ARkit技术及整体API框架简介

一、AR简介：

     增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动. 
    一个最简单地AR场景实现所需要的技术以及步骤包含如下：

1. 多媒体捕捉现实图像：如摄像头
2. 三维建模:3D立体模型
3. 传感器追踪:主要追踪现实世界动态物体的六轴变化，这六轴分别是X、Y、Z轴位移及旋转。其中位移三轴决定物体的方位和大小，旋转三周决定物体显示的区域。
4. 坐标识别及转换：3D模型显示在现实图像中不是单纯的frame坐标点，而是一个三维的矩阵坐标。这基本上也是学习AR最难的部分，好在ARKit帮助我们大大简化了这一过程。
5. 除此之外，AR还可以与虚拟物体进行一些交互。

二、 ARKit概述及特点介绍：

1. 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。
2. ARKit框架提供了两种AR技术：
3. 基于3D场景(SceneKit)实现的增强现实，
4. 基于2D场景(SpriktKit)实现的增强现实
5. AR效果必须要依赖于苹果的游戏引擎框架（3D引擎SceneKit，2D引擎SpriktKit），主要原因是游戏引擎才可以加载物体模型。
6. 虽然ARKit框架中视图对象继承于UIView，但是由于目前ARKit框架本身只包含相机追踪，不能直接加载物体模型，所以只能依赖于游戏引擎加载ARKit

开发环境：

1. Xcode版本：Xcode9及以上
2. iOS系统:iOS11及以上
3. iOS设备要求：处理器A9及以上（iPhone6s 、iPhone6sPlus、iPhone7 iPhone7Plus、iPhoneSE、iPad Pro(9.7、10.5、12.9)、iPad(2017))
4. MacOS系统：10.12.4及以上 (安装Xcode9对Mac系统版本有要求)

三、ARKit框架简介:

    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。
    相机捕捉现实世界图像，由ARKit来实现；在图像中显示虚拟3D模型，由SceneKit来实现。
    继承关系：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
    ARSCNView只是一个视图容器，它的作用是管理一个ARSession
    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。
    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），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。

四、ARKit工作原理及工作流程

     ARKit提供两种虚拟增强现实视图，他们分别是3D效果的ARSCNView和2D效果的ARSKView。无论是使用哪一个视图都是用了相机图像作为背景视图，而这一个相机的图像就是由框架中的相机类ARCamera来捕捉的。
     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。
    要想运行一个ARSession会话，你必须要指定一个称之为ARSessionConfiguration（会话追踪配置）的对象,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）。
     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。
     ARSession搭建沟通桥梁的参与者主要有两个ARWorldTrackingSessionConfiguration与ARFrame。

     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。
     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，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。
     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。

ARKit框架工作流程：

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。
   

五、ARKit全框架API类图介绍：

框架中所有的API

5.1、ARAnchor

    ARAnchor表示一个物体在3D空间的位置和方向（ARAnchor通常称为物体的3D锚点，有点像UIKit框架中CALayer的Anchor）, ARFrame表示的也是物体的位置和方向，但是ARFrame通常表示的是AR相机的位置和方向以及追踪相机的时间，还可以捕捉相机的帧图片。也就是说ARFrame用于捕捉相机的移动，其他虚拟物体用ARAnchor

5.2、ARCamera

    ARCamera是一个相机，它是连接虚拟场景与现实场景之间的枢纽。在ARKit中，它是捕捉现实图像的相机，在SceneKit中它又是3D虚拟世界中的相机。
    一般我们无需去创建一个相机，因为当我们初始化一个AR试图时，他会为我们默认创建一个相机，而且这个相机就是摄像头的位置，同时也是3D世界中的原点所在（x=0,y=0,z=0）

5.3、ARError

    ARError是一个描述ARKit错误的类，这个错误来源于几个方面，例如设备不支持，或者当相机常驻后台时ARSession会断开等问题

5.4、ARFrame

    ARFrame主要是追踪相机当前的状态，这个状态不仅仅只是位置，还有图像帧及时间等参数

5.5、ARHitTestResult

    ARHitTestResult：点击回调结果，这个类主要用于虚拟增强现实技术（AR技术）中现实世界与3D场景中虚拟物体的交互。 比如我们在相机中移动。拖拽3D虚拟物体，都可以通过这个类来获取ARKit所捕捉的结果。

5.6、ARLightEstimate

   ARLightEstimate是一个灯光效果，它可以让你的AR场景看起来更加的好

5.7、ARPlaneAnchor

    ARPlaneAnchor是ARAnchor的子类，笔者称之为平地锚点。ARKit能够自动识别平地，并且会默认添加一个锚点到场景中，当然要想看到真实世界中的平地效果，需要我们自己使用SCNNode来渲染这个锚点，锚点只是一个位置。

5.8、ARPointCloud

    ARPointCloud：点状渲染云，主要用于渲染场景

5.9、 ARSCNView

    AR视图， ARKit支持3D的AR场景和2D的AR场景，ARSCNView是3D的AR场景视图，该类是整个ARKit框架中唯一两个有代理的类其中之一。该类非常重要，且API较多，将在后续小节介绍

5.10、 ARSession

    ARSession是一个连接底层与AR视图之间的桥梁，其实ARSCNView内部所有的代理方法都是由ARSession来提供的。

ARSession获取相机位置数据主要有两种方式

1. push。 实时不断的获取相机位置，由ARSession主动告知用户。通过实现ARSession的代理- (void)session:(ARSession *)session didUpdateFrame:(ARFrame *)frame来获取
2. pull。 用户想要时，主动去获取。ARSession的属性currentFrame来获取

5.11、ARSessionConfiguration

    ARSessionConfiguration会话追踪配置，主要就是追踪相机的配置。注意：该类还有一个子类：ARWorldTrackingSessionConfiguration，它们在同一个API文件中

追踪对其方式，这个决定了参考坐标系（参照物）

typedef NS_ENUM(NSInteger, ARWorldAlignment) {
      /* 相机位置 vector (0, -1, 0) /
      ARWorldAlignmentGravity,
      /** 相机位置及方向. vector (0, -1, 0)    heading ：(0, 0, -1) */
      ARWorldAlignmentGravityAndHeading,
      /** 相机方向. */
      ARWorldAlignmentCamera
} 

/平面检测类型*/
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, ARPlaneDetection) {
    / 不检测. */
    ARPlaneDetectionNone = 0,
    /** 平地检测 */
    ARPlaneDetectionHorizontal  = (1 << 0),
} 

六、技术要点

6.1、技术要点

6.1、技术难点

1. ARKit只能没有图片识别的功能的，或者他这能识别相机的平面，如果要实现图片识别被动触发arkit，需要用其他的frame（比如CoreML 的图片识别的技术），于是Arkit跟CoreML，如何交互，是需要思考的。