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AugmentedFace public 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。
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