[ARKit基礎] – ARKitで物理シュミレーション

前回の記事では、SceneKitで3Dオブジェクトに重力を付与しました。

前回記事:https://techpartner.jp/blog/physical-simulation

今回は、ARKitで現実世界に描写した3Dオブジェクトに、物理シュミレーションを設定し重力を持ち込みます。

1 実装する内容
2 床となるPlaneNodeクラスを作成
3 落下させる球体となるBallNodeクラスを作成
4 タップしたARアンカー上の3D座標に球体を落とす機能を実装
- 4.1 hitTest(_:types:)
5 実行

実装する内容

実装する内容はいたってシンプル。

平面検出し、床となる3Dオブジェクトを追加する
球体の3Dオブジェクトを床の上に落とす

の2点のみです。

平面検出や、ARSCNViewDelegateのデリゲートメソッドなど基本的なARKitの機能の説明は本記事では省略します。

床となるPlaneNodeクラスを作成

床となるPlaneNode(SCNNode)クラスを作成する際に、physicsBodyプロパティに物理情報を追加する事で、物理シュミレーションが可能となります。

このPlaneNodeは球体を受け止める床となりますので、PhysicsBodyのTypeは固定の.staticとします。

PhysicsBodyのType

Static : 静止物
Dynamic : 動く
Kinematic : 単体だと動かないけど、他の物体の影響で動く

class PlaneNode: SCNNode {    fileprivate override init() {        super.init()    }        required init?(coder aDecoder: NSCoder) {        fatalError("init(coder:) has not been implemented")    }        init(anchor: ARPlaneAnchor) {        super.init()                geometry = SCNPlane(width: CGFloat(anchor.extent.x), height: CGFloat(anchor.extent.z))                let planeMaterial = SCNMaterial()        planeMaterial.diffuse.contents = UIColor.white.withAlphaComponent(0.2)        geometry?.materials = [planeMaterial]                let planeShape = SCNPhysicsShape(geometry: geometry!, options: nil)        let planeBody = SCNPhysicsBody(type: .static, shape: planeShape)        physicsBody = planeBody                let x = CGFloat(anchor.center.x)        let y = CGFloat(anchor.center.y)        let z = CGFloat(anchor.center.z)                position = SCNVector3(x,y,z)        eulerAngles.x = -.pi / 2    }        func update(anchor: ARPlaneAnchor) {                (geometry as! SCNPlane).width = CGFloat(anchor.extent.x)        (geometry as! SCNPlane).height = CGFloat(anchor.extent.z)        let planeShape = SCNPhysicsShape(geometry: geometry!, options: nil)        let planeBody = SCNPhysicsBody(type: .static, shape: planeShape)        physicsBody = planeBody                let x = CGFloat(anchor.center.x)        let y = CGFloat(anchor.center.y)        let z = CGFloat(anchor.center.z)        position = SCNVector3(x,y,z)            }}

class PlaneNode: SCNNode {

fileprivate override init() {

super.init()

}

required init?(coder aDecoder: NSCoder) {

fatalError("init(coder:) has not been implemented")

}

init(anchor: ARPlaneAnchor) {

super.init()

geometry = SCNPlane(width: CGFloat(anchor.extent.x), height: CGFloat(anchor.extent.z))

let planeMaterial = SCNMaterial()

planeMaterial.diffuse.contents = UIColor.white.withAlphaComponent(0.2)

geometry?.materials = [planeMaterial]

let planeShape = SCNPhysicsShape(geometry: geometry!, options: nil)

let planeBody = SCNPhysicsBody(type: .static, shape: planeShape)

physicsBody = planeBody

let x = CGFloat(anchor.center.x)

let y = CGFloat(anchor.center.y)

let z = CGFloat(anchor.center.z)

position = SCNVector3(x,y,z)

eulerAngles.x = -.pi / 2

}

func update(anchor: ARPlaneAnchor) {

(geometry as! SCNPlane).width = CGFloat(anchor.extent.x)

(geometry as! SCNPlane).height = CGFloat(anchor.extent.z)

let planeShape = SCNPhysicsShape(geometry: geometry!, options: nil)

let planeBody = SCNPhysicsBody(type: .static, shape: planeShape)

physicsBody = planeBody

let x = CGFloat(anchor.center.x)

let y = CGFloat(anchor.center.y)

let z = CGFloat(anchor.center.z)

position = SCNVector3(x,y,z)

}

ARSCNViewDelegateのデリゲートメソッドであるrenderer(_:didUpdate:for:)で更新された、より正確なARアンカー(ここでは平面情報)を取得した際に、geometryやpositionを更新できる様にupdate(anchor: ARPlaneAnchor)も用意します。

落下させる球体となるBallNodeクラスを作成

球体となるBallNode(SCNNode)クラスにも、物理情報を追加します。

球体は落下させるので、Typeは.dynamicとします。

class BallNode: SCNNode {        required init?(coder aDecoder: NSCoder) {        fatalError("init(coder:) has not been implemented")    }        override init() {        super.init()        let ballGeometry = SCNSphere(radius: 0.01)        geometry = ballGeometry                let ballMaterial = SCNMaterial()        let ballShape = SCNPhysicsShape(geometry: ballGeometry, options: nil)        let ballBody = SCNPhysicsBody(type: .dynamic, shape: ballShape)        ballBody.restitution = 1.0        physicsBody = ballBody        ballMaterial.diffuse.contents = UIColor.red.withAlphaComponent(1)        geometry?.materials = [ballMaterial]    }}

class BallNode: SCNNode {

required init?(coder aDecoder: NSCoder) {

fatalError("init(coder:) has not been implemented")

}

override init() {

super.init()

let ballGeometry = SCNSphere(radius: 0.01)

geometry = ballGeometry

let ballMaterial = SCNMaterial()

let ballShape = SCNPhysicsShape(geometry: ballGeometry, options: nil)

let ballBody = SCNPhysicsBody(type: .dynamic, shape: ballShape)

ballBody.restitution = 1.0

physicsBody = ballBody

ballMaterial.diffuse.contents = UIColor.red.withAlphaComponent(1)

geometry?.materials = [ballMaterial]

}

タップしたARアンカー上の3D座標に球体を落とす機能を実装

まずタップした位置を取得する為に、viewDidLoad()にUITapGestureRecognizerを設定します。

let tapGesture = UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(tapView))sceneView.addGestureRecognizer(tapGesture)

1 2	let tapGesture = UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(tapView)) sceneView.addGestureRecognizer(tapGesture)

hitTest(_:types:)

次にタップした位置に存在するARアンカーの座標を取得する、ARSCNViewのhitTestメソッドを実装します。

func hitTest(_ point: CGPoint,        types: ARHitTestResult.ResultType) -> [ARHitTestResult]

1 2	func hitTest(_ point: CGPoint, types: ARHitTestResult.ResultType) -> [ARHitTestResult]

パラメータ
- 第1引数はCGPoint(2D座標軸)
- 第2引数はARHitTestResult.ResultType(検出タイプ)
戻り値:
- ARHitTestResult型の配列。※カメラから近い順にソートされる
  - .worldTransform: simd_float4x4型 (4×4の変換行列)

※参考
https://developer.apple.com/documentation/arkit/arscnview/2875544-hittest

ARHitTestResult.ResultType

ARHitTestResult.ResultTypeの種類は下記

featurePoint (特徴点)
estimatedHorizontalPlane (推定の平面)
estimatedVerticalPlane (推定の垂直の平面)
existingPlane (検出した平面 + 平面サイズを考慮しない)
existingPlaneUsingExtent (検出した平面 + 平面サイズを考慮する)
existingPlaneUsingGeometry (検出したジオメトリ + 平面サイズとカタチを考慮する)

今回は、平面のサイズを考慮するので、existingPlaneUsingExtentを使用します。

※参考
https://developer.apple.com/documentation/arkit/arhittestresult/resulttype

    @objc func tapView(recognizer: UIGestureRecognizer) {                //タップした2D座標を取得        let view = recognizer.view as! ARSCNView        let touchLocation = recognizer.location(in: view)                //タップ座標にARアンカーがあるか探す        let hitTestResult = sceneView.hitTest(touchLocation, types: .existingPlaneUsingExtent)                if let result = hitTestResult.first {                        //タップされた位置のARアンカーの3D座標を取得            let transform = result.worldTransform            let thirdColumn = transform.columns.3            //球体ノードを生成            let ballNode = BallNode()            //平面のARアンカーの10cm上にポジショニングする            ballNode.position = SCNVector3(thirdColumn.x, thirdColumn.y + 0.1, thirdColumn.z)                        sceneView.scene.rootNode.addChildNode(ballNode)        }    }

@objc func tapView(recognizer: UIGestureRecognizer) {

//タップした2D座標を取得

let view = recognizer.view as! ARSCNView

let touchLocation = recognizer.location(in: view)

//タップ座標にARアンカーがあるか探す

let hitTestResult = sceneView.hitTest(touchLocation, types: .existingPlaneUsingExtent)

if let result = hitTestResult.first {

//タップされた位置のARアンカーの3D座標を取得

let transform = result.worldTransform

let thirdColumn = transform.columns.3

//球体ノードを生成

let ballNode = BallNode()

//平面のARアンカーの10cm上にポジショニングする

ballNode.position = SCNVector3(thirdColumn.x, thirdColumn.y + 0.1, thirdColumn.z)

sceneView.scene.rootNode.addChildNode(ballNode)

}

実行

特徴量が少ないテーブルで平面検出した為か、テーブルの縁の認識が少し甘いですが、ARKitの世界に重力を持ち込む事が出来ました。