ARCore中获取相对姿态:从相机坐标系到自定义参考系

ARCore中获取相对姿态:从相机坐标系到自定义参考系

本文详细介绍了如何在arcore应用中获取一个pose相对于另一个自定义pose的相对位置和方向,而非默认的相机坐标系。通过深入解析arcore的pose合成机制,特别是利用`inverse().compose()`方法,我们能够精确计算出目标pose在特定参考pose下的变换,这对于实现高级ar交互和对象锚定至关重要。文章提供了清晰的代码示例和原理说明,帮助开发者有效解决相对姿态计算的难题。

在ARCore开发中,我们经常需要处理空间中的对象姿态(Pose),它包含了位置(position)和方向(orientation)信息。ARCore提供的各种姿态,例如通过Frame.getLightEstimate().getPose()获取的光照姿态,或通过Face.getCenterPose()获取的人脸中心姿态,默认情况下都是相对于世界坐标系(通常由ARCore会话初始化时定义,并与设备的初始姿态相关)或相机坐标系来表示的。然而,在某些高级应用场景中,我们可能需要一个姿态相对于另一个特定姿态的变换,而不是直接相对于世界或相机。例如,当我们需要将一个虚拟对象精确地锚定到一个人脸的某个特定点,并使其随着人脸的相对移动而移动,就需要计算该点相对于人脸中心姿态的变换。

理解ARCore中的Pose

ARCore的Pose对象代表了三维空间中的一个刚体变换,由一个四元数(表示旋转)和一个三维向量(表示平移)构成。它定义了一个坐标系相对于另一个坐标系的变换。当ARCore返回一个Pose时,它通常表示的是该姿态所描述的局部坐标系相对于ARCore世界坐标系的变换。

挑战:获取相对姿态

假设我们有一个centerPose,例如人脸的中心姿态,以及一个neutralPose,它代表了我们希望作为参考基准的初始姿态。我们的目标是计算centerPose相对于neutralPose的变换。直观上,一些开发者可能会尝试使用centerPose.compose(neutralPose.inverse())这样的组合方式,认为这是将centerPose“转换”到neutralPose的逆变换中。然而,这种方法往往无法得到预期的结果,因为姿态的合成(compose)操作具有特定的数学含义,它代表了两个变换的顺序应用。

poseA.compose(poseB)的含义是:首先应用poseA的变换,然后在这个新的局部坐标系中应用poseB的变换。这等同于将poseB的变换矩阵乘以poseA的变换矩阵。因此,centerPose.compose(neutralPose.inverse())实际上是计算centerPose所描述的坐标系,然后在这个坐标系中应用neutralPose的逆变换。这并不是我们想要的centerPose相对于neutralPose的相对变换。

正确的解决方案:逆向合成

要正确获取centerPose相对于neutralPose的相对变换,我们需要采用以下方法:

// 假设 neutralPose 是我们的参考姿态,centerPose 是我们想要计算相对姿态的目标姿态Pose relativePose = neutralPose.inverse().compose(centerPose);

原理分析:

neutralPose.inverse(): 这个操作计算的是neutralPose的逆变换。如果neutralPose表示将世界坐标系中的点变换到neutralPose所定义的局部坐标系中,那么neutralPose.inverse()则表示将neutralPose所定义的局部坐标系中的点变换回世界坐标系。.compose(centerPose): 在neutralPose.inverse()的结果上合成centerPose。这意味着我们首先应用neutralPose的逆变换(将世界坐标系对齐到neutralPose的局部坐标系),然后在这个新的对齐后的坐标系中应用centerPose的变换。

简而言之,neutralPose.inverse().compose(centerPose)可以理解为:

将整个世界坐标系“移动”和“旋转”,使得neutralPose成为新的原点和方向。在这个新的坐标系中,centerPose的变换就直接表示了它相对于neutralPose的位置和方向。

示例代码:

假设我们正在开发一个AR应用,需要跟踪人脸的相对头部姿态变化。我们可以在检测到人脸时,首先捕获一个“中立”姿态作为参考。

import com.google.ar.core.Pose;import com.google.ar.core.Trackable;import com.google.ar.core.AugmentedFace; // 假设我们正在处理AugmentedFacepublic class ArPoseCalculator {    private Pose neutralPose = null; // 用于存储初始的中立姿态    /**     * 初始化中立姿态。通常在检测到第一个有效的参考点时调用。     * @param initialFacePose 初始的人脸中心姿态。     */    public void setNeutralPose(Pose initialFacePose) {        if (neutralPose == null) {            neutralPose = initialFacePose;            System.out.println("Neutral Pose initialized.");        }    }    /**     * 计算当前人脸姿态相对于中立姿态的变换。     * @param currentFacePose 当前人脸的中心姿态。     * @return 当前人脸姿态相对于中立姿态的Pose,如果中立姿态未设置则返回null。     */    public Pose getRelativeFacePose(Pose currentFacePose) {        if (neutralPose == null) {            System.err.println("Neutral Pose has not been set. Cannot calculate relative pose.");            return null;        }        // 正确的相对姿态计算方法        Pose relativePose = neutralPose.inverse().compose(currentFacePose);        return relativePose;    }    public static void main(String[] args) {        // 模拟ARCore中的Pose数据        // 假设neutralPose是人脸在初始时刻的姿态        // (x, y, z) = (0, 0, -1), 四元数 (0, 0, 0, 1) 表示无旋转        Pose initialPose = new Pose(new float[]{0f, 0f, -1f}, new float[]{0f, 0f, 0f, 1f});        ArPoseCalculator calculator = new ArPoseCalculator();        calculator.setNeutralPose(initialPose);        // 模拟人脸向右平移0.1米,并绕Y轴旋转15度(简化为四元数)        // 实际应用中,这些Pose会从ARCore的API中获取        float[] currentTranslation = new float[]{0.1f, 0f, -1.05f}; // 稍微向前并向右        // 简化旋转,实际需要更复杂的四元数计算        // 假设绕Y轴旋转15度,约等于 (0, sin(7.5), 0, cos(7.5))        // 这里为了演示,我们假设它是一个小的旋转,或直接使用一个示例四元数        // 实际中可能通过 Quaternion.fromAxisAngle(0,1,0, Math.toRadians(15)) 获得        float[] currentRotation = new float[]{0f, 0.1305f, 0f, 0.9914f}; // 示例四元数,代表小幅Y轴旋转        Pose currentFacePose = new Pose(currentTranslation, currentRotation);        Pose relativePose = calculator.getRelativeFacePose(currentFacePose);        if (relativePose != null) {            System.out.println("Relative Pose Translation: " + java.util.Arrays.toString(relativePose.getTranslation()));            System.out.println("Relative Pose Rotation (Quaternion): " + java.util.Arrays.toString(relativePose.getRotationQuaternion()));            // 预期结果:平移x轴方向约0.1,z轴方向约-0.05,并有相应的旋转            // 初始姿态 (0,0,-1)            // 当前姿态 (0.1,0,-1.05)            // 相对姿态的平移应为 (0.1, 0, -0.05)            // 相对姿态的旋转应为 currentRotation        }    }}

注意事项与最佳实践

neutralPose的稳定性:选择一个稳定的neutralPose至关重要。如果neutralPose本身不稳定(例如,它是一个快速移动或抖动的对象),那么所有基于它的相对姿态都会继承这种不稳定性。对于人脸跟踪,通常在用户头部姿态相对稳定时捕获neutralPose。Pose与Anchor:Pose代表一个瞬时变换,而Anchor则是一个固定在世界中的点,ARCore会尝试持续跟踪并更新其姿态,以使其尽可能保持在物理世界的固定位置。如果你的neutralPose需要长期保持稳定且与物理世界相关,可以考虑将其转换为Anchor,并使用Anchor.getPose()来获取更稳定的参考姿态。坐标系理解:始终牢记ARCore中的坐标系约定。通常,+Y轴向上,+X轴向右,+Z轴指向用户前方。理解这些约定有助于正确解释Pose的平移和旋转分量。性能考虑:inverse()和compose()操作涉及矩阵乘法,虽然通常性能开销不大,但在每帧大量计算相对姿态时,仍需注意其对性能的影响。

总结

在ARCore开发中,计算一个Pose相对于另一个Pose的相对变换是一个常见的需求。通过理解Pose的inverse()和compose()方法的正确组合方式,即neutralPose.inverse().compose(centerPose),我们可以精确地实现这一目标。这种方法不仅解决了从相机坐标系切换到自定义参考系的难题,也为实现更复杂、更具交互性的AR体验奠定了基础。正确应用这一技术,能够显著提升AR应用的鲁棒性和用户体验。

以上就是ARCore中获取相对姿态:从相机坐标系到自定义参考系的详细内容,更多请关注创想鸟其它相关文章!

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