好的，下面是一篇关于Java与增强现实（AR）开发，特别是ARCore/ARKit SDK的Java/JNI接口实现的技术文章，以讲座模式呈现。
Java与增强现实（AR）开发：ARCore/ARKit SDK的Java/JNI接口实现
大家好！今天我们来聊聊Java与增强现实（AR）开发，重点是ARCore/ARKit SDK的Java/JNI接口实现。
ARCore和ARKit是目前主流的AR开发平台，分别由Google和Apple推出。虽然它们底层都是用C/C++编写，但都提供了Java/Kotlin（Android）和Swift/Objective-C（iOS）的接口，方便开发者使用。不过，有时我们需要更底层的控制或者性能优化，这时就需要用到JNI（Java Native Interface）。
1. ARCore/ARKit SDK简介
首先，简单了解一下ARCore和ARKit。
-
ARCore (Android): Google的AR平台，可以在多种Android设备上运行。核心功能包括：
- 运动追踪 (Motion Tracking): 通过手机摄像头和传感器追踪设备在物理世界中的位置和方向。
- 环境理解 (Environmental Understanding): 检测平面、估计光照等，理解周围环境。
- 光照估计 (Light Estimation): 估计场景中的光照条件，使虚拟物体与真实环境更好地融合。
-
ARKit (iOS): Apple的AR平台，与iOS设备紧密集成。功能与ARCore类似，也包括运动追踪、环境理解和光照估计。由于iOS设备的硬件统一性较高，ARKit在性能和稳定性方面通常表现更好。
2. 为什么使用JNI？
虽然ARCore和ARKit都提供了Java/Kotlin和Swift/Objective-C接口，但在某些情况下，我们可能需要使用JNI：
- 性能优化： C/C++通常比Java/Kotlin具有更高的执行效率，对于计算密集型的AR应用，使用JNI可以提高性能。
- 访问底层硬件： JNI可以直接访问底层硬件资源，例如摄像头、传感器等，实现更精细的控制。
- 复用现有C/C++代码： 如果已经有现成的C/C++代码库，可以使用JNI将其集成到AR应用中。
- 突破平台限制： 有些ARCore/ARKit SDK中尚未暴露的功能，可能通过JNI直接调用底层C++接口实现。
3. JNI开发流程
使用JNI进行AR开发，通常包括以下步骤：
- 编写Java代码： 定义需要调用的native方法。
- 生成C/C++头文件： 使用
javah命令或IDE工具生成JNI头文件。 - 编写C/C++代码： 实现native方法，访问ARCore/ARKit的C++ API。
- 编译C/C++代码： 将C/C++代码编译成动态链接库（.so文件）。
- 加载动态链接库： 在Java代码中加载动态链接库。
- 调用native方法： 在Java代码中调用native方法。
4. ARCore的Java/JNI接口实现示例
下面以ARCore为例，演示如何使用JNI获取当前帧的图像数据。
4.1 Java代码 (MainActivity.java)
package com.example.arcorejni;
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity;
import android.graphics.Bitmap;
import android.os.Bundle;
import android.widget.ImageView;
import com.google.ar.core.ArCoreApk;
import com.google.ar.core.Config;
import com.google.ar.core.Frame;
import com.google.ar.core.Session;
import com.google.ar.core.exceptions.UnavailableApkTooOldException;
import com.google.ar.core.exceptions.UnavailableArcoreNotInstalledException;
import com.google.ar.core.exceptions.UnavailableDeviceNotSupportedException;
import com.google.ar.core.exceptions.UnavailableSdkTooOldException;
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private Session arSession;
private boolean installRequested;
private ImageView imageView;
static {
System.loadLibrary("arcorejni"); // 加载动态链接库
}
// 声明native方法
public native Bitmap getFrameBitmap(long nativeFrameHandle);
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
imageView = findViewById(R.id.image_view);
installRequested = false;
try {
switch (ArCoreApk.getInstance().requestInstall(this, !installRequested)) {
case INSTALLED:
// ARCore is installed.
arSession = new Session(/*context=*/this);
// Configure the session.
Config config = new Config(arSession);
config.setUpdateMode(Config.UpdateMode.LATEST_CAMERA_IMAGE);
arSession.configure(config);
break;
case INSTALL_REQUESTED:
// Ensures next invocation of onCreate prompts installs.
installRequested = true;
return;
}
} catch (UnavailableArcoreNotInstalledException
| UnavailableUserDeclinedInstallationException e) {
// Handle unavailable ARCore.
return;
} catch (UnavailableApkTooOldException e) {
// Handle ARCore APK too old.
return;
} catch (UnavailableSdkTooOldException e) {
// Handle ARCore SDK too old.
return;
} catch (UnavailableDeviceNotSupportedException e) {
// Handle device not supported.
return;
}
}
@Override
protected void onResume() {
super.onResume();
if (arSession != null) {
arSession.resume();
new Thread(() -> {
while (true) {
Frame frame = arSession.update();
long nativeFrameHandle = frame.getNativeHandle(); // 获取Frame的native handle
Bitmap bitmap = getFrameBitmap(nativeFrameHandle); // 调用native方法
runOnUiThread(() -> {
imageView.setImageBitmap(bitmap);
});
try {
Thread.sleep(30); // 控制帧率
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
@Override
protected void onPause() {
super.onPause();
if (arSession != null) {
arSession.pause();
}
}
@Override
protected void onDestroy() {
super.onDestroy();
if (arSession != null) {
arSession.close();
}
}
}4.2 生成C/C++头文件
使用Android Studio的Terminal，进入app/src/main/java目录，执行以下命令：
javah -d ../jni com.example.arcorejni.MainActivity这会在app/src/main/jni目录下生成com_example_arcorejni_MainActivity.h头文件。
4.3 C/C++代码 (arcorejni.cpp)
#include <jni.h>
#include <android/bitmap.h>
#include <android/log.h>
#include <arcore_c_api.h>
#define LOG_TAG "arcorejni"
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,LOG_TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGE(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,LOG_TAG,__VA_ARGS__)
extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_example_arcorejni_MainActivity_getFrameBitmap(JNIEnv *env, jobject thiz, jlong nativeFrameHandle) {
ArFrame *ar_frame = reinterpret_cast<ArFrame *>(nativeFrameHandle);
if (ar_frame == nullptr) {
LOGE("ARFrame is null.");
return nullptr;
}
ArImage *ar_image = nullptr;
ArFrame_acquireCameraImage(ar_frame, &ar_image);
if (ar_image == nullptr) {
LOGE("ARImage is null.");
return nullptr;
}
int32_t width;
int32_t height;
ArImage_getWidth(ar_image, &width);
ArImage_getHeight(ar_image, &height);
int32_t pixel_stride;
int32_t row_stride;
const uint8_t* image_buffer;
ArImage_getPlaneData(ar_image, 0, &image_buffer, &pixel_stride, &row_stride);
// Create a Bitmap
jclass bitmap_config_class = env->FindClass("android/graphics/Bitmap$Config");
jfieldID argb_8888_field = env->GetStaticFieldID(bitmap_config_class, "ARGB_8888", "Landroid/graphics/Bitmap$Config;");
jobject bitmap_config = env->GetStaticObjectField(bitmap_config_class, argb_8888_field);
jclass bitmap_class = env->FindClass("android/graphics/Bitmap");
jmethodID create_bitmap_method = env->GetStaticMethodID(bitmap_class, "createBitmap", "(IILandroid/graphics/Bitmap$Config;)Landroid/graphics/Bitmap;");
jobject bitmap = env->CallStaticObjectMethod(bitmap_class, create_bitmap_method, width, height, bitmap_config);
// Lock the Bitmap and copy the image data
void* pixels;
jmethodID lock_pixels_method = env->GetMethodID(bitmap_class, "lockPixels", "()Ljava/nio/Buffer;");
jobject buffer = env->CallObjectMethod(bitmap, lock_pixels_method);
pixels = env->GetDirectBufferAddress(buffer);
if (pixels == nullptr) {
LOGE("Failed to get bitmap pixels.");
ArImage_release(ar_image);
return nullptr;
}
// Convert YUV to RGB. This is a naive implementation and can be optimized.
uint8_t* rgb_pixels = reinterpret_cast<uint8_t*>(pixels);
for (int y = 0; y < height; ++y) {
const uint8_t* row = image_buffer + y * row_stride;
for (int x = 0; x < width; ++x) {
uint8_t y_val = row[x * pixel_stride];
rgb_pixels[(y * width + x) * 4 + 0] = y_val; // R
rgb_pixels[(y * width + x) * 4 + 1] = y_val; // G
rgb_pixels[(y * width + x) * 4 + 2] = y_val; // B
rgb_pixels[(y * width + x) * 4 + 3] = 255; // A
}
}
jmethodID unlock_pixels_method = env->GetMethodID(bitmap_class, "unlockPixels", "()V");
env->CallVoidMethod(bitmap, unlock_pixels_method);
ArImage_release(ar_image);
return bitmap;
}4.4 CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)
# Find the ARCore SDK. This assumes that the ARCore SDK is installed in
# the same directory as the project.
set(ARCORE_SDK_DIR ${CMAKE_SOURCE_DIR}/../../.gradle/caches/transforms-3/e4c11824102b4807e88602ac43c81912/transformed/jetified-arcore-android-sdk-1.40.0) # 修改成你ARCore SDK实际路径
include_directories(${ARCORE_SDK_DIR}/include)
include_directories(${CMAKE_SOURCE_DIR}/src/main/jni)
add_library( arcorejni
SHARED
src/main/jni/arcorejni.cpp )
find_library( log-lib
log )
target_link_libraries( arcorejni
${log-lib}
${ARCORE_SDK_DIR}/libs/${ANDROID_ABI}/libarcore_sdk_c.so) # 修改成你ARCore SDK实际路径4.5 配置build.gradle
在app/build.gradle中添加：
android {
...
defaultConfig {
...
externalNativeBuild {
cmake {
cppFlags "-std=c++11 -frtti -fexceptions"
abiFilters 'armeabi-v7a', 'arm64-v8a'
}
}
}
externalNativeBuild {
cmake {
path "src/main/jni/CMakeLists.txt"
version "3.18.1"
}
}
...
}4.6 运行
编译并运行App，ImageView将会显示ARCore捕获的摄像头图像。
5. ARKit的Java/JNI接口实现思路
ARKit本身没有直接的Java接口，它主要针对Swift/Objective-C。要在Android上使用ARKit（实际上是模拟ARKit功能），需要进行一些额外的处理。这里提供一种思路：
- 在C/C++层实现ARKit的功能模拟： 使用SLAM算法（例如ORB-SLAM、VINS-Mono等）和Android设备的传感器数据（摄像头、IMU）来模拟ARKit的运动追踪和环境理解功能。
- 通过JNI将模拟的ARKit功能暴露给Java层： 在C/C++代码中，将SLAM算法的结果（例如相机位姿、特征点等）转换为Java可以理解的数据类型，并通过JNI传递给Java层。
- 在Java层进行渲染： 使用OpenGL ES或其他图形库，根据C/C++层传递的数据，将虚拟物体渲染到屏幕上。
这是一种非常复杂的方法，需要深入了解SLAM算法和图形渲染技术。在实际开发中，如果需要在Android上使用ARKit的类似功能，通常会选择使用ARCore，或者寻找跨平台的AR引擎，例如Unity或Unreal Engine。
6. 遇到的问题与解决方案
在使用JNI进行AR开发时，可能会遇到以下问题：
- 内存管理： JNI中的内存管理非常重要。如果C/C++代码中分配的内存没有正确释放，可能会导致内存泄漏。可以使用智能指针（例如
std::unique_ptr、std::shared_ptr）来自动管理内存。 - 类型转换： Java和C/C++的数据类型不同，需要进行类型转换。可以使用JNI提供的类型转换函数，例如
env->GetObjectClass、env->NewStringUTF等。 - 异常处理： 如果C/C++代码中发生异常，需要将其传递给Java层进行处理。可以使用
env->ThrowNew函数抛出Java异常。 - 线程安全： 如果在多个线程中访问JNI代码，需要保证线程安全。可以使用互斥锁（例如
std::mutex）来保护共享资源。 - ARCore/ARKit版本兼容性： ARCore/ARKit SDK会不断更新，需要注意版本兼容性问题。在编译C/C++代码时，需要使用与Java代码对应的SDK版本。
- 性能问题： JNI调用有一定的开销，需要尽量减少JNI调用的次数。可以将一些计算密集型的操作放在C/C++层进行处理。
7. JNI的调试
JNI调试相对复杂，可以采用以下方法：
- 日志： 在C/C++代码中使用
__android_log_print函数打印日志，方便调试。 - GDB： 使用GDB调试C/C++代码。需要在Android Studio中配置GDB调试器。
- Android Profiler： 使用Android Profiler分析JNI代码的性能，找出瓶颈。
- 崩溃报告： 使用Crashlytics等工具收集C/C++代码的崩溃报告，方便定位问题。
表格：ARCore/ARKit Java/JNI接口对比
| 功能 | ARCore (Java/JNI) | ARKit (Java/JNI – 模拟) |
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