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仅需6步，实现虚拟物体在现实世界的精准放置

时间：2024-09-27　|　来源：　|　阅读：83

话题：世界现实

增强现实（AR）技术作为一种将数字信息和现实场景融合的创新技术，近年来得到了快速发展，并在多个应用领域展现出其独特的魅力。比如在教育行业，老师可以通过虚拟现实场景生动直观地帮助学生理解抽象概念；在旅游行业，AR技术还能虚拟历史文化场景、虚拟导航等，为游客提供更加沉浸的互动体验。然而，对于应用来说，

增强现实（AR）技术作为一种将数字信息和现实场景融合的创新技术，近年来得到了快速发展，并在多个应用领域展现出其独特的魅力。比如在教育行业，老师可以通过虚拟现实场景生动直观地帮助学生理解抽象概念；在旅游行业，AR技术还能虚拟历史文化场景、虚拟导航等，为游客提供更加沉浸的互动体验。

然而，对于应用来说，AR技术的开发使用绝非易事，这需要高昂的开发成本和专业的技术人才。基于此，HarmonyOS SDK AR引擎服务（AR Engine）为广大应用开发者提供了先进的AR技术，解决了开发成本和技术门槛的难题。

在集成AR Engine能力后，开发者只需6个开发步骤，就可以实现将虚拟物体摆放于现实世界的平面上，实现虚拟和现实的融合，该功能可应用于虚拟家具放置、数字展厅布展等场景，为用户提供虚实结合的新体验。

业务流程

AR摆放实现的业务流程主要分为打开应用、识别平面并展示和放置虚拟物体三个部分。

第一部分是用户打开应用，应用需要向用户申请相机权限。如果用户未同意授权，则无法使用该功能。

第二部分中，AR Engine识别平面并展示。包括完成AR Engine初始化，更新ARFrame对象、获取平面、绘制平面并显示预览画面等步骤。

第三部分为放置虚拟物体。即用户点击屏幕，通过碰撞检测获取现实环境中的兴趣点，并在兴趣点上创建锚点，最终实现在锚点位置绘制虚拟物体，并将虚拟物体显示在预览画面上。

开发步骤

在实现AR物体摆放的具体开发步骤之前，开发者需要先创建Native C++工程，声明ArkTs接口，并申请以下权限授权。

1.创建UI界面

在做好准备工作后，需要创建一个UI界面，用于显示相机预览画面，并定时触发每一帧绘制。

import { Logger } from '../utils/Logger';
import arEngineDemo from 'libentry.so';
import { resourceManager } from '@kit.LocalizationKit';
import { display } from '@kit.ArkUI';

[@Entry](https://my.oschina.net/u/4127701)
[@Component](https://my.oschina.net/u/3907912)
struct ArWorld {
  private xcomponentId = 'ArWorld';
  private panOption: PanGestureOptions = new PanGestureOptions({ direction: PanDirection.All });
  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: '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%');
  }
}

2.引入AR Engine

创建完UI界面后，引入AR Engine头文件，并编写CMakeLists.txt。

#include "ar/ar_engine_core.h" 

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}
)

3.创建AR场景

首先，配置AR会话及预览尺寸。

// 【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。
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;
// 设置显示的宽和高（以像素为单位）。
HMS_AREngine_ARSession_SetDisplayGeometry(arSession, displayRotation, width, height);

通过openGL接口获取纹理ID。

//通过openGL接口获取纹理ID.
GLuint textureId = 0;
glGenTextures(1, &textureId);

设置openGL纹理，存储相机预览流数据。

// 设置可用于存储相机预览流数据的openGL纹理。
HMS_AREngine_ARSession_SetCameraGLTexture(arSession, textureId );

4.获取平面

调用HMS_AREngine_ARSession_Update函数更新当前AREngine_ARFrame对象。

// 获取帧数据AREngine_ARFrame。
HMS_AREngine_ARSession_Update(arSession, arFrame);

获取相机的视图矩阵和相机的投影矩阵，用于后续绘制。

// 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);

调用HMS_AREngine_ARSession_GetAllTrackables函数获取平面列表。

// 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);
mPlaneCount = 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(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(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;

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。

// 获取检测到平面的二维顶点数组大小。
int32_t polygonLength = 0;
HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygonSize(session, plane, &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::vector raw_vertices(verticesSize);
HMS_AREngine_ARPlane_GetPolygon(session, plane, 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);
}

将平面的二维顶点坐标转换到世界坐标系，并绘制平面。

// 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(session, nullptr, 0, &scopedArPose);
HMS_AREngine_ARPlane_GetCenterPose(session, plane, 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(session, 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);
}

5.点击屏幕

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 

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;
    }
}

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。

// 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);

6.放置虚拟物体

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。

// 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);

判断碰撞结果是否存在于平面内部。

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(mArSession, arPlane, arPose, &inPolygon)
    HMS_AREngine_ARPose_Destroy(arPose);
    if (!inPolygon) {
    // 不在平面内，就跳过当前平面。
    continue;
    }
}

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。

// 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;
}

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。

// 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。

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