作者：李超 前“跟誰學”直播研發高級經理

其實關注 ARCore也蠻久了，但一直沒有騰出時間來寫個總結。正好應朋友之約，我們今天就來好好聊一聊 ARCore.

ARCore的歷史以及與蘋果ARKit的競爭我就不多講了，在網上可以搜到一堆信息。但網上深入講解ARCore的確實不多。

本文主要有兩個目的，一是向大家介紹一下ARCore的基本概念，了解這些概念對于大家后續深入的學習 ARCore具有關鍵的作用。二是深入剖析一下 ARCore的工作機理，這樣可以讓大家更容易理解 ARCore。

另外，ARCore與ARKit的基本概念很接近，只要了解了其中的一個，基本上也就掌握了另一個。

ARCore的基本概念

ARCore工作時要做兩件事兒，首先跟蹤手機的運動軌跡，然后構建出它對現實世界的理解。

ARCore的運動跟蹤技術是通過 Camera 標識出特征點，并隨著時間的推移跟蹤這些特征點是如何移動的。通過這些特征點的運動數據及從手機慣性傳感器讀到的信息，ARCore計算出手機移動的位置和方向，并稱其為姿態。

除了識別出這些特征點外，ARCore還能檢測出像地板、桌面等平面信息以及在某個地方的光線強度。這些信息使得ARCore能夠構建出自己理解的真實世界。構建出這樣一個模型后，可以在上面放置一些虛擬內容了。

ARCore是如何做到的呢？它使用三項關鍵技術將虛擬內容與真實世界整合到一起，這三種技術分別是：

• 運動跟蹤
• 環境理解
• 光線評估

運動跟蹤

ARCore 可以在手機移動的過程中知道，相對于真實世界手機所在的位置和方向（姿勢）。

當手機在真實世界移動時，ARCore使用稱為并發測距和映射的過程來了解手機與周圍世界的相對位置。

ARCore能檢測到Camera捕獲的圖像在視覺上的不同特征，稱為特征點。它使用這些點計算其位置變化。隨著時間的推移，通過視覺信息與來自IMU設備的慣性測量，ARCore就可以估算出Camera相對于真實世界的姿態（位置和方向）。

通過將渲染的3D虛擬內容與物理Camera的姿勢對齊，開發人員就可以從正確的角度渲染虛擬內容。 再通過將虛擬物品的圖像渲染到從Camera獲得的圖像之上，這樣看起來就好像虛擬內容是真實世界的一部分似的。

環境理解

ARCore可以讓手機檢測出一塊水平面的位置和大小。如地面、桌子、書架等等。這樣就可以將虛擬物體放置到檢測出的水平面上了。

它是如何做到的呢？ARCore通過檢測特征點和平面不斷改善對現實世界環境的理解。

ARCore會查找常見水平表面（如桌面）上的特征點集群，除此之外，ARCore還可以確定每個平面的邊界，并將以上信息提供給您的應用程序。 這樣，開發人員就可以使用這些信息，并將虛擬物體放置在平坦的表面上了。

由于ARCore使用特征點檢測平面，因此可能無法正確檢測到沒有紋理的平坦表面（如白色桌面）。

光線評估

ARCore 可以讓手機估算出當前環境的光線強度，這樣可以讓虛擬物理顯示在真實環境中更加逼真。

用戶交互

ARCore使用 hit testing（命中測試) 獲取與手機屏幕相對應的(x,y)坐標（如通過點擊屏幕等交互方式），將其投射到 Camera 的3D坐標系中，并返回與命中點射線相交的所有平面和特征點，以及在世界坐標系中該交叉點的姿態。這樣就能實現用戶與ARCore環境中的對象交互了。

錨點與跟蹤

ARCore可以改變對自身位置和環境的理解來調整姿態。如我們要在ARCore環境中放置一個虛擬對象，首先要確定一個錨點，以確保ARCore能隨著時間的推移不斷跟蹤對象的位置。通常情況下，會根據命中測試返回的姿勢創建一個錨點。

姿勢改變這項技術特別關鍵，只有得到姿勢，ARCore才可以隨著時間的推移不斷更新環境對象（像飛機和特征點）的位置。ARCore將平面和點認為是可跟蹤的特殊類型的對象。您可以將虛擬對象錨定到這些可追蹤的對象上，以確保在設備移動時，虛擬對象和可跟蹤對象之間保持穩定的關系。這就好像您在桌面上放置一個虛擬的花瓶，如果ARCore稍后調整與桌面相關的姿勢，那么花瓶仍然會保持在桌面上。

ARCore 核心類介紹

Session

com.google.ar.core.Session類，Session管理AR系統狀態并處理Session生命周期。 該類是ARCore API的主要入口點。 該類允許用戶創建Session，配置Session，啟動/停止Session，最重要的是接收視頻幀，以允許訪問Camera圖像和設備姿勢。

Config

com.google.ar.core.Config類，用于保存Session的設置。

Frame

com.google.ar.core.Frame類，該類通過調用update()方法，獲取狀態信息并更新AR系統。

HitResult

com.google.ar.core.HitResult類，該類定義了命中點射線與估算的真實幾何世界之間的交集。

Point

com.google.ar.core.Point類，它代表ARCore正在跟蹤的空間點。 它是創建錨點（調用createAnchor方法）時，或者進行命中檢測（調用hitTest方法）時，返回的結果。

PointCloud

com.google.ar.core.PointCloud類，它包含一組觀察到的3D點和信心值。

Plane

com.google.ar.core.Plane類，描述了現實世界平面表面的最新信息。

Anchor

com.google.ar.core.Anchor類，描述了現實世界中的固定位置和方向。 為了保持物理空間的固定位置，這個位置的數字描述信息將隨著ARCore對空間的理解的不斷改進而更新。

Pose

com.google.ar.core.Pose類, 姿勢表示從一個坐標空間到另一個坐標空間位置不變的轉換。 在所有的ARCore API里，姿勢總是描述從對象本地坐標空間到世界坐標空間的轉換。

隨著ARCore對環境的了解不斷變化，它將調整坐標系模式以便與真實世界保持一致。 這時，Camera和錨點的位置（坐標）可能會發生明顯的變化，以便它們所代表的物體處理恰當的位置。

這意味著，每一幀圖像都應被認為是在一個完全獨立的世界坐標空間中。錨點和Camera的坐標不應該在渲染幀之外的地方使用，如果需考慮到某個位置超出單個渲染框架的范圍，則應該創建一個錨點或者應該使用相對于附近現有錨點的位置。

ImageMetadata

com.google.ar.core.ImageMetadata類，提供了對Camera圖像捕捉結果的元數據的訪問。

LightEstimate

com.google.ar.core.LightEstimate保存關于真實場景光照的估計信息。 通過 getLightEstimate()得到。

實例分析

Google發布的 ARCore SDK 中包括了一些例子程序，有了上面的基本知識后，我們就很容易理解他所寫的 Demo 程序的流程了。

創建 Session 和 Conig

在 Activity中的 onCreate 方法中創建 Session 和 Config是個不錯的地方。

mSession = new Session(/*context=*/this);mDefaultConfig = Config.createDefaultConfig(); if (!mSession.isSupported(mDefaultConfig)) {Toast.makeText(this, "This device does not support AR", Toast.LENGTH_LONG).show();finish();return; }

• Session： 是ARCore的管理類，它非常重要。ARCore的打開，關閉，視頻幀的獲取等都是通過它來管理的。
• Config：存放一些配置信息，如平面的查找模式，光照模式等信息都是記錄在該類中。目前該類還比較簡單，里邊沒存多少東西。
• isSupported：該方法主要是對 SDK的版本及機型做控制。目前官方只支持幾款Google和三星的機子做測試。其它機型還都不支持ARCore，當然有一些機型通過破解后的SDK是可以使用 ARCore的。該方法中的 Config 參數沒有用到。

創建 GLSurfaceView 用于AR展示

在 Google 提供的Demo中，AR的展示部分使用的是 GLSurfaceView。做視頻開發的同學都清楚，Android 可以使用三種View進行視頻渲染。分別是：

• SurfaceView
• GLSurfaceView
• TextureView

其中，SurfaceView最靈活，效率也最高，但使用起來比較煩鎖。而GLSurfaceView相對 SurfaceView就是簡單很多，只需要實現它的 Render 接口即可。而 TextureView使用最簡單，很多工作都由 Android 的窗口管理器幫你做了，但靈活性相對較差。

為了渲染的高效，Google在Demo中大量使用了OpenGL技術。由于OpenGL是圖像處理非常大的一個領域，無法通過一兩篇文章講解清楚，同時也不是我們本文的重點，所以我們這里不對它做詳細介紹，有興趣的同學可以到網上自行學習。

mSurfaceView = (GLSurfaceView) findViewById(R.id.surfaceview); ... mSurfaceView.setPreserveEGLContextOnPause(true); mSurfaceView.setEGLContextClientVersion(2); mSurfaceView.setEGLConfigChooser(8, 8, 8, 8, 16, 0); // Alpha used for plane blending. mSurfaceView.setRenderer(this); mSurfaceView.setRenderMode(GLSurfaceView.RENDERMODE_CONTINUOUSLY);

該段代碼首先通過資源文件創建一個GLSurfaceView對象，然后將 GLSurfaceView 與 EGL 上下文關聯。并將Activity作為GLSurfaceView的回調對象（也就是說該Activity要實現 GLSurfaceView.Renderer中定義的接口，如onSurfaceCreated、onSurfaceChanged、onDrawFrame等），最后設置 mSurfaceView 的渲染模式為 GLSurfaceView.RENDERMODE_CONTINUOUSLY，即對 GLSurfaceView 持續不斷的渲染。

創建各種線程

要理解本節內容，首先大家要知道AR的詳細工作原理是怎樣的。我在這里再向大家做個簡要的說明。

背景展示

用過AR的人都知道，AR是將一些虛擬物品放到真實的場景中。那么這個真實的場景從哪里來呢？當然是從手機的 Camera上獲取。

我們把從 Camera中獲取的視頻當作 AR的背景。其實，AR 就是將虛擬物品放到視頻上，只不過不是簡單的放置，而是需要經過大量的計算，找到視頻中的平面位置再放置。

而Android中視頻的采集相對比較簡單，像直播系統，照像機都要使用該技術。

平臺檢測

上面我們已經說了，AR就是實時視頻+虛擬物品。但虛擬物不能簡單的放到視頻上，而是先對視頻中的每一幀進行檢測，找到視頻中的平面，確定好位置后，再將虛擬物品放置上去。這樣才算是AR呀：）

點云

上面我們知道了，AR=實時視頻+平面+虛擬物品。除此之外，它還應該能對虛擬物品進行跟蹤，也就是可以在不同的角度觀察同一個物品，并得出不同的姿態，所以就有了“點云” 技術。那什么是點云呢？顧名思義，形象的說就是一堆點，這些的形狀有點像云。點云中的每個點都是一個特征點，它是通過Camera獲得的。

放置虛擬物品

找到了平面，有了跟蹤手段，我們就可以將準備好的虛擬物品放置到平臺上，現在才是真正的AR哈。

好，知道了這些基本原理后，我們來看看Google Demo是如何做的呢？

創建線程

對于上面的每一點，Demo都啟動了一個線程，代碼如下：

...// Create the texture and pass it to ARCore session to be filled during update(). mBackgroundRenderer.createOnGlThread(/*context=*/this); mSession.setCameraTextureName(mBackgroundRenderer.getTextureId());// Prepare the other rendering objects. try {mVirtualObject.createOnGlThread(/*context=*/this, "andy.obj", "andy.png");mVirtualObject.setMaterialProperties(0.0f, 3.5f, 1.0f, 6.0f);... } catch (IOException e) {Log.e(TAG, "Failed to read obj file"); } try {mPlaneRenderer.createOnGlThread(/*context=*/this, "trigrid.png"); } catch (IOException e) {Log.e(TAG, "Failed to read plane texture"); } mPointCloud.createOnGlThread(/*context=*/this);...

上面的代碼中首先創建了一個背景線程，用來將從Camera中獲取的視頻渲染到屏幕上當背景。數據是從哪里來的呢？就是通過 Session.update 獲取 Camera 數據，再通過紋理交給背景線程。

對紋理沒有概念的同學可以把它想像成一塊內存空間。

然后啟動虛擬物品線程，用于繪制虛擬物品，及發生角度變化時，更新虛擬物別的姿勢。緊接著創建平面線程來繪制平面。最后啟動點云線程繪制特征點。

到此，各種線程就創建完畢了。下面我們來說一下如何渲染。

命中檢測與渲染

命中檢測

當我們要向背景繪制虛擬物品時，首先要進行命中檢測。代碼如下：

MotionEvent tap = mQueuedSingleTaps.poll(); if (tap != null && frame.getTrackingState() == TrackingState.TRACKING) {for (HitResult hit : frame.hitTest(tap)) {// Check if any plane was hit, and if it was hit inside the plane polygon.if (hit instanceof PlaneHitResult && ((PlaneHitResult) hit).isHitInPolygon()) {// Cap the number of objects created. This avoids overloading both the// rendering system and ARCore.if (mTouches.size() >= 16) {mSession.removeAnchors(Arrays.asList(mTouches.get(0).getAnchor()));mTouches.remove(0);}// Adding an Anchor tells ARCore that it should track this position in// space. This anchor will be used in PlaneAttachment to place the 3d model// in the correct position relative both to the world and to the plane.mTouches.add(new PlaneAttachment(((PlaneHitResult) hit).getPlane(),mSession.addAnchor(hit.getHitPose())));// Hits are sorted by depth. Consider only closest hit on a plane.break;}} }

在例子中，它查看是否有點擊事件，且圖像處理于跟蹤狀態？如果是，就對其進行命中檢測，看是否可以找到一個平面，如果找到就創建一個錨點并將其與該平臺綁定起來。

渲染背景

// Draw background. mBackgroundRenderer.draw(frame);

通過上面的代碼就可以將紋理中的內容推給 EGL，上面創建的渲染線程從 EGL 上下文中獲取數據，最終將視頻渲染到屏幕上。

繪制點云

mPointCloud.update(frame.getPointCloud()); mPointCloud.draw(frame.getPointCloudPose(), viewmtx, projmtx);

同理，通過上面的代碼，就可以將數據傳給點云線程進行點云的繪制。

繪制平面

// Visualize planes. mPlaneRenderer.drawPlanes(mSession.getAllPlanes(), frame.getPose(), projmtx);

通過上面代碼將數據傳給平面線程進行平面的繪制。

繪制虛擬物品

for (PlaneAttachment planeAttachment : mTouches) {if (!planeAttachment.isTracking()) {continue;}// Get the current combined pose of an Anchor and Plane in world space. The Anchor// and Plane poses are updated during calls to session.update() as ARCore refines// its estimate of the world.planeAttachment.getPose().toMatrix(mAnchorMatrix, 0);// Update and draw the model and its shadow.mVirtualObject.updateModelMatrix(mAnchorMatrix, scaleFactor);mVirtualObjectShadow.updateModelMatrix(mAnchorMatrix, scaleFactor); }

最后，遍歷所有的錨點，在每個錨點上繪制虛擬物品。

至此，我們對ARCore的分析就告一段落了。

小結

ARCore相對于初學者來說還是有不少難度的。因為里面有很多新概念需要大家消化吸收。

另一方面，ARCore目前只有幾款機型可能做測試，而這幾款機型在國內用的人不多，所以對于大多數人來說沒法做實驗，這也增加了學習的難度。

除了以上兩點外，ARCore中大量使用了 OpenGL的相關知識。而OpenGL又是一門很深的學問，所以學習的難度更加陡峭了。

通過以上三點，可以說目前學習ARCore的門檻相較于蘋果的ARKit要難不少。

希望本文能對您有所幫助。

參考

ARCore github

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其實，AR在直播場景下已經有很多應用，比如在一些直播中關注可以往主播臉上的墨鏡或其它AR動畫配飾。

至此，我們已經分享過了ARKit與ARCore的基礎知識，我們將在后續進一步分享基于ARKit、ARCore與直播結合的實踐案例。歡迎持續關注！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入浅出，ARCore开发原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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