Kotlin ARCore开发三维交互应用

一、Kotlin 与 ARCore 简介

Kotlin 是一种现代编程语言，由 JetBrains 开发，它与 Java 兼容，运行在 Java 虚拟机（JVM）上，并且可以编译成 JavaScript 或原生代码。Kotlin 简洁、安全，拥有许多特性，如扩展函数、空安全、数据类等，使得开发更加高效。

ARCore 是 Google 提供的用于构建增强现实（AR）应用程序的平台。它利用手机的摄像头、传感器等硬件，实现对环境的感知，如平面检测、光线估计、姿态跟踪等功能，从而为开发者提供基础，以创建引人入胜的 AR 体验。

二、开发环境搭建

1. 安装 Android Studio 首先，确保你已经安装了最新版本的 Android Studio。可以从Google 官方网站下载并按照安装向导进行安装。
2. 配置 Kotlin 支持 如果 Android Studio 版本较新，Kotlin 支持通常已经默认安装。若没有，可以通过 Tools -> Kotlin -> Configure Kotlin in Project 来添加 Kotlin 支持。
3. 添加 ARCore 依赖 在项目的 build.gradle 文件中添加 ARCore 依赖。对于应用级别的 build.gradle，添加以下代码：

dependencies {
    implementation 'com.google.ar:core:1.28.0'
}

确保 compileSdkVersion 和 targetSdkVersion 至少为 24，因为 ARCore 最低支持 Android 7.0（API 级别 24）。 4. 设备兼容性检查 在运行 AR 应用之前，需要检查设备是否支持 ARCore。可以使用以下代码：

import com.google.ar.core.Session

fun isDeviceSupported(context: Context): Boolean {
    return try {
        Session(context).isSupported
    } catch (e: Exception) {
        false
    }
}

在应用启动时调用这个方法，如果设备不支持 ARCore，可以提示用户或者采取其他替代措施。

三、ARCore 基本功能实现

1. 创建 AR 会话 在 Android 应用中，首先要创建一个 ARCore 会话（Session）。在 Activity 或 Fragment 中，可以这样初始化：

class ArActivity : AppCompatActivity() {
    private lateinit var arSession: Session
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        arSession = Session(this)
        try {
            arSession.configure(Session.Configuration(this))
        } catch (e: Exception) {
            Log.e("ARCore", "Failed to configure AR session", e)
            finish()
        }
    }
}

2. 渲染场景 为了渲染 AR 场景，我们通常使用 OpenGL。首先，创建一个 GLSurfaceView 来作为渲染的载体。在 Activity 的布局文件中添加：

<android.opengl.GLSurfaceView
    android:id="@+id/gl_surface_view"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent" />

然后，在 Activity 中设置渲染器：

class ArActivity : AppCompatActivity() {
    private lateinit var glSurfaceView: GLSurfaceView
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_ar)
        glSurfaceView = findViewById(R.id.gl_surface_view)
        glSurfaceView.setEGLContextClientVersion(2)
        glSurfaceView.renderer = ArRenderer(this, arSession)
        glSurfaceView.renderMode = GLSurfaceView.RENDERMODE_CONTINUOUSLY
    }
}

这里的 ArRenderer 类实现了 GLSurfaceView.Renderer 接口，负责实际的渲染逻辑。 3. 平面检测 ARCore 可以检测环境中的平面，如地面、桌面等。在渲染器中，可以这样处理平面检测：

class ArRenderer(
    private val context: Context,
    private val session: Session
) : GLSurfaceView.Renderer {
    private lateinit var planeShaderProgram: ShaderProgram
    private val planes = mutableListOf<DetectedPlane>()
    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        planeShaderProgram = ShaderProgram(context, R.raw.plane_vertex_shader, R.raw.plane_fragment_shader)
    }
    override fun onSurfaceChanged(gl: GL10?, width: Int, height: Int) {
        GLES20.glViewport(0, 0, width, height)
    }
    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        session.setCameraTextureName(textureId)
        session.update()
        val frame = session.update()
        planes.clear()
        planes.addAll(frame.getDetectedPlanes(Plane.Type.HORIZONTAL_UPWARD_FACING))
        for (plane in planes) {
            val pose = plane.pose
            // 渲染平面
            planeShaderProgram.useProgram()
            // 设置模型矩阵等
            GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, plane.geometry.triangleCount, GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, 0)
        }
    }
}

这里的 ShaderProgram 类用于加载和管理 OpenGL 着色器，plane_vertex_shader 和 plane_fragment_shader 分别是顶点着色器和片段着色器的资源文件。顶点着色器示例（plane_vertex_shader.glsl）：

attribute vec4 a_Position;
uniform mat4 u_ModelViewProjection;
void main() {
    gl_Position = u_ModelViewProjection * a_Position;
}

片段着色器示例（plane_fragment_shader.glsl）：

precision mediump float;
void main() {
    gl_FragColor = vec4(0.0, 1.0, 0.0, 0.5);
}

4. 放置三维物体 要在检测到的平面上放置三维物体，首先需要加载三维模型。可以使用 OBJLoader 来加载 OBJ 格式的模型。假设我们有一个简单的立方体模型 cube.obj。

class CubeModel {
    private lateinit var vertexBuffer: FloatBuffer
    private lateinit var indexBuffer: ShortBuffer
    private val vertexCount: Int
    constructor(context: Context) {
        val inputStream = context.assets.open("cube.obj")
        val objLoader = OBJLoader()
        val obj = objLoader.load(inputStream)
        vertexCount = obj.vertexCount
        vertexBuffer = ByteBuffer.wrap(obj.vertices).order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer()
        indexBuffer = ByteBuffer.wrap(obj.indices).order(ByteOrder.nativeOrder()).asShortBuffer()
    }
    fun draw(shaderProgram: ShaderProgram) {
        shaderProgram.useProgram()
        // 设置顶点属性等
        GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, vertexCount, GLES20.GL_UNSIGNED_SHORT, indexBuffer)
    }
}

在渲染器中，当检测到平面时，可以在平面的中心位置放置立方体：

class ArRenderer(
    private val context: Context,
    private val session: Session
) : GLSurfaceView.Renderer {
    private lateinit var cubeModel: CubeModel
    override fun onSurfaceCreated(gl: GL10?, config: EGLConfig?) {
        cubeModel = CubeModel(context)
        // 其他初始化
    }
    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        // 其他代码
        for (plane in planes) {
            val pose = plane.pose
            if (plane.trackingState == TrackingState.TRACKING) {
                // 在平面中心放置立方体
                val cubePose = Pose.makeTranslation(pose.tx(), pose.ty(), pose.tz())
                // 设置立方体的模型矩阵
                cubeModel.draw(cubeShaderProgram)
            }
        }
    }
}

四、实现三维交互

1. 点击交互 为了实现点击交互，首先要获取触摸事件。在 Activity 中，可以重写 onTouchEvent 方法：

class ArActivity : AppCompatActivity() {
    override fun onTouchEvent(event: MotionEvent): Boolean {
        if (event.action == MotionEvent.ACTION_DOWN) {
            val frame = arSession.update()
            val hitResult = frame.hitTest(event.x, event.y)
            for (result in hitResult) {
                val trackable = result.trackable
                if (trackable is DetectedPlane && trackable.trackingState == TrackingState.TRACKING) {
                    // 在点击的平面位置放置物体
                    val pose = result.pose
                    // 执行放置物体的逻辑
                    return true
                }
            }
        }
        return super.onTouchEvent(event)
    }
}

2. 物体移动交互 假设我们想要实现点击物体后拖动它的功能。首先，需要判断点击是否命中物体。可以通过计算点击点与物体的距离来实现。在渲染器中，为每个物体添加一个 isSelected 标志：

class CubeModel {
    var isSelected = false
    // 其他代码
}

在 onTouchEvent 方法中，检测点击是否命中立方体：

class ArActivity : AppCompatActivity() {
    private val cubeModels = mutableListOf<CubeModel>()
    override fun onTouchEvent(event: MotionEvent): Boolean {
        if (event.action == MotionEvent.ACTION_DOWN) {
            val frame = arSession.update()
            val hitResult = frame.hitTest(event.x, event.y)
            for (result in hitResult) {
                val pose = result.pose
                for (cubeModel in cubeModels) {
                    // 计算点击点与立方体的距离
                    val distance = calculateDistance(pose, cubeModel.pose)
                    if (distance < 0.1) {
                        cubeModel.isSelected = true
                        return true
                    }
                }
            }
        } else if (event.action == MotionEvent.ACTION_MOVE) {
            if (cubeModels.any { it.isSelected }) {
                val frame = arSession.update()
                val hitResult = frame.hitTest(event.x, event.y)
                for (result in hitResult) {
                    val trackable = result.trackable
                    if (trackable is DetectedPlane && trackable.trackingState == TrackingState.TRACKING) {
                        val pose = result.pose
                        for (cubeModel in cubeModels) {
                            if (cubeModel.isSelected) {
                                cubeModel.pose = pose
                                return true
                            }
                        }
                    }
                }
            }
        } else if (event.action == MotionEvent.ACTION_UP) {
            cubeModels.forEach { it.isSelected = false }
        }
        return super.onTouchEvent(event)
    }
    private fun calculateDistance(pose1: Pose, pose2: Pose): Float {
        val dx = pose1.tx() - pose2.tx()
        val dy = pose1.ty() - pose2.ty()
        val dz = pose1.tz() - pose2.tz()
        return Math.sqrt((dx * dx + dy * dy + dz * dz).toDouble()).toFloat()
    }
}

在渲染器中，根据物体的 pose 进行渲染：

class ArRenderer(
    private val context: Context,
    private val session: Session
) : GLSurfaceView.Renderer {
    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        // 其他代码
        for (cubeModel in cubeModels) {
            val pose = cubeModel.pose
            // 设置模型矩阵
            cubeModel.draw(cubeShaderProgram)
        }
    }
}

3. 旋转交互 要实现物体的旋转交互，可以在触摸事件中根据手指的移动方向计算旋转角度。在 Activity 中添加变量来记录初始触摸位置和旋转角度：

class ArActivity : AppCompatActivity() {
    private var initialX = 0f
    private var initialY = 0f
    private var rotationAngleX = 0f
    private var rotationAngleY = 0f
    override fun onTouchEvent(event: MotionEvent): Boolean {
        if (event.action == MotionEvent.ACTION_DOWN) {
            initialX = event.x
            initialY = event.y
        } else if (event.action == MotionEvent.ACTION_MOVE) {
            if (cubeModels.any { it.isSelected }) {
                val dx = event.x - initialX
                val dy = event.y - initialY
                rotationAngleX += dx * 0.1f
                rotationAngleY += dy * 0.1f
                for (cubeModel in cubeModels) {
                    if (cubeModel.isSelected) {
                        // 更新物体的旋转矩阵
                        cubeModel.rotationMatrix = calculateRotationMatrix(rotationAngleX, rotationAngleY)
                    }
                }
            }
        } else if (event.action == MotionEvent.ACTION_UP) {
            rotationAngleX = 0f
            rotationAngleY = 0f
        }
        return super.onTouchEvent(event)
    }
    private fun calculateRotationMatrix(angleX: Float, angleY: Float): FloatArray {
        val matrix = FloatArray(16)
        Matrix.setRotateM(matrix, 0, angleX, 0f, 1f, 0f)
        Matrix.rotateM(matrix, 0, angleY, 1f, 0f, 0f)
        return matrix
    }
}

在渲染器中，根据旋转矩阵渲染物体：

class ArRenderer(
    private val context: Context,
    private val session: Session
) : GLSurfaceView.Renderer {
    override fun onDrawFrame(gl: GL10?) {
        // 其他代码
        for (cubeModel in cubeModels) {
            val rotationMatrix = cubeModel.rotationMatrix
            // 设置模型矩阵结合旋转矩阵
            cubeModel.draw(cubeShaderProgram)
        }
    }
}

五、优化与注意事项

1. 性能优化

• 减少渲染开销：尽量减少不必要的渲染对象，对于不可见的物体，不进行渲染。可以通过视锥体裁剪来判断物体是否在可视范围内。
• 优化模型：对三维模型进行优化，减少顶点和三角形数量。可以使用工具对模型进行简化。
• 合理使用纹理：避免使用过大的纹理，选择合适的纹理压缩格式，如ETC1、ASTC 等，以减少内存占用和加载时间。

2. 兼容性与稳定性

• 设备兼容性：虽然 ARCore 有一定的设备支持范围，但不同设备的性能和传感器精度可能不同。在开发过程中，要在多种设备上进行测试，确保应用的稳定性和兼容性。
• 异常处理：在使用 ARCore 过程中，可能会遇到各种异常，如 Session 配置失败、相机权限问题等。要对这些异常进行妥善处理，给用户提供友好的提示。

3. 用户体验优化

• 引导提示：对于初次使用 AR 应用的用户，提供清晰的引导提示，告诉用户如何操作，如如何放置物体、如何进行交互等。
• 反馈机制：在用户进行交互时，及时提供反馈，如点击成功、物体移动成功等，增强用户的交互感。

通过以上步骤和方法，你可以使用 Kotlin 和 ARCore 开发出具有丰富三维交互功能的增强现实应用。在实际开发中，还可以结合更多的 ARCore 功能，如光线估计、环境遮挡等，来进一步提升应用的真实感和趣味性。