ARKit之路－ARSession生命周期管理与跟踪质量

ARSession整合运动传感器数据与计算机视觉处理数据跟踪用户设备姿态，为得到更好的跟踪质量，ARSession需要持续的运动传感器数据和视觉计算数据。在启动ARSession后，ARKit需要一点时间来收集足够多的视觉特征点信息，在这个过程中，ARSession是不可用的。在AR应用运行过程中，由于一些异常情况（如摄像头被覆盖），ARSession的跟踪状态也会发生变化，可以使用ARSessionObserver代理方法和ARCamera类的属性捕捉到这些状态变化信息，在需要时进行必要的处理（如显示UI信息）。

（一）ARSession生命周期

ARSession的基本生命周期如下图所示，在刚启动ARSession时，ARKit还未收集到足够多的特征点和运动传感器数据信息，无法计算设备的姿态，这时的跟踪状态是不可用状态。提供给帧（frame）的状态信息是ARCamera.TrackingState.notAvailable。

在经过几帧之后，跟踪状态会变为受限状态ARCamera.TrackingState.limited()，这个状态表明设备姿态已可用但精确可能会有问题，同时，ARKit会提供状态受限的原因，在上图中的原因是ARCamera.TrackingState.Reason.initializing，说明设备正在进行初始化。
再经过一段时间后，跟踪状态会变为正常状态ARCamera.TrackingState.normal，这时说明ARKit已准备好，所有的功能都可用了。

（二）提供跟踪质量的反馈

在AR应用运行过程中，由于环境的变化或者其他异常情况，ARKit的跟踪状态会发生变化，如下图所示。

在ARKit状态受限时，基于环境映射的功能将不可用，如平面检测、射线检测、场景几何等。在AR应用运行过程中，由于用户环境变化或者其他异常情况，ARKit可能在任何时间进入到跟踪受限状态，如当用户将摄像头对准一面白墙或者房间中的灯突然关闭，这时ARKit就会进入到跟踪受限状态，且受限原因为：ARCamera.TrackingState.Reason.insufficientFeatures。
我们可以通过使用ARCamera.TrackingState.Reason枚举获取到跟踪状态受限的原因，然后引导用户进行下一步操作，以便恢复到正常跟踪状态（ARCamera.TrackingState.normal）。

（三）中断恢复

在AR应用运行过程中，ARSession也有可能会被迫中断，如在使用AR应用的过程中突然来电话，这时AR应用将被切换到后台。当ARSession被中断后，虚拟元素与现实世界将失去关联。在ARKit中，ARSessionDelegate协议定义了3个可选（optional）方法，如下表所示，利用这个3方法可以获知ARSession中断状态，并定义中断后执行的操作。

名称	描述
sessionWasInterrupted(_ session: ARSession)	通知代理ARSession暂时执行图像处理和设备跟踪
sessionInterruptionEnded(_ session: ARSession)	通知代理ARSession已重新开始执行图像处理和设备跟踪
sessionShouldAttemptRelocalization(_ session: ARSession) -> Bool	询问代理是否执行重定位操作

在中断发生后，ARKit会通过ARSessionDelegate协议的sessionShouldAttemptRelocalization()方法询问用户是否尝试恢复AR体验，ARKit尝试恢复世界跟踪的过程称为重定位（Relocalization），重定位如果成功，虚拟元素与现实世界的关联关系会恢复到中断前的状态，包括虚拟元素的姿态及虚拟元素与现实世界之间的相互关系，如果重定位失败，则虚拟元素与现实世界的原有关联关系被破坏。
ARSessionDelegate协议的sessionShouldAttemptRelocalization()方法是个可选方法，因此，该方法执行时有以下几种可能性：

（1）如果开发者没有执行sessionShouldAttemptRelocalization()方法，ARKit将自动尝试重定位，如果在指定时间内未能重定位成功，则重启ARSession；

（2）如果开发者执行了sessionShouldAttemptRelocalization()方法并返回false，ARKit立即重启ARSession而不尝试重定位；

（3）如果开发者执行了sessionShouldAttemptRelocalization()方法并返回ture，ARKit执行重定位操作，如果重定位失败，ARKit也不会自动重启ARSession（即AR应用会卡在重定位状态），所以，在执行sessionShouldAttemptRelocalization()方法后，开发人员需要自行负责处理重定位失败后的操作，通常在重定位失败后，可以选择手动重启ARSession，方法是调用ARSession.run(_:options:)方法，并设置options为resetTracking。

在重定位过程中，ARSession的运动跟踪状态保持为受限状态，而受限的原因为ARCamera.TrackingState.Reason.relocalizing。重定位成功的前提条件是使用者必须返回到ARSession中断前的环境中，如果使用者已经离开，则重定位永远也不会成功（环境无法匹配），重定位失败后，ARSession会一直处在ARCamera.TrackingState.Reason.relocalizing导致的受限状态中。整个过程如下图所示。

需要注意的是：重定位是一件容易让使用者困惑的操作，特别是对不熟悉AR应用、没有AR应用使用经验的使用者而言，重定位会让他们感到迷茫，所以在进行重定位时，应当通过UI或者其他视觉信息告之使用者，并引导使用者完成重定位操作。

ARSession状态ARCamera.TrackingState枚举如下表所示。

枚举项	描述
notAvailable	跟踪不可用，设备姿态未知
limited	跟踪可用，但质量无法保证
normal	设备姿态跟踪正常，功能可用

当跟踪状态为受限时的理由（Reason）ARCamera.TrackingState.Reason枚举如下表所示。

枚举项	描述
initializing	设备跟踪正在进行初始化操作
relocalizing	ARSession正在进行重定位
excessiveMotion	设备移动过快
insufficientFeatures	从设备摄像头采集的图像中特征点太少