本文详细介绍了在arcore开发中，如何正确计算一个ar pose相对于另一个指定参考pose的相对变换。通过解释arcore姿态合成的数学原理，纠正了常见的错误尝试，并提供了正确的代码示例 neutralpose.inverse().compose(centerpose)，帮助开发者准确获取场景中物体相对于特定基准点的相对位置和方向，从而实现更灵活的ar体验。
在ARCore应用开发中，我们经常需要获取场景中各种实体（如ARFace、Anchor等）的姿态（Pose）。ARCore默认提供的姿态通常是相对于设备的相机坐标系而言的。然而，在某些高级交互场景中，我们可能需要计算一个物体相对于另一个特定基准点（即一个“中立”或“原点”姿态）的相对姿态。例如，我们可能希望跟踪用户头部相对于其初始位置的旋转和位移，而不是相对于相机。
理解ARCore中的姿态（Pose）
ARCore的 Pose 对象表示一个三维空间中的位置和方向。它由一个三维平移向量（x, y, z）和一个四元数旋转（qx, qy, qz, qw）组成。
两个关键的 Pose 操作是：
- compose(Pose other): 返回一个新的姿态，表示先应用当前姿态，再应用 other 姿态。可以理解为将 other 姿态转换到当前姿态的局部坐标系中。
- inverse(): 返回当前姿态的逆变换。如果一个姿态将点从坐标系A转换到坐标系B，那么它的逆姿态将点从坐标系B转换回坐标系A。
错误的尝试与分析
开发者在尝试计算相对姿态时，常会遇到以下直观但错误的做法：
Pose centerPose = face.getCenterPose(); // 当前姿态，相机相对
if (neutralPose == null) {
neutralPose = centerPose; // 设定初始中立姿态
}
// 尝试计算相对姿态
Pose relativePoseAttempt = centerPose.compose(neutralPose.inverse());这种方法的问题在于，centerPose.compose(neutralPose.inverse()) 的含义是：首先将点从世界坐标系转换到 centerPose 的局部坐标系，然后在这个局部坐标系中，再应用 neutralPose 的逆变换。这并不是我们想要的“centerPose 相对于 neutralPose”的变换。
具体来说，当头部旋转时，centerPose 会发生变化。如果 neutralPose.inverse() 保持不变，那么 centerPose 的变化会通过 compose 操作被放大或扭曲，导致物体出现不自然的位移，而不是纯粹的相对旋转。
正确的相对姿态计算方法
要正确计算 centerPose 相对于 neutralPose 的姿态，我们需要将 centerPose 从世界坐标系转换到 neutralPose 的局部坐标系。这可以通过以下步骤实现：
- 将世界坐标系中的点转换到 neutralPose 的局部坐标系： 这需要应用 neutralPose 的逆变换。
- 在这个 neutralPose 的局部坐标系中，找到 centerPose 的位置和方向： 此时，我们已经“站在”了 neutralPose 的位置和方向上，现在需要计算 centerPose 相对于这个新原点的变换。
根据 ARCore Pose 的 compose 方法定义，poseA.compose(poseB) 实际上是计算从 poseA 局部坐标系到 poseB 局部坐标系的变换。如果我们想得到从 neutralPose 到 centerPose 的变换，我们需要将 centerPose 视为在 neutralPose 的局部坐标系中进行变换的结果。
因此，正确的公式是：
Pose relativePose = neutralPose.inverse().compose(centerPose);
原理阐释：
- neutralPose.inverse(): 这是一个从世界坐标系到 neutralPose 局部坐标系的变换。它将任何世界坐标系中的点或姿态转换到以 neutralPose 为原点的坐标系中。
- .compose(centerPose): 在 neutralPose 的局部坐标系中，应用 centerPose 的变换。换句话说，centerPose 现在被看作是相对于 neutralPose 的一个变换。
这样，relativePose 就准确地表示了 centerPose 相对于 neutralPose 的位置和方向。
示例代码
以下是实现这一逻辑的完整代码片段：
import com.google.ar.core.Pose;
import com.google.ar.core.Trackable;
import com.google.ar.core.TrackingState;
import com.google.ar.core.AugmentedFace; // 假设是处理AugmentedFace的场景
public class ArPoseRelativeCalculator {
private Pose neutralPose = null; // 用于存储初始的中立姿态
/**
* 初始化中立姿态。通常在第一次获取到有效姿态时调用。
* @param initialPose 初始的中立姿态，通常是相机相对姿态。
*/
public void setNeutralPose(Pose initialPose) {
if (initialPose != null) {
this.neutralPose = initialPose;
System.out.println("Neutral Pose set: " + initialPose);
}
}
/**
* 计算当前姿态相对于已设置的中立姿态的相对姿态。
* @param currentPose 当前的世界坐标系姿态（例如，来自AugmentedFace.getCenterPose()）。
* @return 相对于中立姿态的相对姿态，如果中立姿态未设置则返回null。
*/
public Pose getRelativePose(Pose currentPose) {
if (neutralPose == null) {
System.err.println("Error: Neutral Pose not set. Cannot calculate relative pose.");
return null;
}
if (currentPose == null) {
System.err.println("Error: Current Pose is null.");
return null;
}
// 正确的相对姿态计算方法
Pose relativePose = neutralPose.inverse().compose(currentPose);
return relativePose;
}
// 假设在ARCore帧更新循环中使用
public void onUpdate(AugmentedFace face) {
if (face.getTrackingState() == TrackingState.TRACKING) {
Pose centerPose = face.getCenterPose();
// 如果中立姿态尚未设置，则将其设置为当前姿态
if (neutralPose == null) {
setNeutralPose(centerPose);
}
// 计算当前面部姿态相对于中立姿态的变换
Pose relativeFacePose = getRelativePose(centerPose);
if (relativeFacePose != null) {
// 现在可以使用 relativeFacePose 来渲染相对于中立姿态的AR内容
// 例如，根据 relativeFacePose 的平移和旋转来更新模型矩阵
System.out.println("Relative Face Pose: " + relativeFacePose);
}
}
}
// 可以在需要时重置中立姿态
public void resetNeutralPose() {
this.neutralPose = null;
System.out.println("Neutral Pose reset.");
}
// 示例用法（非ARCore环境，仅为说明逻辑）
public static void main(String[] args) {
ArPoseRelativeCalculator calculator = new ArPoseRelativeCalculator();
// 模拟一个初始中立姿态 (例如，位于原点，无旋转)
Pose initialNeutral = Pose.makeTranslation(0f, 0f, 0f);
calculator.setNeutralPose(initialNeutral);
// 模拟一个当前姿态 (例如，向右移动0.5米)
Pose currentPose1 = Pose.makeTranslation(0.5f, 0f, 0f);
Pose relative1 = calculator.getRelativePose(currentPose1);
// 预期 relative1 也是 (0.5, 0, 0) - 因为中立姿态在原点
System.out.println("Relative Pose 1 (expected 0.5,0,0): " + relative1);
// 模拟一个带有旋转的初始中立姿态 (例如，绕Y轴旋转90度)
Pose rotatedNeutral = Pose.makeRotation(0f, 0.707f, 0f, 0.707f); // 绕Y轴旋转90度
calculator.setNeutralPose(rotatedNeutral);
// 模拟一个当前姿态 (例如，世界坐标系中向X轴正方向移动0.5米)
Pose currentPose2 = Pose.makeTranslation(0.5f, 0f, 0f);
Pose relative2 = calculator.getRelativePose(currentPose2);
// 预期 relative2 是 (0, 0, -0.5) - 因为中立姿态旋转了，X轴在它的局部坐标系中变成了-Z轴
System.out.println("Relative Pose 2 (expected 0,0,-0.5): " + relative2);
}
}注意事项与总结
- 初始化 neutralPose： 确保在第一次获取到有效的 centerPose 后立即设置 neutralPose。如果 neutralPose 未初始化，则无法计算相对姿态。
- 坐标系理解： 深入理解 compose 和 inverse 操作对于正确处理姿态变换至关重要。A.compose(B) 意味着将 B 姿态从 A 的局部坐标系中应用。而 A.inverse().compose(B) 意味着将 B 姿态从 A 的局部坐标系中进行解释。
- 应用场景： 这种相对姿态计算方法在需要固定用户视角、实现虚拟物体相对于特定参考点的移动、或分析物体相对运动时非常有用。例如，在AR试戴应用中，你可能希望虚拟眼镜相对于用户的脸部（即 AugmentedFace 的 centerPose）保持固定，即使脸部相对于相机移动。
通过掌握 neutralPose.inverse().compose(centerPose) 这一关键技巧，开发者可以更灵活、准确地处理ARCore中的姿态变换，从而构建出更具交互性和沉浸感的AR体验。
