次,调用[HMS_AREngine_ARTrackableList_AcquireItem]函数从可跟踪对象列表中获指定索引的平面。
  9. 绘制平面。
  10. 将绘制的平面显示在预览画面上。
  11. 用户点击屏幕。
  12. 获取屏幕点击坐标。
  13. 进行碰撞检测。调用[HMS_AREngine_ARFrame_HitTest]函数获取并返回碰撞检测结果。
  14. 根据碰撞检测结果,调用[HMS_AREngine_ARHitResult_AcquireNewAnchor]函数创建锚点,并返回锚点对象。
  15. 在锚点位置绘制虚拟物体。
  16. 将虚拟物体显示在预览画面上。

接口说明

以下接口为AR物体摆放相关接口。

接口名 描述
HMS_AREngine_ARSession_Create 创建一个新的AREngine_ARSession会话。
HMS_AREngine_ARSession_Update 更新AREngine的计算结果。
HMS_AREngine_ARFrame_Create 创建一个新的AREngine_ARFrame对象,将指针存储到中*outFrame。
HMS_AREngine_ARSession_SetDisplayGeometry 设置显示的高和宽(以像素为单位)。该高和宽是显示view的高和宽,如果不一致,会导致显示相机预览出错。
HMS_AREngine_ARSession_SetCameraGLTexture 设置可用于存储相机预览流数据的openGL纹理。
HMS_AREngine_ARSession_GetAllTrackables 获取所有指定类型的可跟踪对像集合。
HMS_AREngine_ARTrackableList_AcquireItem 从可跟踪列表中获取指定index的对象。
HMS_AREngine_ARPlane_GetCenterPose 获取从平面的局部坐标系到世界坐标系转换的位姿信息。
HMS_AREngine_ARHitResultList_Create 创建一个命中检测结果对象列表。
HMS_AREngine_ARFrame_HitTest 根据屏幕上兴趣点位置获取命中检测结果。
HMS_AREngine_ARHitResultList_GetSize 获取命中检测结果对象列表中包含的对象数。
HMS_AREngine_ARHitResultList_GetItem 在命中检测结果列表中获取指定索引的命中检测结果对象。
HMS_AREngine_ARHitResult_Create 创建一个空的命中检测结果对象。
HMS_AREngine_ARHitResult_AcquireNewAnchor 在碰撞命中位置创建一个新的锚点。
HMS_AREngine_ARHitResult_AcquireTrackable 获取被命中的可追踪对象。
HMS_AREngine_ARFrame_AcquireCamera 获取当前帧的相机参数对象。
HMS_AREngine_ARPose_Create 分配并初始化一个新的位姿对象。
HMS_AREngine_ARCamera_GetPose 获取当前相机对象在AR世界空间中的位姿。

开发步骤

本章节给出了关键开发步骤,

创建Native C++工程

使用DevEco Studio创建一个Native C++工程。

申请权限

AR Engine需要使用相机、加速度传感器以及陀螺仪传感器权限,开发者可参考[声明权限]中的方式进行声明。其中相机权限需要用户手动进行授权。

权限名 说明 授权方式
ohos.permission.CAMERA 允许使用相机 user_grant
ohos.permission.ACCELEROMETER 允许使用加速度传感器 system_grant
ohos.permission.GYROSCOPE 允许使用陀螺仪传感器 system_grant

声明Native接口

ArkTs接口声明。

// 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/types/libentry/index.d.ts。
import resourceManager from '@ohos.resourceManager';
export const start:(id:string)=>void;
export const show:(id:string)=>void;
export const hide:(id:string)=>void;
export const update:(id:string)=>number;
export const stop:(id:string)=>void;
export const init:(resmgr : resourceManager.ResourceManager)=>void;

建立ArkTs接口与C++接口之间的映射。

// 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/module.cpp。
napi_property_descriptor desc[] = {
    { "init", nullptr, Global::Init, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr },
    { "start", nullptr, NapiManager::NapiOnPageAppear, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr },
    { "show", nullptr, NapiManager::NapiOnPageShow, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr },
    { "hide", nullptr, NapiManager::NapiOnPageHide, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr },
    { "update", nullptr, NapiManager::NapiOnPageUpdate, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr },
    { "stop", nullptr, NapiManager::NapiOnPageDisappear, nullptr, nullptr, nullptr, napi_default, nullptr }
};

创建UI界面

创建一个UI界面,用于显示相机预览画面,并定时触发每一帧绘制。

// 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/ets/pages/ArWorld.ets。
import { Logger } from '../utils/Logger';
import arEngineDemo from 'libentry.so';
import { resourceManager } from '@kit.LocalizationKit';
import { display } from '@kit.ArkUI';

@Entry
@Component
struct ArWorld {
  private xcomponentId = 'ArWorld';
  private resMgr: resourceManager.ResourceManager = getContext(this).resourceManager;
  private interval: number = -1;
  private isUpdate: boolean = true;

  aboutToAppear() {
    Logger.debug('aboutToAppear ' + this.xcomponentId);
    arEngineDemo.init(this.resMgr);
    arEngineDemo.start(this.xcomponentId);
    display.on("foldStatusChange", (foldStatus: display.FoldStatus) => {
      Logger.info('foldStatusChange display on ' + foldStatus);
      if (foldStatus === display.FoldStatus.FOLD_STATUS_EXPANDED
        || foldStatus === display.FoldStatus.FOLD_STATUS_FOLDED) {
        arEngineDemo.stop(this.xcomponentId);
        arEngineDemo.init(this.resMgr);
        // 调用Native的start接口,创建ARSession。
        arEngineDemo.start(this.xcomponentId);
        arEngineDemo.show(this.xcomponentId);
      }
    })
  }

  aboutToDisappear() {
    Logger.debug('aboutToDisappear ' + this.xcomponentId);
    arEngineDemo.stop(this.xcomponentId);
  }

  onPageShow() {
    this.isUpdate = true;
    Logger.debug('onPageShow ' + this.xcomponentId);
    arEngineDemo.show(this.xcomponentId);
  }

  onPageHide() {
    Logger.debug('onPageHide ' + this.xcomponentId);
    this.isUpdate = false;
    arEngineDemo.hide(this.xcomponentId);
  }

  build() {
    Column() {
      XComponent({ id: this.xcomponentId, type: XComponentType.SURFACE, libraryname: 'entry' })
        .onLoad(() => {
          Logger.debug('XComponent onLoad ' + this.xcomponentId);
          this.interval = setInterval(() => {
            if (this.isUpdate) {
              // 调用Native的update,更新AR Engine每一帧的计算结果
              arEngineDemo.update(this.xcomponentId);
            }
          }, 33); // 控制帧率为30fps(每33毫秒刷新一帧)。
        })
        .width('100%')
        .height('100%')
        .onDestroy(() => {
          Logger.debug('XComponent onDestroy ' + this.xcomponentId);
          clearInterval(this.interval);
        })
        .backgroundColor(Color.White)
    }
    .justifyContent(FlexAlign.SpaceAround)
    .alignItems(HorizontalAlign.Center)
    .backgroundColor(Color.White)
    .borderRadius(24)
    .width('100%')
    .height('100%')
  }
}

引入AR Engine

  1. 引入头文件。

    #include "ar/ar_engine_core.h"

  2. 编写CMakeLists.txt。

    find_library(
    # Sets the name of the path variable.
    arengine-lib
    # Specifies the name of the NDK library that
    # you want CMake to locate.
    libarengine_ndk.z.so
    )

    target_link_libraries(entry PUBLIC
    ${arengine-lib}
    )

创建AR场景

  1. 调用[HMS_AREngine_ARSession_Create]函数创建[AREngine_ARSession]会话。

  2. 配置AR会话及预览尺寸。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp
    // 【可选】创建一个拥有合理默认配置的配置对象。
    AREngine_ARConfig *arConfig = nullptr;
    HMS_AREngine_ARConfig_Create(arSession, &arConfig);
    // 【可选】配置AREngine_ARSession会话。
    HMS_AREngine_ARSession_Configure(arSession, arConfig);
    // 【可选】释放指定的配置对象的内存空间。
    HMS_AREngine_ARConfig_Destroy(arConfig);

    // 创建一个新的AREngine_ARFrame对象。
    AREngine_ARFrame *arFrame = nullptr;
    HMS_AREngine_ARFrame_Create(arSession, &arFrame);
    // 预览区域的实际宽高,如使用xcomponent组件显示,则该宽和高是xcomponent的宽和高,如果不一致,会导致显示相机预览出错。
    int32_t width = 1440;
    int32_t height = 1080;
    // 显示旋转常量,值为AREngine_ARPoseType中定义的枚举值。
    AREngine_ARPoseType displayRotation = ARENGINE_POSE_TYPE_IDENTITY;
    // 设置显示的宽和高(以像素为单位)。
    HMS_AREngine_ARSession_SetDisplayGeometry(arSession, displayRotation, width, height);

  3. 通过openGL接口获取纹理ID

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_background_renderer.h。
    //通过openGL接口获取纹理ID.
    GLuint textureId = 0;
    glGenTextures(1, &textureId);

  4. 设置openGL纹理,存储相机预览流数据。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_render_manager.cpp。
    // 设置可用于存储相机预览流数据的openGL纹理。
    HMS_AREngine_ARSession_SetCameraGLTexture(arSession, textureId );

获取平面

  1. 调用[HMS_AREngine_ARSession_Update]函数更新当前[AREngine_ARFrame]对象。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_render_manager.cpp。
    // 获取帧数据AREngine_ARFrame。
    HMS_AREngine_ARSession_Update(arSession, arFrame);

  2. 获取相机的视图矩阵和相机的投影矩阵,用于后续渲染。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_render_manager.cpp。
    // 根据AREngine_ARFrame对象可以获取相机对象AREngine_ARCamera。
    AREngine_ARCamera *arCamera = nullptr;
    HMS_AREngine_ARFrame_AcquireCamera(arSession, arFrame, &arCamera);
    // 获取最新帧中相机的视图矩阵。
    HMS_AREngine_ARCamera_GetViewMatrix(arSession, arCamera, glm::value_ptr(*viewMat), 16);
    // 获取用于在相机图像上层渲染虚拟内容的投影矩阵,可用于相机坐标系到裁剪坐标系转换。Near (0.1) Far (100)。
    HMS_AREngine_ARCamera_GetProjectionMatrix(arSession, arCamera, {0.1f, 100.f}, glm::value_ptr(*projectionMat), 16);

说明

这里直接获取相机的视图矩阵和相机的投影矩阵,是为了便于渲染。获取相机运动中的位姿变化,还可以调用[HMS_AREngine_ARCamera_GetPose]函数配合[HMS_AREngine_ARPose_GetPoseRaw]函数进行获取。

  1. 调用[HMS_AREngine_ARSession_GetAllTrackables]函数获取平面列表。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_render_manager.cpp。
    // 获取当前检测到的平面列表。
    AREngine_ARTrackableList *planeList = nullptr;
    // 创建一个可跟踪对象列表。
    HMS_AREngine_ARTrackableList_Create(arSession, &planeList);
    // 获取所有指定类型为ARENGINE_TRACKABLE_PLANE的可跟踪对像集合。
    AREngine_ARTrackableType planeTrackedType = ARENGINE_TRACKABLE_PLANE;
    HMS_AREngine_ARSession_GetAllTrackables(arSession, planeTrackedType, planeList);
    int32_t planeListSize = 0;
    // 获取此列表中的可跟踪对象的数量。
    HMS_AREngine_ARTrackableList_GetSize(arSession, planeList, &planeListSize);
    for (int i = 0; i < planeListSize; ++i) {
    AREngine_ARTrackable *arTrackable = nullptr;
    // 从可跟踪列表中获取指定index的对象。
    HMS_AREngine_ARTrackableList_AcquireItem(arSession, planeList, i, &arTrackable);
    AREngine_ARPlane arPlane = reinterpret_cast<AREngine_ARPlane>(arTrackable);
    // 获取当前可跟踪对象的跟踪状态。如果状态为:ARENGINE_TRACKING_STATE_TRACKING(可跟踪状态)才进行绘制。
    AREngine_ARTrackingState outTrackingState;
    HMS_AREngine_ARTrackable_GetTrackingState(arSession, arTrackable, &outTrackingState);
    AREngine_ARPlane subsumePlane = nullptr;
    // 获取平面的父平面(一个平面被另一个平面合并时,会产生父平面),如果无父平面返回为NULL。
    HMS_AREngine_ARPlane_AcquireSubsumedBy(arSession, arPlane, &subsumePlane);
    if (subsumePlane != nullptr) {
    HMS_AREngine_ARTrackable_Release(reinterpret_cast<AREngine_ARTrackable
    >(subsumePlane));
    // 如果当前平面有父平面,则当前平面不进行展示。否则会出现双平面。
    continue;
    }
    // 跟踪状态为:ARENGINE_TRACKING_STATE_TRACKING时才进行绘制。
    if (AREngine_ARTrackingState::ARENGINE_TRACKING_STATE_TRACKING != outTrackingState) {
    continue;
    }
    // 进行平面绘制。
    }
    HMS_AREngine_ARTrackableList_Destroy(planeList);
    planeList = nullptr;

  2. 调用[HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygon]函数获取平面的二维顶点坐标数组,用于绘制平面边界。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_plane_renderer.cpp。
    // 获取检测到平面的二维顶点数组大小。
    int32_t polygonLength = 0;
    HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygonSize(arSession, arPlane, &polygonLength);

    // 获取检测到平面的二维顶点数组,格式为[x1,z1,x2,z2,...]。
    const int32_t verticesSize = polygonLength / 2;
    std::vectorglm::vec2 raw_vertices(verticesSize);
    HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygon(arSession, arPlane, glm::value_ptr(raw_vertices.front()), polygonLength);

    // 局部坐标系顶点坐标。
    for (int32_t i = 0; i < verticesSize; ++i) {
    vertices.emplace_back(raw_vertices[i].x, raw_vertices[i].y, 0.75f);
    }

说明

调用[HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygon]函数获取平面的二维顶点坐标数组格式为[x1,z1,x2,z2,...]。这些值均在平面局部坐标系的x-z平面中定义,须先调用[HMS_AREngine_ARPlane_GetCenterPose]函数获取从平面的局部坐标系到世界坐标系转换的位姿数据,然后调用[HMS_AREngine_ARPose_GetMatrix]函数将位姿数据转换成4X4的矩阵,该矩阵与局部坐标系的坐标点做乘法,可以得到局部坐标系到世界坐标系的转换。

  1. 将平面的二维顶点坐标转换到世界坐标系,并绘制平面。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_plane_renderer.cpp。
    // 获取从平面的局部坐标系到世界坐标系转换的位姿信息。
    AREngine_ARPose *scopedArPose = nullptr;
    HMS_AREngine_ARPose_Create(arSession, nullptr, 0, &scopedArPose);
    HMS_AREngine_ARPlane_GetCenterPose(arSession, arPlane, scopedArPose);

    // 将位姿数据转换成4X4的矩阵,outMatrixColMajor4x4为存放数组,其中的数据按照列优先存储.
    // 该矩阵与局部坐标系的坐标点做乘法,可以得到局部坐标系到世界坐标系的转换。
    HMS_AREngine_ARPose_GetMatrix(arSession, scopedArPose, glm::value_ptr(modelMat), 16);
    HMS_AREngine_ARPose_Destroy(scopedArPose);

    // 构筑绘制渲染平面所需的数据。
    // 生成三角形。
    for (int i = 1; i < verticesSize - 1; ++i) {
    triangles.push_back(0);
    triangles.push_back(i);
    triangles.push_back(i + 1);
    }
    // 生成平面包围线。
    for (int i = 0; i < verticesSize; ++i) {
    lines.push_back(i);
    }

点击屏幕

  1. 用户点击屏幕后,基于点击事件获取屏幕坐标。

添加头文件:native_interface_xcomponent.h。

#include <ace/xcomponent/native_interface_xcomponent.h>

通过点击事件获取屏幕点击坐标。

// 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp。
float pixeLX= 0.0f;
float pixeLY= 0.0f;
int32_t ret = OH_NativeXComponent_GetTouchEvent(component, window, &mTouchEvent);

if (ret == OH_NATIVEXCOMPONENT_RESULT_SUCCESS) {
    if (mTouchEvent.type == OH_NATIVEXCOMPONENT_DOWN) {
        pixeLX= mTouchEvent.touchPoints[0].x;
    pixeLY= mTouchEvent.touchPoints[0].y;
    } else {
    return;
    }
}
  1. 调用[HMS_AREngine_ARFrame_HitTest]函数进行碰撞检测,结果存放在碰撞检测结果列表中。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp。
    // 创建一个命中检测结果对象列表,arSession为创建AR场景步骤中创建的会话对象。
    AREngine_ARHitResultList *hitResultList = nullptr;
    HMS_AREngine_ARHitResultList_Create(arSession, &hitResultList);

    // 获取命中检测结果对象列表,arFrame为创建AR场景步骤中创建的帧对象,pixeLX/pixeLY为屏幕点坐标。
    HMS_AREngine_ARFrame_HitTest(arSession, arFrame, pixeLX, pixeLY, hitResultList);

说明

碰撞结果按照交点与设备的距离从近到远进行排序,存放在碰撞结果列表中。

放置虚拟物体

  1. 调用[HMS_AREngine_ARHitResultList_GetItem]函数遍历碰撞检测结果列表,获取命中的可跟踪对象。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp。
    // 创建命中检测结果对象。
    AREngine_ARHitResult *arHit = nullptr;
    HMS_AREngine_ARHitResult_Create(arSession, &arHit);

    // 获取第一个命中检测结果对象。
    HMS_AREngine_ARHitResultList_GetItem(arSession, hitResultList, 0, arHit);

    // 获取被命中的可追踪对象。
    AREngine_ARTrackable *arHitTrackable = nullptr;
    HMS_AREngine_ARHitResult_AcquireTrackable(arSession, arHit, &arHitTrackable);

  2. 判断碰撞结果是否存在于平面内部。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp。
    AREngine_ARTrackableType ar_trackable_type = ARENGINE_TRACKABLE_INVALID;
    HMS_AREngine_ARTrackable_GetType(arSession, arTrackable, &ar_trackable_type);
    if (ARENGINE_TRACKABLE_PLANE == ar_trackable_type) {
    AREngine_ARPose *arPose = nullptr;
    HMS_AREngine_ARPose_Create(arSession, nullptr, 0, &arPose);
    HMS_AREngine_ARHitResult_GetHitPose(arSession, arHit, arPose);
    // 判断位姿是否位于平面的多边形范围内。0表示不在范围内,非0表示在范围内。
    HMS_AREngine_ARPlane_IsPoseInPolygon(arSession, arPlane, arPose, &inPolygon);
    HMS_AREngine_ARPose_Destroy(arPose);
    if (!inPolygon) {
    // 不在平面内,就跳过当前平面。
    continue;
    }
    }

  3. 在碰撞结果位置创建一个新的锚点,并基于此锚点放置虚拟模型。

    // 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_ar_application.cpp。
    // 在碰撞命中位置创建一个新的锚点。
    AREngine_ARAnchor *anchor = nullptr;
    HMS_AREngine_ARHitResult_AcquireNewAnchor(arSession, arHitResult, &anchor);

    // 判断锚点的可跟踪状态
    AREngine_ARTrackingState trackingState = ARENGINE_TRACKING_STATE_STOPPED;
    HMS_AREngine_ARAnchor_GetTrackingState(arSession, anchor, &trackingState);
    if (trackingState != ARENGINE_TRACKING_STATE_TRACKING) {
    HMS_AREngine_ARAnchor_Release(anchor);
    return;
    }

  4. 绘制模型。

调用[HMS_AREngine_ARAnchor_GetPose]函数获取锚点位姿,并基于该位姿绘制虚拟模型。

// 此代码来源于示例代码:ArSample/entry/src/main/cpp/src/world/world_render_manager.cpp。
// 获取锚点的位姿。
AREngine_ARPose *pose = nullptr;
HMS_AREngine_ARPose_Create(arSession, nullptr, 0, &pose);
HMS_AREngine_ARAnchor_GetPose(arSession, anchor, pose);
// 将位姿数据转换成4X4的矩阵modelMat。
HMS_AREngine_ARPose_GetMatrix(arSession, pose, glm::value_ptr(modelMat), 16);
HMS_AREngine_ARPose_Destroy(pose);
// 绘制虚拟模型。

最后呢

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  • 《鸿蒙开发进阶》
  • 《鸿蒙开发实战》

总结

鸿蒙---作为国家主力推送的国产操作系统。部分的高校已经取消了安卓课程,从而开设鸿蒙课程;企业纷纷跟进启动了鸿蒙研发。

并且鸿蒙是完全具备无与伦比的机遇和潜力的;预计到年底将有 5,000 款的应用完成原生鸿蒙开发,未来将会支持 50 万款的应用。那么这么多的应用需要开发,也就意味着需要有更多的鸿蒙人才。鸿蒙开发工程师也将会迎来爆发式的增长,学习鸿蒙势在必行! 自↓↓↓拿

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