Chapter 5: Detecting Surfaces

前言

之前看過一段影片，上面說ARKit裡面最困難的東西其實就是平面的偵測，尤其是垂直平面的偵測，ARKit剛出來還只能侷限在水平的平面，一直到2.0才支援垂直面，這章就要學習如何透過ARKit偵測平面，並透過ray casting的技巧將focus node置放在偵測平面上的合適位置。

大綱

• Getting started

• Adding game states

  • Define game states

  • Adding game state message

• Anchors

• Detecting surfaces

• Creating new planes

  • Creating material for the plane

  • Creating the plane node

  • Handling new plane anchors

• Updating planes

  • Getting the plane geometry

  • Update the plane position

  • Handling plane anchor updates

• Creating a focus node

  • Ray Casting

  • Creating the focus point

  • Handling orientation changes

  • Updating the focus node

• Challenge

Getting started

在GameUtil的資料夾中有些已經寫好的Util function, 這些function都是很常被使用，例如radian和degree的轉換，這些常常用來處理rotation和angles。SCNVecto3的向量運算擴展等等。

Adding game state

這個跟AR沒太大關係，只是這個骰子app的一些遊戲邏輯。

• detectSurface: 先讓ARKit偵測真實環境的狀態，只要順利偵測到一個平面，就可以利用start button開始進行遊戲。

• pointToSurface: 玩家必須指定一個平面，並讓focus cursor呈現在指定平面上。

• swipeToPlay: 玩家可以開始丟骰子。

Anchors

Anchor是錨，用來定位船在海中的位置。那ARAnchor表示就是3D物件在真實世界的位置。

例如ARPlaneAnchor是一個特殊的anchor, 用來定位一個3D平面的資訊，包括位置，方向，中心點..等。

Detecting surfaces

要如何讓ARKit偵測真實世界中的平面，就是在ARConfiguration中新增平面偵測。

config.planeDetection = .horizontal

Creating new planes

透過定位真實世界的平面(取得對應ARPlaneAnchor)，利用anchor的資訊來建立虛擬的3D平面在真實的平面上。

  func createARPlaneNode(planeAnchor: ARPlaneAnchor, color: UIColor) -> SCNNode {
    // 根據anchor資訊建立一個平面
    let planeGeometry = SCNPlane(width: CGFloat(planeAnchor.extent.x), height: CGFloat(planeAnchor.extent.z))

    // 替此平面建立material
    let planeMaterial = SCNMaterial()
    planeMaterial.diffuse.contents = "PokerDice.scnassets/Textures/Surface_DIFFUSE.png"
    planeGeometry.materials = [planeMaterial]

    // 建立plane node
    let planeNode = SCNNode(geometry: planeGeometry)
    planeNode.position = SCNVector3Make(planeAnchor.center.x, 0, planeAnchor.center.z)
    // SCNPlane預設是upright, 所以要進行90度翻轉
    planeNode.transform = SCNMatrix4MakeRotation(-Float.pi / 2, 1, 0, 0)

    return planeNode
  }

 // 利用deleage來取得新偵測到的anchor
  func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
    guard let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor else { return }

    // Handling new plane anchors
    DispatchQueue.main.async {
        let planeNode = self.createARPlaneNode(planeAnchor: planeAnchor, color: UIColor.yellow.withAlphaComponent(0.5))
        node.addChildNode(planeNode)
    }
  }

Updating planes

建立好新的plane時，為何還需要更新呢？當使用者位置改變，原本偵測到anchor也會更新其內容，對應到新的使用者位置，此時，原本建好3D plane, 也應該要隨著anchor內容做更新，讓平面可以隨著使用者位置，改變角度或方向之類。

 func updateARPlaneNode(planeNode: SCNNode, planeAnchor: ARPlaneAnchor) {
    // Getting the plane geometry
    let planeGeometry = planeNode.geometry as! SCNPlane
    planeGeometry.width = CGFloat(planeAnchor.extent.x)
    planeGeometry.height = CGFloat(planeAnchor.extent.z)

    // Updating the plane position
    planeNode.position = SCNVector3Make(planeAnchor.center.x, 0, planeAnchor.center.z)
  }

func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didUpdate node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
    guard let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor else { return }

    // Handling plane anchor updates
    DispatchQueue.main.async {
        self.updateARPlaneNode(planeNode: node.childNodes[0], planeAnchor: planeAnchor)
    }
  }

Creating a focus node

在這裡要提到一個很重要的觀念就是Ray casting。就是從手機螢幕的中心位置(focus point)透射出一個垂直射線然後嘗試跟虛擬場景找到焦點。

• sceneView.hitTest() 就是用來進行ray cast的重要function。

  • .existingPlaneUsingExtent: specifies that you’re only looking for the detected planes based on their extents。

  • worldTransform: 是一個matrix，包含了position, orientation和Scaling的相關資訊。

    • 其中position是這個transform matrix的第三行。

var focusPoint: CGPoint!

// 螢幕中心點偏下
focusPoint = CGPoint(x: view.center.x, y: view.center.y + view.center.y * 0.25)

// 更新focus node
  func updateFocusNode() {
    // ray cast
    let results = self.sceneView.hitTest(self.focusPoint, types: [.existingPlaneUsingExtent])

    if results.count == 1 {
        if let match = results.first {
            let t = match.worldTransform
            self.focusNode.position = SCNVector3( x: t.columns.3.x,
                                                  y: t.columns.3.y,
                                                  z: t.columns.3.z)
            self.gameState = .swipeToPlay
        }
    } else {
        self.gameState = .swipeToPlay
    }
  }

Challenge

已經學會如何添加跟更新平面的方法，但有時會發現多個被偵測到的不同平面有時會莫名被併成一塊，要處理這樣的方式。就是要將已經添加但沒有用到的平面進行刪除。

要如何刪除已經添加的平面

  func removeARPlaneNode(node: SCNNode){
    for childNode in node.childNodes {
        childNode.removeFromParentNode()
    }
   }

  func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didRemove node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
    guard anchor is ARPlaneAnchor else { return }

    DispatchQueue.main.async {
        self.removeARPlaneNode(node: node)
    }
  }