（译）iPhone上面的现实增强（Augmented Reality ）入门教程
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原文链接地址：http://www.raywenderlich.com/3997/introduction-to-augmented-reality-on-the-iphone
教程截图：
Create a simple augmented reality game where you can blast some aliens!
在这篇教程中，你将学习到如何为你的iphone和ipod touch制作一个简单的增强现实游戏。
在这个游戏中，你将使用到摄像头，陀螺仪和cocos2d框架。听起来很振奋人心吧？
在写作这篇教程的时候，探索上面提到的一些技术的过程真的是非常有趣。这里有一些数学和转换，不过不要担心---没有什么事情是很难的！
学习这篇教程的时候，你需要一个iPhone4，因为这个教程使用陀螺仪来移动游戏世界视图。
你也需要一些基本的cocos2d方面的知识，当然要安装好cocos2d。如果你对于cocos2d完全陌生的话，你可以先看看本博客上的其它cocos2d教程。
你准备好爆头一些虚拟外星人了吗？跟我来吧！
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Getting Started
打开Xcode，然后从File菜单中选择New\New Project。然后选择 iOS\cocos2d\cocos2d template，接着点击Next。把工程命名为ARSpaceShips，并点击Next，同时选择一个文件夹位置来保存本项目，最后点Create。
我们将重用Space Shooter游戏的一些资源文件，所以，先下载它们并解压缩。
下载完后，把Fonts，Sounds和Spritesheet文件夹拖到Resources分组下面。同时确保 Copy items into destination group’s folder被复选中，并且ARSpaceships target也要被选中。然后点击Finish。这时，你的工程看起来应该如下图所示：
我们将在后面使用到这些资源。
玩一玩摄像头!
如果你现在运行项目，那简单太无聊了，就是一个黑屏的HelloWorld，这玩意儿谁没看过！让我们往里面添加一些非常好玩的内容吧。选择AppDelegate.h，然后在interface里面添加一个UIView成员变量。
现在，打开AppDelegate.m文件，找到EAGLView *glView所在的代码行，把像素格式改成kEAGLColorFormatRGBA8。改完后如下图所示：
pixelFormat:kEAGLColorFormatRGBA8 depthFormat:0];
如果你不改变像素格式的话，那么摄像头里拍摄出来的图像就显示不出来。因为我们现在正在做一个增强现实的游戏，所以必须这样做！
在 [window addSubview: viewController.view];下面，我们添加了以下代码：
// set the background color of the view
[CCDirector sharedDirector].openGLView.backgroundColor = [UIColor clearColor];
[CCDirector sharedDirector].openGLView.opaque = NO;
// set value for glClearColor
glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
// prepare the overlay view and add it to the window
overlay = [[UIView alloc] initWithFrame:[[UIScreen mainScreen] bounds]];
overlay.opaque = NO;
overlay.backgroundColor=[UIColor clearColor];
[window addSubview:overlay];
这里，我们把openGLView的背景颜色清除了，把视图设置为透明的，同时指定了glClearColor，最后，我们创建并添加了一个新的视图，叫做overlay。这个视图后面用来显示camera里的内容。
接下来，在你刚刚添加的代码后面增加以下代码行：
UIImagePickerController *uip;
@try {
uip = [[[UIImagePickerController alloc] init] autorelease];
uip.sourceType = UIImagePickerControllerSourceTypeCamera;
uip.showsCameraControls = NO;
uip.toolbarHidden = YES;
uip.navigationBarHidden = YES;
uip.wantsFullScreenLayout = YES;
uip.cameraViewTransform = CGAffineTransformScale(uip.cameraViewTransform,
CAMERA_TRANSFORM, CAMERA_TRANSFORM);
}
@catch (NSException * e) {
[uip release];
uip = nil;
}
@finally {
if(uip) {
[overlay addSubview:[uip view]];
[overlay release];
}
}
[window bringSubviewToFront:viewController.view];
首先，我们了一个常量来缩放摄像头。摄像头的比率是4：3，而iphone屏幕的比例是3:4，所以，我们需要缩放一下摄像头，使之与屏幕匹配。
其次，我们创建了一个UIImagePickerController，设置了它的一些属性，具体效果就是没有控件并且缩放了的摄像头。然后，我们把它添加到了overlay视图中。
最后，我们需要把 viewController.view显示到前面来（因为它包含了cocos2d的显示内容）。这样子摄像头拍摄的内容也就会显示到前台来了。
现在，运行一下应用程序。现在，你将看到摄像头里面捕捉的画面是你的Hello World的背景了。
Shake, Rattle, and Roll…Well at Least Yaw!
因为我们现在的程序已经可以把现实捕捉并显示出来了，接下来，我们将集中精力来解决本教程中比较难的部分。
首先，我们需要把CoreMotion framework添加到项目中去。点击project文件，然后选择ARSpaceships target，再选择Build Phases标签页，展开 Link Binary With Libraries.。
点击上图中的+号，选择 CoreMotion.framework，然后点击Add按钮。现在，我们就可以在项目中使用陀螺仪啦。
打开HelloWorldLayer.h，然后导入一些头文件：
#import<CoreFoundation/CoreFoundation.h>
然后在interface里面添加一些成员变量：
CCLabelTTF *yawLabel;
CCLabelTTF *posIn360Label;
同时添加属性声明语句：
现在，重点要来了！打开HelloWorldLayer.m文件，在if ((self=[super init]))语句内部，删除原来的“Hello World”标签语句，同时添加下面的代码来设置一些新的标签.
yawLabel = [CCLabelTTF labelWithString:@"Yaw: " fontName:@"Marker Felt" fontSize:12];
posIn360Label = [CCLabelTTF labelWithString:@"360Pos: " fontName:@"Marker Felt" fontSize:12];
yawLabel.position = ccp(50, 240);
posIn360Label.position = ccp(50, 300);
[self addChild: yawLabel];
[self addChild:posIn360Label];
目前为止，并没有什么特别的。只是添加了一些标签，指明了字体和一些文字。标签的位置都是在屏幕的左边。
接下来，你需要设置motion manager，它会启动陀螺仪。
motionManager.deviceMotionUpdateInterval =1.0/60.0;
if (motionManager.isDeviceMotionAvailable) {
[motionManager startDeviceMotionUpdates];
}
[self scheduleUpdate];
这里，我们分配并初始化了 motion manager对象。同时，我们还设置了更新间隔为每秒60次。如果设置支持陀螺仪的话，那么就启动更新。最后，我们触发一个update定时器。
不要忘了在.m文件中添加synthesize语句，如下所示：
因为我们触发了update定时器，所以我们需要添加一个update方法。同时，在init方法的下面增加下面一个方法：
CMDeviceMotion *currentDeviceMotion = motionManager.deviceMotion;
CMAttitude *currentAttitude = currentDeviceMotion.attitude;
// 1: Convert the radians yaw value to degrees then round up/down
float yaw = roundf((float)(CC_RADIANS_TO_DEGREES(currentAttitude.yaw)));
// 2: Convert the degrees value to float and use Math function to round the value
[yawLabel setString:[NSString stringWithFormat:@"Yaw: %.0f", yaw]];
// 3: Convert the yaw value to a value in the range of 0 to 360
int positionIn360 = yaw;
if (positionIn360 <0) {
positionIn360 =360+ positionIn360;
}
[posIn360Label setString:[NSString stringWithFormat:@"360Pos: %d", positionIn360]];
}
现在，你可以运行应用程序了。你将会看到Yaw和positionIn360的对应标签值在改变。
那玩意儿究竟如何工作？
尽管可以跑起来了，但是你可能会问，它究竟是如何工作的呢？让我们花几分钟时间来一步步解释上面的代码是如何工作的。
首先，下载iTunes app store上面的免费程序 Gyrosocope app。安装并运行它，当你移动iphone的时候，就可以看到每个值究竟是怎么变化的。
我们关心的值是Yaw。这个值代表往左或往右移动。在Gyroscope程序中，它的单位是度，然而 motion manager获取的值却是弧度。这就是为什么我们需要使用内置的函数CC_RADIANS_TO_DEGREES来把弧度转换成角度的原因啦。
因此，在第一部分中，我们得到了yaw的弧度值，并且把它转换成角度，最后赋值给yaw变量。第二部分，我们只是把yaw的值显示到屏幕上去。如果你运行工程，你会看到yaw值的变化范围是从0~180，然后又从-180回到0.
现在看看第三部分，你可能会奇怪positionIn360的值倒底是什么啊？好吧，这里只是一个手段，目的是使得放置飞碟的过程变得容易。
这里的逻辑其实非常简单。如果yaw值是正的，那么我们什么也不做。如果是负的，那么就减去360.（加上一个负值和减去一个正值是一样的）。最后一行代码只是在屏幕上显示那个值。
如果你还没完全理解，没关系，运行一下程序，看看具体值是怎么变化的吧。
灯光，摄像机，Action！
现在，我们为陀螺仪的使用奠定基础了，让我们往里面添加一些太空飞船吧！我们将创建一个新的文件。首先，左键点ARSpaceships工程文件，然后选择New File。接着选 iOS\Cocoa Touch\Objective-C class，然后点击Next。确保NSObject被选中基类，然后点Next。把文件命名为EnemyShip.m，最后点Save。
把 EnemyShip.h里的内容换成下面的代码：
@interface EnemyShip : CCSprite {
int yawPosition;
int timeToLive;
}
@property (readwrite) int yawPosition;
@property (readwrite) int timeToLive;
@end
同时修改EnemyShip.m：
@implementation EnemyShip
@synthesize yawPosition, timeToLive;
-(id)init {
self = [super init];
if (self){
yawPosition =0;
timeToLive =0;
}
return self;
}
@end
现在，回到HelloWorldLayer.h。在顶部导入EnemyShip类的头文件，如下所示：
在interface里面声明以下成员变量：
int enemyCount;
CCSpriteBatchNode *batchNode;
最后，在interface声明下面，添加enemyCount属性，同时定义一些方法，具体如下图所示：
-(EnemyShip *)addEnemyShip:(int)shipTag;
-(void)checkEnemyShipPosition:(EnemyShip *)enemyShip withYaw:(float)yawPosition;
-(void)updateEnemyShipPosition:(int)positionIn360 withEnemy:(EnemyShip *)enemyShip;
-(void)runStandardPositionCheck:(int)positionIn360 withDiff:(int)difference withEnemy:(EnemyShip *)enemyShip;
打开 HelloWorldLayer.m文件，同时作以下修改：
#include <stdlib.h>
// Place after the other @synthesize statement
@synthesize enemyCount;
#define kXPositionMultiplier 15
#define kTimeToLive 100
// Add to the bottom of init
batchNode = [CCSpriteBatchNode batchNodeWithFile:@"Sprites.pvr.ccz"];
[self addChild:batchNode];
[[CCSpriteFrameCache sharedSpriteFrameCache] addSpriteFramesWithFile:@"Sprites.plist"];
这里，我们加载了spritesheet，它的资源文件在一开始的时候，我们就把它拖到项目中来了。
接下来，我们将添加一个新的方法来创建新的敌人太空飞船。在dealloc方法的上面添加下列方法：
EnemyShip *enemyShip = [EnemyShip spriteWithSpriteFrameName:@"enemy_spaceship.png"];
// Set position of the space ship randomly
int x = arc4random() %360;
enemyShip.yawPosition = x;
// Set the position of the space ship off the screen, but in the center of the y axis
// we will update it in another method
[enemyShip setPosition:ccp(5000, 160)];
// Set time to live on the space ship
enemyShip.timeToLive = kTimeToLive;
enemyShip.visible =true;
[batchNode addChild:enemyShip z:3 tag:shipTag];
return enemyShip;
}
这个方法接收一个整数值作为tag，并且返回一个EnemyShip CCSprite。下面一行代码，我们从精灵表单中创建一个EnemyShip精灵。接着，我们使用arc4random方法来得到一个0~360的随机数。最后，我们设置了飞船的位置，并把timeToLive的值设置为100，把飞船添加到batchNode里面，最后返回飞船精灵对象。
在addEnemyShip下面，我们添加一个checkEnemyShipPosition方法：
// Convert the yaw value to a value in the range of 0 to 360
int positionIn360 = yawPosition;
if (positionIn360 <0) {
positionIn360 =360+ positionIn360;
}
BOOL checkAlternateRange =false;
// Determine the minimum position for enemy ship
int rangeMin = positionIn360 -23;
if (rangeMin <0) {
rangeMin =360+ rangeMin;
checkAlternateRange =true;
}
// Determine the maximum position for the enemy ship
int rangeMax = positionIn360 +23;
if (rangeMax >360) {
rangeMax = rangeMax -360;
checkAlternateRange =true;
}
if (checkAlternateRange) {
if ((enemyShip.yawPosition < rangeMax || enemyShip.yawPosition > rangeMin ) || (enemyShip.yawPosition > rangeMin || enemyShip.yawPosition < rangeMax)) {
[self updateEnemyShipPosition:positionIn360 withEnemy:enemyShip];
}
} else {
if (enemyShip.yawPosition > rangeMin && enemyShip.yawPosition < rangeMax) {
[self updateEnemyShipPosition:positionIn360 withEnemy:enemyShip];
}
}
}
这个方法看起来似乎有点让人摸不着头脑，一会最大值，一会儿最小值，一会候选值。不过，不要担心，其实非常简单。首先，我们检查设置的yaw坐标址（positionIn360)，然后把此值限制在0~360之间。
因为，我们有两端范围都是0~360，所以需要检查一下设置的positionIn360具体属于哪一端。我们使用一个任意数23来代表将在屏幕一半处显示的度数。
因为，我们只需要关心变化范围是0~23和337~360的空间了。因为，另一端的线将会包过来。（这里相像成3维空间的一个圆）
最后，如果敌人飞船在屏幕46度的范围之内的话，那么就要更新敌人飞船。checkAlternateRange判断语句只是用来决定什么时候来更新敌人飞船。
如果checkAlternateRange为真的话，那么我们就检查敌船的位置是否落在min和max的范围之内。
rangeMin =357
rangeMax =20
enemyShip.yawPosition =359
因为我们要考虑线段的两端，我们的min范围比max范围要大一些。现在，我们做一个判断，看敌船的位置是不是大于rangeMin，如果是，则显示在屏幕上。
if语句中的else就更加明了了。他检查敌船的位置是不是大于min且小于max。
多么复杂的一个update方法啊！我们在checkEnemyShipPosition方法下面添加以下代码：
int difference =0;
if (positionIn360 <23) {
// Run 1
if (enemyShip.yawPosition >337) {
difference = (360- enemyShip.yawPosition) + positionIn360;
int xPosition =240+ (difference * kXPositionMultiplier);
[enemyShip setPosition:ccp(xPosition, enemyShip.position.y)];
} else {
// Run Standard Position Check
[self runStandardPositionCheck:positionIn360 withDiff:difference withEnemy:enemyShip];
}
} elseif(positionIn360 >337) {
// Run 2
if (enemyShip.yawPosition <23) {
difference = enemyShip.yawPosition + (360- positionIn360);
int xPosition =240- (difference * kXPositionMultiplier);
[enemyShip setPosition:ccp(xPosition, enemyShip.position.y)];
} else {
// Run Standard Position Check
[self runStandardPositionCheck:positionIn360 withDiff:difference withEnemy:enemyShip];
}
} else {
// Run Standard Position Check
[self runStandardPositionCheck:positionIn360 withDiff:difference withEnemy:enemyShip];
}
}
在这个方法中，我们测试，看是否设备的positionIn360是不是在讨论的3个范围内。在第一个测试中，我们检测positionIn360是不理小于23，如果是，我们就看看是不是有一些敌船在线的另一端（大于337）。
第二部分测试，看是否positionIn360大于337.如果是的话，就再检测它是否小于23.
第二部分测试，看敌船是否在23和337之间。如果是，则调用runStandardPositionCheck方法。这个方法的定义如下所示：
if (enemyShip.yawPosition > positionIn360) {
difference = enemyShip.yawPosition - positionIn360;
int xPosition =240- (difference * kXPositionMultiplier);
[enemyShip setPosition:ccp(xPosition, enemyShip.position.y)];
} else {
difference = positionIn360 - enemyShip.yawPosition;
int xPosition =240+ (difference * kXPositionMultiplier);
[enemyShip setPosition:ccp(xPosition, enemyShip.position.y)];
}
}
在这个方法中，我们检查看是否enemyShip是否在设备的positionIn360的左边还是右边。当enemyShip的位置小于positionIn360时，它将出现在屏幕的左边。当enemyShip的位置大于positionIn360，那么它将出现在屏幕的右边。
现在，你会说，请等一下！你忘了描述这些变量的作用了！好吧，接下来就解释一下。
如果敌船的yaw坐标值在屏幕的范围之内（从 positionIn360 – 23到 positionIn360 + 23），然后，首先我们计算它位于屏幕的哪一边。如果大于positionIn360，那么就在屏幕的右边，否则就在屏幕的左边。
difference变量的作用是保存设备的positionIn360和敌船的 yaw位置的角度差值。一旦计算出来后，我们就把这个差值乘以一个任意的倍数。这个倍数代表每一度的像素个数。这个里，我们选择15.
基于它位于于当前屏幕的位置，我们将把这个计算出来的值增加240或者减去240。
现在，所有需要的方法已经全部准备就绪啦。
在init方法的底部，添加下面的代码，在屏幕中增加5个飞船：
enemySprites = [[NSMutableArray alloc] init];
for(int i =0; i <5; ++i) {
EnemyShip *enemyShip = [self addEnemyShip:i];
[enemySprites addObject:enemyShip];
enemyCount +=1;
}
因为，我们添加了敌船到屏幕中了，我们确保它们的位置被更新。在udpate方法的底部添加下面方法：
for (EnemyShip *enemyShip in enemySprites) {
[self checkEnemyShipPosition:enemyShip withYaw:yaw];
}
在我们忘记之前，在dealloc里面添加清理代码来清理我们之前创建的enemySpritesArray数组：
现在，编译并运行工程吧！当你旋转设备的时候，你将会看到5个飞船在不同的地方。
免费的激光和爆炸
目前为止，这个现实增加的游戏完成的差不多了。不过，还有一个很严重的问题：这里飞船打中后没什么感觉。
很明显，我们并不想这样，所以，让我们添加一些很酷的激光和爆炸效果吧。
在开始之前，让我们移除屏幕上的label--他们只是作为调试时用的。因此，找开 HelloWorldLayer.m中关于labels的代码，并把它们注释掉。完成之后，编译并运行，保证没有错误。
现在，看看有趣的部分---让我们往游戏中添加一些火力吧！首先，我们将添加一个方法用来判断玩家的开火区域是否击中了飞船。在HelloWorldLayer.h文件中，在@end之前声明下列方法：
打开HelloWorldLayer.m，然后在dealloc方法上面实现上述方法：
float xdif = circlePoint.x - circlePointTwo.x;
float ydif = circlePoint.y - circlePointTwo.y;
float distance = sqrt(xdif*xdif+ydif*ydif);
if(distance <= radius+radiusTwo) return YES;
return NO;
}
这个方法用来检测是否两个点的半径有交集。输入的参数是敌方飞船位置和屏幕的中心点位置。两个点的半径都设置为50.
首先，我们计算两个点X和Y值的差。接下来计算两点的距离。这个在高中就学过的，叫勾股定理。你可以从这里得到更多的信息。
接下来，我们往屏幕中添加一个区域，用作火力瞄准器。下载这些资源文件，解压缩，然后把scope.png拖到Resouces文件夹下去。确保“Copy items into destination group’s folder”被复选中，然后点Finish。
打开HelloWorldLayer.m的init方法，然后在 [self scheduleUpdate]方法之前，添加以下代码：
CCSprite *scope = [CCSprite spriteWithFile:@"scope.png"];
scope.position = ccp(240, 160);
[self addChild:scope z:15];
// Allow touches with the layer
[self registerWithTouchDispatcher];
如果你现在运行程序，你将看到一个瞄准器出现在屏幕的中间。
非常好，现在让我们添加一些爆炸效果，在玩家点击屏幕的时候就触发。我们将按照添加scope.png的方法一样，来添加Explision.plist。先找到之前下载的本项目资源文件。把Explosion.plist拖到资源文件夹中，确保“Copy items into destination group’s folder”被复选上，然后点击Finish。
你可能会奇怪这个文件到底是什么？我使用一个很酷的软件制作的，你可能之前也听说过了，叫做 Particle Designer，它是由71 Squared的工程师所开发的。我不会在这里讲解如何使用此软件来制作这样的粒子效果文件，但是，实际上这个过程是非常简单的。选择一种粒子效果，然后调节一些参数，最后导出plist文件就可以了。
现在，在dealloc方法之前，添加下列代码：
CGPoint location = CGPointMake(240,160);
// 1
for (EnemyShip *enemyShip in enemySprites) {
if (enemyShip.timeToLive >0) {
// Check to see if yaw position is in range
BOOL wasTouched = [self circle:location withRadius:50 collisionWithCircle:enemyShip.position collisionCircleRadius:50];
if (wasTouched) {
enemyShip.timeToLive =0;
enemyShip.visible =false;
enemyCount -=1;
}
}
}
// 2
CCParticleSystemQuad *particle = [CCParticleSystemQuad particleWithFile:@"Explosion.plist"];
particle.position = ccp(240,160);
[self addChild:particle z:20];
particle.autoRemoveOnFinish = YES;
// 3
if (enemyCount ==0) {
// Show end game
CGSize winSize = [CCDirector sharedDirector].winSize;
CCLabelBMFont *label = [CCLabelBMFont labelWithString:@"You win!" fntFile:@"Arial.fnt"];
label.scale =2.0;
label.position = ccp(winSize.width/2, winSize.height/2);
[self addChild:label z:30];
}
}
这段代码的第一部分用来做碰撞检测，用来测试是否飞船在瞄准器范围之内。如果其中一个飞船被击中了，我们就飞船的属性来隐藏它，同时把enemyCount计数减1.第二部分代码，往屏幕中心添加了一个爆炸粒子系统。第二部分代码，也是最后一部分代码，它用来检查enemyCount是否为0，如果是的话，就显示一个label，告知玩家游戏结束了。
这个游戏如果就这样的话，有点无聊。所以，让我们往游戏中添加一些基本的AI吧。其实也很简单的，就是随着时间的推移，我们会改变一下飞船的位置。所以，在update方法底部添加下列代码：
// change the yawPosition of the sprite
for (EnemyShip *enemyShip in enemySprites) {
enemyShip.timeToLive--;
if (enemyShip.timeToLive ==0) {
int x = arc4random() %360;
[enemyShip setPosition:ccp(5000, 160)];
enemyShip.yawPosition = x;
enemyShip.timeToLive = kTimeToLive;
}
}
这段代码将会遍历所有的enemySprites，然后更新timeToLive属性。然后，检查这个timeToLive属性是否等于0，如果是的话，那么就给飞船的yawPositon设置一个随机值，同时重置timeToLive属性。编译并运行工程吧，现在你想要打中飞船的话就有一些难度了，开火！
Pump up the Volume!
游戏如果没有声音的话，那就太没意思了！所以，让我们添加一些音乐吧！
在HellowWorldLayer.m文件顶部包含Simple Audio Engine所需的头文件，具体如下所示：
然后在init方法的最后添加下列代码，记得添加在 if ((self=[super init]))语句内部：
[[SimpleAudioEngine sharedEngine] preloadEffect:@"explosion_large.caf"];
[[SimpleAudioEngine sharedEngine] preloadEffect:@"laser_ship.caf"];
这里会加载背景音乐，同时预加载音效。
现在，找到ccTouchesBegan，然后在这个方法的开头添加下列代码：
这里会在你点击屏幕的时候播放一个发射激光的音效。
还是在ccTouchesBegan方法里面，打开遍历enemySprites那个循环，然后在 (wasTouched)的if判断句内添加下列代码：
当飞船被打中的时候，将会播放爆炸的音效！
编译并运行代码，尽情玩吧！
何去何从?
这里有本教程的完整源代码。
如果你想学习更多有关制作增强现实的游戏的话，下面有一些比较好的资源：
- 更多关于摄像头的纵横比的:1 2 3
- Apple’s documentation on UIImagePickerController Class
- Apple’s documentation on Core Motion
我希望你在学习这个教程的时候会得到许多快乐！如果有什么建议或意见，请留言，谢谢！
