Objective-C与ARkit框架开发入门指南
1. 环境搭建
在开始使用Objective-C和ARKit进行开发之前，首先需要确保开发环境搭建正确。
1.1 安装Xcode
Xcode是苹果官方的集成开发环境（IDE），用于开发iOS、iPadOS、macOS、watchOS和tvOS应用程序。你可以从Mac App Store免费下载最新版本的Xcode。安装完成后，打开Xcode。
1.2 创建新的项目
打开Xcode后，选择“Create a new Xcode project”。在模板选择页面，选择“Augmented Reality App”。这个模板已经预配置了ARKit相关的基本设置，适合入门开发。
在接下来的页面，你需要填写项目的相关信息，如产品名称、组织标识符等。确保语言选择为“Objective-C”。然后选择项目的保存位置，点击“Create”完成项目创建。
2. 认识ARKit
ARKit是苹果公司推出的增强现实（AR）开发框架，它允许开发者利用设备的摄像头、传感器和图形处理能力，创建沉浸式的AR体验。
2.1 ARSession
ARSession是ARKit的核心类之一，负责管理AR体验的运行时状态。它与设备的摄像头和运动传感器进行交互，捕捉现实世界的场景信息，并将其转化为AR内容可以使用的数据。
在Objective-C中，你可以在视图控制器中创建一个ARSession实例：
#import <ARKit/ARKit.h>
@interface ViewController () <ARSCNViewDelegate>
@property (nonatomic, strong) ARSession *session;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
self.session = [[ARSession alloc] init];
sceneView.session = self.session;
sceneView.delegate = self;
}
@end
上述代码在视图控制器中创建了一个ARSession实例，并将其关联到视图控制器的视图（这里是ARSCNView）上。同时，设置了视图的代理为当前视图控制器，以便接收AR相关的事件回调。
2.2 ARConfiguration
ARConfiguration用于配置ARSession如何捕捉和处理现实世界的场景信息。ARKit提供了多种配置类型，如ARWorldTrackingConfiguration、ARImageTrackingConfiguration等。
ARWorldTrackingConfiguration是最常用的配置类型，它允许设备追踪设备在现实世界中的位置和方向，同时构建周围环境的地图。
- (void)startARSession {
ARWorldTrackingConfiguration *configuration = [[ARWorldTrackingConfiguration alloc] init];
configuration.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;
[self.session runWithConfiguration:configuration];
}
在上述代码中，创建了一个ARWorldTrackingConfiguration实例，并设置其planeDetection属性为ARPlaneDetectionHorizontal，表示检测水平平面。然后使用该配置运行ARSession。
3. 场景渲染
在ARKit中，通常使用SceneKit来渲染AR场景。SceneKit是一个用于创建3D场景和动画的框架，与ARKit集成良好。
3.1 ARSCNView
ARSCNView是SceneKit与ARKit集成的关键视图类。它负责将ARSession捕捉到的现实世界场景与SceneKit中的3D内容进行合成和渲染。
在创建项目时，Xcode的“Augmented Reality App”模板已经自动在视图控制器的视图中添加了一个ARSCNView。你可以在视图控制器中访问它并进行进一步的配置：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
sceneView.scene = [[SCNScene alloc] init];
sceneView.autoenablesDefaultLighting = YES;
}
上述代码获取视图控制器的视图（即ARSCNView），为其设置了一个空的SceneKit场景，并启用了默认光照，以便更好地显示3D物体。
3.2 添加3D物体
在SceneKit场景中添加3D物体是创建AR体验的重要部分。可以使用SCNNode来表示3D物体，并将其添加到场景中。
例如，添加一个简单的立方体：
- (void)addCube {
SCNBox *cubeGeometry = [SCNBox boxWithWidth:0.1 height:0.1 length:0.1 chamferRadius:0];
SCNMaterial *material = [SCNMaterial material];
material.diffuse.contents = [UIColor redColor];
cubeGeometry.materials = @[material];
SCNNode *cubeNode = [SCNNode nodeWithGeometry:cubeGeometry];
cubeNode.position = SCNVector3Make(0, 0, -0.5);
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
[sceneView.scene.rootNode addChildNode:cubeNode];
}
上述代码创建了一个立方体的几何形状（SCNBox），为其设置了红色的材质，然后创建了一个节点（SCNNode）并将立方体几何形状关联到该节点上。最后，将节点添加到SceneKit场景的根节点上。
4. 交互处理
为了使AR应用更加有趣和实用，需要处理用户与AR场景的交互。
4.1 点击交互
可以通过检测用户在ARSCNView上的点击操作，来实现与AR场景中的物体进行交互。
首先，在视图控制器中实现ARSCNViewDelegate协议的- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor方法，用于在检测到新的锚点（如平面）时添加相应的节点：
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor {
if ([anchor isKindOfClass:[ARPlaneAnchor class]]) {
SCNPlane *planeGeometry = [SCNPlane planeWithWidth:0.1 height:0.1];
planeGeometry.firstMaterial.diffuse.contents = [UIColor greenColor];
SCNNode *planeNode = [SCNNode nodeWithGeometry:planeGeometry];
planeNode.position = SCNVector3Make(anchor.transform.columns[3].x, anchor.transform.columns[3].y, anchor.transform.columns[3].z);
planeNode.eulerAngles = SCNVector3Make(-M_PI_2, 0, 0);
[node addChildNode:planeNode];
}
}
然后，实现- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event方法来处理点击事件：
- (void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
UITouch *touch = [touches anyObject];
CGPoint touchLocation = [touch locationInView:self.view];
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
NSArray <SCNHitTestResult *> *hitResults = [sceneView hitTest:touchLocation types:SCNHitTestResultTypeExistingPlaneUsingGeometry];
if (hitResults.count > 0) {
SCNHitTestResult *result = hitResults[0];
SCNNode *node = [result node];
SCNBox *cubeGeometry = [SCNBox boxWithWidth:0.05 height:0.05 length:0.05 chamferRadius:0];
SCNMaterial *material = [SCNMaterial material];
material.diffuse.contents = [UIColor blueColor];
cubeGeometry.materials = @[material];
SCNNode *cubeNode = [SCNNode nodeWithGeometry:cubeGeometry];
cubeNode.position = result.worldCoordinates;
[node addChildNode:cubeNode];
}
}
上述代码在用户点击屏幕时，检测是否点击到了已检测到的平面上。如果点击到了平面，就在点击位置添加一个蓝色的立方体。
4.2 手势交互
除了点击交互，还可以实现手势交互，如缩放、旋转等。
以缩放手势为例，首先在视图控制器中添加一个UIPinchGestureRecognizer：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
UIPinchGestureRecognizer *pinchGesture = [[UIPinchGestureRecognizer alloc] initWithTarget:self action:@selector(handlePinch:)];
[self.view addGestureRecognizer:pinchGesture];
}
然后实现- (void)handlePinch:(UIPinchGestureRecognizer *)gesture方法来处理缩放手势：
- (void)handlePinch:(UIPinchGestureRecognizer *)gesture {
static BOOL isScaling = NO;
static SCNNode *scalingNode;
if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateBegan) {
CGPoint touchLocation = [gesture locationInView:self.view];
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
NSArray <SCNHitTestResult *> *hitResults = [sceneView hitTest:touchLocation types:SCNHitTestResultTypeExistingPlaneUsingGeometry];
if (hitResults.count > 0) {
SCNHitTestResult *result = hitResults[0];
scalingNode = [result node];
isScaling = YES;
}
} else if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateChanged && isScaling) {
SCNVector3 scale = scalingNode.scale;
scale.x *= gesture.scale;
scale.y *= gesture.scale;
scale.z *= gesture.scale;
scalingNode.scale = scale;
gesture.scale = 1;
} else if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateEnded) {
isScaling = NO;
}
}
上述代码在检测到缩放手势开始时，获取被点击的节点。在手势变化过程中，根据手势的缩放比例调整节点的缩放。手势结束时，重置相关状态。
5. 高级功能
5.1 图像识别
ARKit支持图像识别功能，通过ARImageTrackingConfiguration可以检测和追踪特定的图像。
首先，需要准备一组图像数据集。可以在项目的资源文件夹中创建一个AR Resources文件夹，并将图像文件放入其中。然后在代码中配置ARImageTrackingConfiguration：
- (void)startImageTracking {
ARImageTrackingConfiguration *configuration = [[ARImageTrackingConfiguration alloc] init];
NSURL *arResourcesURL = [[NSBundle mainBundle] URLForResource:@"AR Resources" withExtension:nil];
ARReferenceImageDataSource *dataSource = [ARReferenceImageDataSource dataSourceWithContentsOfURL:arResourcesURL];
configuration.trackingImages = dataSource.referenceImages;
configuration.maximumNumberOfTrackedImages = 1;
[self.session runWithConfiguration:configuration];
}
上述代码创建了一个ARImageTrackingConfiguration实例，加载了图像数据集，并设置其为追踪的图像。然后使用该配置运行ARSession。
接下来，在视图控制器中实现ARSCNViewDelegate协议的- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor方法，在检测到图像时添加相应的节点：
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor {
if ([anchor isKindOfClass:[ARImageAnchor class]]) {
ARImageAnchor *imageAnchor = (ARImageAnchor *)anchor;
SCNPlane *planeGeometry = [SCNPlane planeWithWidth:imageAnchor.referenceImage.physicalSize.width height:imageAnchor.referenceImage.physicalSize.height];
planeGeometry.firstMaterial.diffuse.contents = [UIColor yellowColor];
SCNNode *planeNode = [SCNNode nodeWithGeometry:planeGeometry];
planeNode.eulerAngles = SCNVector3Make(-M_PI_2, 0, 0);
[node addChildNode:planeNode];
}
}
上述代码在检测到图像锚点时，创建一个与图像大小相同的平面，并添加到场景中。
5.2 多人AR
ARKit支持多人AR体验，通过ARSession的共享功能可以实现多个设备之间的同步。
首先，需要在每个设备上创建一个ARSession实例，并配置为共享模式。例如，在主机设备上：
- (void)startMultiplayerSessionAsHost {
ARWorldTrackingConfiguration *configuration = [[ARWorldTrackingConfiguration alloc] init];
configuration.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;
configuration.isCollaborationEnabled = YES;
ARSession *session = [[ARSession alloc] init];
[session runWithConfiguration:configuration];
ARSessionCoordinator *coordinator = [ARSessionCoordinator sharedInstance];
[coordinator startSessionWithSession:session isHost:YES];
}
在客户端设备上：
- (void)startMultiplayerSessionAsClient {
ARWorldTrackingConfiguration *configuration = [[ARWorldTrackingConfiguration alloc] init];
configuration.planeDetection = ARPlaneDetectionHorizontal;
configuration.isCollaborationEnabled = YES;
ARSession *session = [[ARSession alloc] init];
[session runWithConfiguration:configuration];
ARSessionCoordinator *coordinator = [ARSessionCoordinator sharedInstance];
[coordinator startSessionWithSession:session isHost:NO];
}
上述代码展示了主机和客户端设备如何启动多人AR会话。ARSessionCoordinator是一个自定义的类，用于管理会话的协调和同步。
然后，在视图控制器中实现ARSCNViewDelegate协议的相关方法，确保在不同设备上同步添加和更新节点。例如：
- (void)renderer:(id <SCNSceneRenderer>)renderer didAddNode:(SCNNode *)node forAnchor:(ARAnchor *)anchor {
if ([anchor isKindOfClass:[ARPlaneAnchor class]]) {
SCNPlane *planeGeometry = [SCNPlane planeWithWidth:0.1 height:0.1];
planeGeometry.firstMaterial.diffuse.contents = [UIColor greenColor];
SCNNode *planeNode = [SCNNode nodeWithGeometry:planeGeometry];
planeNode.position = SCNVector3Make(anchor.transform.columns[3].x, anchor.transform.columns[3].y, anchor.transform.columns[3].z);
planeNode.eulerAngles = SCNVector3Make(-M_PI_2, 0, 0);
[node addChildNode:planeNode];
}
}
通过这种方式，不同设备上检测到的平面等锚点信息会同步，从而实现多人共享的AR体验。
6. 性能优化
在开发AR应用时，性能优化非常重要，以确保流畅的体验。
6.1 减少3D模型复杂度
复杂的3D模型会增加渲染负担，导致性能下降。尽量简化3D模型的几何形状，减少多边形数量。例如，在创建3D物体时，避免使用过多的细节和复杂的纹理。
6.2 合理管理节点
及时移除不再需要的节点，避免在场景中积累大量无用的节点。例如，当一个物体离开用户的视野范围，可以将其对应的节点从场景中移除。
- (void)removeNode:(SCNNode *)node {
[node removeFromParentNode];
}
6.3 控制渲染频率
可以通过设置ARSCNView的preferredFramesPerSecond属性来控制渲染频率。例如，设置为30fps可以在一定程度上降低性能消耗，同时保证视觉效果的流畅度。
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
ARSCNView *sceneView = (ARSCNView *)self.view;
sceneView.preferredFramesPerSecond = 30;
}
通过以上性能优化措施，可以提升AR应用的运行效率和用户体验。
7. 常见问题及解决方法
7.1 摄像头权限问题
如果应用无法访问摄像头，可能是因为没有获取摄像头权限。在Info.plist文件中添加以下权限描述：
<key>NSCameraUsageDescription</key>
<string>Your use of the camera is required to run this AR application.</string>
这样在应用请求访问摄像头时，会向用户显示相应的提示信息。
7.2 平面检测不准确
平面检测不准确可能是由于环境光线不足或检测物体表面特征不明显。尽量在光线充足、物体表面有明显纹理的环境中进行平面检测。同时，可以调整ARWorldTrackingConfiguration的planeDetection参数，尝试不同的检测模式。
7.3 内存泄漏
在使用Objective-C开发时，要注意内存管理，避免内存泄漏。确保及时释放不再使用的对象，如SCNNode、SCNGeometry等。使用自动引用计数（ARC）可以简化内存管理，但仍需要注意对象之间的强引用循环等问题。
通过了解和解决这些常见问题，可以使开发过程更加顺利，创建出高质量的AR应用。