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ARKit：ARKit场景构建与物体添加_2024-07-25_16-48-31.Tex

时间：2024-11-01 20:48:28浏览次数：3  
标签：25 场景 07 scene ARKit AR let sceneView

ARKit：ARKit场景构建与物体添加

ARKit基础介绍

ARKit框架概述

ARKit是苹果公司为iOS设备提供的增强现实开发框架，它允许开发者在iOS应用中创建沉浸式的AR体验。ARKit通过设备的摄像头、传感器和处理器，能够实时地检测和跟踪真实世界中的平面、光照、运动和环境特征，从而在这些平面上放置虚拟物体，实现虚拟与现实的融合。

ARKit的关键特性

  • 平面检测与跟踪：ARKit能够检测水平面和垂直面，如桌面、墙壁等，并在这些平面上放置虚拟物体。
  • 光照估计：ARKit可以估计真实环境的光照条件，使虚拟物体的光照效果与真实环境相匹配，增强真实感。
  • 运动跟踪：通过设备的运动传感器，ARKit能够精确跟踪设备的运动，确保虚拟物体在屏幕上的位置与设备的运动相对应。
  • 环境理解：ARKit能够理解环境的特征，如识别门、窗、墙等，为更高级的AR应用提供基础。

ARKit环境设置

在开始ARKit项目开发之前，需要确保开发环境已经正确设置。以下是在Xcode中设置ARKit开发环境的步骤：

  1. 安装Xcode：确保你的Mac上安装了最新版本的Xcode，这是开发iOS应用的官方IDE。
  2. 创建ARKit项目：在Xcode中选择“File” > “New” > “Project”，然后选择“Augmented Reality App”模板来创建一个新的ARKit项目。
  3. 配置项目：在项目设置中，确保选择了支持ARKit的设备作为目标设备，并且在“Capabilities”标签下启用了“ARKit”和“Camera”权限。

示例：ARKit项目创建

// 以下代码示例展示了如何在Swift中初始化ARKit的场景视图
import ARKit

class ViewController: UIViewController {
    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        
        // 设置场景视图的会话配置为AR平面检测
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        configuration.planeDetection = [.horizontal, .vertical]
        
        // 设置场景视图的会话
        sceneView.session.run(configuration)
    }
}

ARKit项目创建

创建ARKit项目后，你将得到一个包含基本AR功能的模板。这个模板包括一个ARSCNView，它是ARKit和SceneKit结合的视图，用于显示AR场景。接下来，你可以在场景中添加虚拟物体，实现AR体验。

示例：在AR场景中添加虚拟物体

// 在AR场景中添加一个虚拟的3D模型
import ARKit
import SceneKit

class ViewController: UIViewController {
    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        
        // 设置场景视图的会话配置为AR平面检测
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        configuration.planeDetection = [.horizontal, .vertical]
        
        // 设置场景视图的会话
        sceneView.session.run(configuration)
        
        // 加载一个3D模型
        let scene = SCNScene(named: "art.scnassets/ship.scn")!
        let shipNode = scene.rootNode.childNode(withName: "ship", recursively: true)!
        
        // 将3D模型添加到AR场景中
        sceneView.scene.rootNode.addChildNode(shipNode)
    }
}

在这个例子中，我们首先加载了一个名为“ship”的3D模型，然后将其添加到AR场景的根节点中。ARSCNView会自动将模型放置在检测到的平面上，或者你可以通过编程控制模型的具体位置和旋转。

通过以上步骤，你已经了解了ARKit的基本框架、环境设置以及如何在AR场景中添加虚拟物体。接下来，你可以进一步探索ARKit的高级功能，如物体识别、手势控制等，以创建更丰富、更互动的AR应用。

ARKit：场景构建与物体添加

场景构建与配置

创建AR场景

在ARKit中，创建增强现实场景的第一步是初始化SCNScene对象。这将作为我们AR体验的容器，其中可以添加各种3D模型、光照和阴影效果。下面是一个创建AR场景的示例代码：

// 导入SceneKit和ARKit框架
import SceneKit
import ARKit

// 创建AR场景
let scene = SCNScene()

// 创建一个AR节点，用于放置3D模型
let node = SCNNode()
// 加载一个3D模型，例如一个球体
let sphereGeometry = SCNSphere(radius: 0.1)
let sphereNode = SCNNode(geometry: sphereGeometry)
// 将球体节点添加到AR场景中
node.addChildNode(sphereNode)
// 将AR节点添加到AR场景中
scene.rootNode.addChildNode(node)

配置ARSession

配置ARSession是确保AR体验正确运行的关键。这包括设置ARSession的配置、更新频率、以及如何处理用户交互。以下代码展示了如何配置ARSession：

// 创建ARSession
let arSession = ARSession()

// 设置AR配置，例如使用ARWorldTrackingConfiguration进行世界跟踪
let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
arSession.run(configuration)

// 设置更新频率
configuration.updateInterval = 0.016 // 每秒60次更新

// 处理用户触摸事件，以放置3D模型
func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, updateAtTime time: TimeInterval) {
    if let touchLocation = view.convert(view.bounds.center, to: sceneView) {
        let hitTestResults = sceneView.hitTest(touchLocation, types: .existingPlaneUsingExtent)
        if let hitTestResult = hitTestResults.first {
            let anchor = ARAnchor(hitTestResult.anchor)
            arSession.add(anchor)
            let node = SCNNode()
            let sphereGeometry = SCNSphere(radius: 0.1)
            let sphereNode = SCNNode(geometry: sphereGeometry)
            sphereNode.position = SCNVector3(hitTestResult.worldTransform.columns.3.x, hitTestResult.worldTransform.columns.3.y, hitTestResult.worldTransform.columns.3.z)
            sceneView.scene.rootNode.addChildNode(sphereNode)
        }
    }
}

添加光照与阴影

为了使AR场景看起来更加真实，添加光照和阴影是必不可少的。ARKit提供了自动光照功能，但也可以手动调整以适应特定需求。下面的代码展示了如何在AR场景中添加光照和阴影：

// 启用自动光照
sceneView.autoenablesDefaultLighting = true

// 创建一个光源节点
let lightNode = SCNNode()
lightNode.light = SCNLight()
lightNode.light?.type = .omni // 全向光源

// 设置光源的位置
lightNode.position = SCNVector3(0, 10, 10)

// 将光源添加到场景中
scene.rootNode.addChildNode(lightNode)

// 为3D模型添加阴影接收属性
sphereNode.geometry?.firstMaterial?.isDoubleSided = true
sphereNode.geometry?.firstMaterial?.lightingModel = .physicallyBased
sphereNode.geometry?.firstMaterial?.shadowCastingMode = .twoSided

通过以上步骤，我们不仅创建了一个AR场景，还配置了ARSession以实现世界跟踪，并添加了光照和阴影以增强场景的真实感。这些代码示例提供了创建AR体验的基础，可以根据具体需求进行扩展和调整。

物体添加与交互

导入3D模型

在ARKit中，导入3D模型是创建增强现实体验的关键步骤。ARKit支持多种3D模型格式，包括.scn（SceneKit）、.dae（Collada）、.obj和.usdz等。下面是一个如何在ARKit中导入并显示一个.scn格式的3D模型的例子。

import ARKit
import SceneKit

class ViewController: UIViewController, ARSCNViewDelegate {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // 设置ARSCNView的代理
        sceneView.delegate = self

        // 创建AR会话
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        // 导入3D模型
        if let modelURL = Bundle.main.url(forResource: "myModel", withExtension: "scn") {
            let modelScene = SCNScene(named: modelURL)
            if let modelNode = modelScene?.rootNode.childNode(withName: "myModel", recursively: true) {
                // 将模型添加到AR场景中
                sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)
            }
        }
    }

    // ARSCNViewDelegate方法
    func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
        // 在这里可以添加更多的节点或进行其他初始化
    }
}

代码解释

  • 首先，我们导入了ARKit和SceneKit框架。
  • 创建了一个ARSCNView实例，并将其代理设置为当前视图控制器。
  • 使用ARWorldTrackingConfiguration配置AR会话，这允许ARKit追踪真实世界的表面。
  • 通过Bundle.main.url(forResource:withExtension:)方法定位3D模型文件。
  • 使用SCNScene(named:)方法加载模型场景。
  • 从场景中获取模型节点，并将其添加到AR场景的根节点中。

放置物体在场景中

一旦3D模型被导入，下一步就是将其放置在AR场景中的适当位置。ARKit提供了多种方法来放置物体，包括基于真实世界表面的放置和基于用户手势的放置。

import ARKit
import SceneKit

class ViewController: UIViewController, ARSCNViewDelegate {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // 设置ARSCNView的代理
        sceneView.delegate = self

        // 创建AR会话
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        // 导入3D模型
        if let modelURL = Bundle.main.url(forResource: "myModel", withExtension: "scn") {
            let modelScene = SCNScene(named: modelURL)
            if let modelNode = modelScene?.rootNode.childNode(withName: "myModel", recursively: true) {
                // 将模型添加到AR场景中
                sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)

                // 放置模型在检测到的第一个平面上
                let planeAnchor = ARPlaneAnchor(transform: SCNMatrix4Identity)
                modelNode.position = SCNVector3(planeAnchor.center.x, 0, planeAnchor.center.z)
            }
        }
    }

    // ARSCNViewDelegate方法
    func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
        if let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor {
            // 在这里可以基于检测到的平面放置更多的物体
        }
    }
}

代码解释

  • 在viewDidLoad方法中，我们加载了3D模型，并将其添加到AR场景中。
  • 使用ARPlaneAnchor来获取平面的中心点，然后将模型的位置设置为该中心点，实现模型的放置。
  • renderer(_:didAdd:for:)方法在ARKit检测到新锚点时被调用，可以在此方法中基于检测到的平面放置物体。

实现物体交互

在AR场景中，实现物体交互可以极大地提升用户体验。ARKit通过ARSCNViewDelegate提供了多种交互方式，包括触摸、手势和物理碰撞检测。

import ARKit
import SceneKit

class ViewController: UIViewController, ARSCNViewDelegate {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // 设置ARSCNView的代理
        sceneView.delegate = self

        // 创建AR会话
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        // 导入3D模型
        if let modelURL = Bundle.main.url(forResource: "myModel", withExtension: "scn") {
            let modelScene = SCNScene(named: modelURL)
            if let modelNode = modelScene?.rootNode.childNode(withName: "myModel", recursively: true) {
                // 将模型添加到AR场景中
                sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)

                // 添加触摸事件
                sceneView.addGestureRecognizer(UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(handleTap)))
            }
        }
    }

    // ARSCNViewDelegate方法
    func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
        if let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor {
            // 在这里可以基于检测到的平面放置物体
        }
    }

    // 处理触摸事件
    @objc func handleTap(sender: UITapGestureRecognizer) {
        let location = sender.location(in: sceneView)
        let hitResults = sceneView.hitTest(location, types: .existingPlaneUsingExtent)
        if let hit = hitResults.first {
            // 在被触摸的位置放置物体
            let modelURL = Bundle.main.url(forResource: "myModel", withExtension: "scn")
            let modelScene = SCNScene(named: modelURL)
            if let modelNode = modelScene?.rootNode.childNode(withName: "myModel", recursively: true) {
                modelNode.position = SCNVector3(hit.worldTransform.columns.3.x, 0, hit.worldTransform.columns.3.z)
                sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)
            }
        }
    }
}

代码解释

  • 在viewDidLoad方法中，我们添加了一个触摸手势识别器到ARSCNView，以便检测用户的触摸事件。
  • handleTap方法在用户触摸屏幕时被调用，它使用hitTest方法来确定触摸的位置，并在该位置放置一个3D模型。
  • renderer(_:didAdd:for:)方法用于在检测到新锚点时进行处理，可以在此方法中实现更复杂的交互逻辑。

物体动画与动态效果

为了使AR场景更加生动，可以为3D模型添加动画和动态效果。ARKit结合SceneKit提供了丰富的动画和物理引擎支持。

import ARKit
import SceneKit

class ViewController: UIViewController, ARSCNViewDelegate {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // 设置ARSCNView的代理
        sceneView.delegate = self

        // 创建AR会话
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        // 导入3D模型
        if let modelURL = Bundle.main.url(forResource: "myModel", withExtension: "scn") {
            let modelScene = SCNScene(named: modelURL)
            if let modelNode = modelScene?.rootNode.childNode(withName: "myModel", recursively: true) {
                // 将模型添加到AR场景中
                sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)

                // 添加动画
                let animation = CABasicAnimation(keyPath: "position")
                animation.fromValue = modelNode.position
                animation.toValue = SCNVector3(modelNode.position.x + 1, modelNode.position.y, modelNode.position.z)
                animation.duration = 5
                animation.repeatCount = .infinity
                modelNode.addAnimation(animation, forKey: "moveAnimation")
            }
        }
    }

    // ARSCNViewDelegate方法
    func renderer(_ renderer: SCNSceneRenderer, didAdd node: SCNNode, for anchor: ARAnchor) {
        if let planeAnchor = anchor as? ARPlaneAnchor {
            // 在这里可以基于检测到的平面放置物体
        }
    }
}

代码解释

  • 在viewDidLoad方法中，我们为模型节点添加了一个动画。
  • 使用CABasicAnimation创建动画，设置动画的fromValue和toValue来定义动画的起始和结束位置。
  • 设置动画的duration和repeatCount属性，使动画持续5秒并无限循环。
  • 使用addAnimation(_:forKey:)方法将动画添加到模型节点上。

通过上述步骤，你可以在ARKit中构建一个包含3D模型的场景，并实现模型的放置、交互和动画效果，从而创建一个丰富的增强现实体验。

增强现实体验优化

性能优化技巧

在构建ARKit应用时，性能优化是确保流畅用户体验的关键。以下是一些核心技巧：

1. 减少场景复杂度

  • 使用LOD（Level of Detail）：为3D模型创建多个细节层次，根据物体与相机的距离动态切换模型，减少远距离物体的渲染细节。
  • 优化纹理：使用压缩纹理格式，如PVRTC或ETC，减少纹理内存占用。

2. 优化渲染

  • 使用遮挡剔除：避免渲染被其他物体遮挡的部分，减少不必要的计算。
  • 延迟渲染：只在物体进入视图时才进行渲染，提高效率。

3. 利用ARKit特性

  • 空间锚点：使用空间锚点来固定AR对象的位置，减少每次帧的定位计算。
  • ARKit更新频率：合理设置ARKit的更新频率，平衡精度与性能。

4. 代码优化

  • 异步加载：异步加载资源，避免阻塞主线程。
  • 减少内存分配：复用对象，避免频繁创建和销毁，减少内存分配次数。

用户界面设计

AR应用的用户界面设计需要考虑增强现实的特殊性，确保用户在现实与虚拟结合的环境中能够轻松交互。

1. 简洁直观

  • 避免过多文本：使用图标和视觉提示代替冗长的文本说明。
  • 清晰的反馈：AR操作应有即时的视觉或听觉反馈，如放置物体时的音效或高亮显示。

2. 适应AR环境

  • 环境感知UI：UI元素应根据AR场景中的物体位置和环境光线自动调整。
  • 非侵入式设计：确保UI不会遮挡AR内容的关键部分，如使用透明或半透明背景。

3. 交互设计

  • 手势识别：利用ARKit的手势识别功能，如捏合手势来缩放物体，或滑动手势来移动物体。
  • 语音控制：集成Siri或自定义语音命令，提供非接触式交互方式。

ARKit最佳实践

ARKit提供了丰富的功能，但正确使用这些功能是构建高质量AR体验的关键。

1. 初始设置

// 设置AR会话配置
let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
configuration.planeDetection = [.horizontal, .vertical]

// 开始AR会话
sceneView.session.run(configuration)

2. 物体添加

// 创建3D模型节点
let model = SCNScene(named: "art.scnassets/your_model.scn")?.rootNode
let modelNode = SCNNode()
modelNode.addChildNode(model!)

// 添加到AR场景
sceneView.scene.rootNode.addChildNode(modelNode)

3. 动态光照

利用ARKit的环境光照信息，使虚拟物体与现实环境更加融合。

// 启用环境光照
sceneView.autoenablesDefaultLighting = true

4. 空间音频

空间音频可以增强AR体验的真实感，使声音来源与虚拟物体的位置相匹配。

// 创建音频源
let audioSource = AVAudioPlayerNode()
audioSource.scheduleFile(try! AVAudioFile(forReading: Bundle.main.url(forResource: "sound", withExtension: "mp3")!), at: nil)

// 将音频源附加到3D模型节点
modelNode.addChildNode(audioSource)

5. 用户引导

提供清晰的用户引导，帮助用户理解如何与AR内容互动。

// 显示放置物体的引导
let instructionNode = SCNNode()
let instructionText = SCNText(string: "Tap to place object", extrusionDepth: 1)
instructionNode.geometry = instructionText
sceneView.scene.rootNode.addChildNode(instructionNode)

6. 错误处理

确保应用能够优雅地处理ARKit可能遇到的错误，如定位失败或设备不支持。

// 错误处理示例
sceneView.session.run(configuration, options: [.resetTracking, .removeExistingAnchors])

// 监听AR会话状态
sceneView.session.addObserver(self, forKeyPath: "status", options: .new, context: nil)

遵循以上原则和实践，可以显著提升ARKit应用的性能和用户体验，创建更加沉浸和流畅的增强现实场景。

ARKit：案例分析与实践

构建AR游戏场景

在构建AR游戏场景时，ARKit 提供了强大的工具来创建沉浸式体验。以下是一个使用 ARKit 构建基本 AR 游戏场景的示例，包括场景的初始化、物体的添加以及简单的用户交互。

初始化 AR 游戏场景

import ARKit
import SceneKit

class GameViewController: UIViewController {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        // 设置场景视图的会话配置
        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        // 创建场景
        let scene = SCNScene()
        sceneView.scene = scene

        // 添加地面平面
        let plane = SCNPlane(width: 1, height: 1)
        let planeNode = SCNNode(geometry: plane)
        planeNode.position = SCNVector3(x: 0, y: -0.5, z: 0)
        scene.rootNode.addChildNode(planeNode)
    }
}

添加物体到场景

接下来，我们添加一个简单的立方体到 AR 场景中，并使其响应用户触摸事件。

// 添加立方体
let boxGeometry = SCNBox(width: 0.1, height: 0.1, length: 0.1, chamferRadius: 0)
let boxMaterial = SCNMaterial()
boxMaterial.diffuse.contents = UIColor.red
boxGeometry.materials = [boxMaterial]
let boxNode = SCNNode(geometry: boxGeometry)
boxNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: -0.5)
scene.rootNode.addChildNode(boxNode)

// 响应用户触摸事件
let tapGesture = UITapGestureRecognizer(target: self, action: #selector(handleTap))
sceneView.addGestureRecognizer(tapGesture)

@objc func handleTap(sender: UITapGestureRecognizer) {
    let location = sender.location(in: sceneView)
    let hitTestResults = sceneView.hitTest(location, types: .existingPlaneUsingExtent)
    if let hitTestResult = hitTestResults.first {
        let position = hitTestResult.worldTransform.columns.3
        let newBoxNode = SCNNode(geometry: boxGeometry)
        newBoxNode.position = position
        scene.rootNode.addChildNode(newBoxNode)
    }
}

创建AR教育应用

ARKit 也适用于教育应用，通过增强现实技术，可以创建互动的学习环境。以下是一个简单的示例，展示如何使用 ARKit 创建一个教育应用，该应用可以在真实环境中放置虚拟的太阳系模型。

class SolarSystemViewController: UIViewController {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        let scene = SCNScene()
        sceneView.scene = scene

        // 添加太阳
        let sunGeometry = SCNSphere(radius: 0.1)
        let sunMaterial = SCNMaterial()
        sunMaterial.diffuse.contents = UIColor.yellow
        sunGeometry.materials = [sunMaterial]
        let sunNode = SCNNode(geometry: sunGeometry)
        sunNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: -0.5)
        scene.rootNode.addChildNode(sunNode)

        // 添加地球
        let earthGeometry = SCNSphere(radius: 0.05)
        let earthMaterial = SCNMaterial()
        earthMaterial.diffuse.contents = UIColor.blue
        earthGeometry.materials = [earthMaterial]
        let earthNode = SCNNode(geometry: earthGeometry)
        earthNode.position = SCNVector3(x: 0.5, y: 0, z: -0.5)
        earthNode.physicsBody = SCNPhysicsBody(type: .kinematic, shape: nil)
        earthNode.physicsBody?.velocity = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: 0.1)
        scene.rootNode.addChildNode(earthNode)
    }
}

ARKit在商业中的应用

ARKit 在商业领域有广泛的应用，例如在零售业中，可以使用 ARKit 创建虚拟试衣间或家具预览应用。以下是一个示例，展示如何使用 ARKit 在真实环境中放置虚拟家具。

class FurnitureARViewController: UIViewController {

    @IBOutlet var sceneView: ARSCNView!

    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        let configuration = ARWorldTrackingConfiguration()
        sceneView.session.run(configuration)

        let scene = SCNScene()
        sceneView.scene = scene

        // 加载家具模型
        let furnitureScene = SCNScene(named: "art.scnassets/furniture.scn")!
        let furnitureNode = furnitureScene.rootNode.childNode(withName: "furniture", recursively: true)!
        furnitureNode.position = SCNVector3(x: 0, y: 0, z: -0.5)
        scene.rootNode.addChildNode(furnitureNode)
    }
}

在这个示例中，我们假设有一个名为 furniture.scn 的模型文件，它包含了一个名为 furniture 的节点。加载模型后，我们将其添加到场景中，并放置在用户指定的位置。

总结

通过上述示例，我们可以看到 ARKit 在游戏、教育和商业领域的应用潜力。它不仅能够创建沉浸式的 AR 游戏场景，还能用于教育和商业应用，提供互动和直观的体验。掌握 ARKit 的基本操作，可以为开发者开启一个全新的 AR 世界。

请注意，上述代码示例需要在支持 ARKit 的 iOS 设备上运行，并且需要导入 ARKit 和 SceneKit 框架。此外，模型文件的加载和处理可能需要额外的代码来适应不同的模型格式和需求。
在这里插入图片描述

标签：25,场景,07,scene,ARKit,AR,let,sceneView
From： https://blog.csdn.net/chenjj4003/article/details/143440486

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