Принципы разработки ПО для iPhone с использованием акселерометра

В статье рассмотрено принципы работы iPhone акселерометра, показаны примеры приложений, использующие акселерометр в качестве главного компонента, наведены рекомендации по использованию акселерометра. Также показано, как использовать акселерометр в веб-приложениях. Часть материалов была взята из статьи «Скроллинг при помощи акселерометра».

Что такое акселерометр?

Обратимся к Википедии:

Акселерометр (от лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть равнодействующая сил не гравитационной природы, действующая на массу и отнесённая к величине этой массы. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Электронные акселерометры часто встраиваются в мобильные устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей. В игровых приставках акселерометры используются для управления без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д.

Apple — не первая компания, которая внедрила акселерометр в мобильный телефон, но первая, у которой это получилось хорошо.

Как можно использовать акселерометр?

Перед тем, как перейти к технической части, посмотрим на готовые приложения, которые используют акселерометр.

Несколько базовых примеров:

C помощью iBeer можно попить виртуальное пиво:

iBoobs — программа, которая не прошла отдел цензуры в Apple.

Обзор других программ можно посмотреть по ссылкам внизу.

Немного теории

Датчик ускорения внутри iPhone использует три элемента: кремниевое тело, набор кремниевых пружин и электрический ток. Кремниевые пружины определяют положение кремниевого тела с помощью электрического тока. При повороте iPhone возникает колебание электрического тока, проходящего по кремниевым пружинам. Датчик ускорения фиксирует эти колебания и сообщает iPhone о необходимом изменении картинки на дисплее.

iPhone использует MEMS motion sensor 3-axis — ± 2g/± 8g smart digital output piccolo accelerometer, спецификацию по которому можно загрузить отсюда.

В состоянии покоя, когда устройство не двигается, величина замеряемого ускорения равна силе тяжести и принята за единицу. Соотношения величин проекций этой силы на оси координат дают нам углы поворота устройства в пространстве. Если iPhone находится в движении, то величину ускорения, с которым разгоняется аппарат, можно посредством дополнительных преобразований вычислить на основе значений проекций.

Заметьте, это именно ускорение, а не скорость движения устройства. То есть, если ваш iPhone начнет падать на землю, то проекции величины ускорения примут значение 0 по всем осям — ваш iPhone будет в невесомости :) А если вы поднимаетесь с должным ускорением на лифте вверх, то значение силы тяжести на время ускорения увеличится.

Интерфейс акселерометра

Несколько фактов:

• является частью UIKit фреймворка
• предоставляет информацию по трем осям
• можно настроить частоту обновления данных (приблизительно 10-100 Гц)

Классы:

• UIAccelerometer
• UIAcceleration

Протокол:

• UIAccelerometerDelegate

Координатные оси

Сразу хочу заметить, что координаты X, Y, Z не показывают координаты (положение) устройства в пространстве, как это можно было бы предположить. На самом деле они означают следующее:

• координата X (Roll) показывает информацию о повороте устройства влево или вправо;
• координата Y (Pitch) дает нам следующую информацию: iPhone находится в вертикальном
  положении (-1), лежит в горизонтальной плоскости (0) или находится в
  вертикальном положении, только вверх ногами (+1);
• координата Z (Face up/face down) показывает, в каком положении находится устройство: лицом вверх (-1,
  при нулевых значениях по другим осям), в вертикальном положении (0) или
  лицом вниз (+1).

Координатные оси iPhone акселерометра

Для случая произвольной ориентации iPhone данные о величине ускорения распределяются по осям согласно проекции вектора ускорения.


Расчет вектора при произвольном положении iPhone

Подключаем акселерометр в проект

Всю необходимую информацию аккумулирует объект класса UIAcceleration, возвращающий данные по всем осям, а также временной маркер, позволяющий определить относительное время замера указанных
величин. Напрямую подступиться к данным этого класса нельзя, эту информацию можно получить только через делегат UIAccelerometerDelegate, предоставляющего для реализации один единственный метод
accelerometer:didAccelerate:, в который возвращается объект класса UIAcceleration. Назначение делегата и инициализация вызовов метода accelerometer:didAccelerate: происходит при помощи класса UIAccelerometer.

Для того, чтобы подключить акселерометр, необходимо в методе applicationDidFinishLaunching написать следующий код:

[[UIAccelerometer sharedAccelerometer] setUpdateInterval: 1.0 / kUpdateFrequency];
[[UIAccelerometer sharedAccelerometer] setDelegate:self];

Метод setUpdateInterval устанавливать частоту обновления данных, kUpdateFrequency — коэффициент, который показывает, как часто нужно получать данные.

Например, в случае #define kUpdateFrequency 60.0 получим 60 «опросов» в секунду.

Кроме того, в заголовочном файле класса вашего делегата нужно указать протокол UIAccelerometerDelegate:

@interface AppDelegate : NSObject<UIApplicationDelegate>
@interface accelerometerAppDelegate : NSObject <UIApplicationDelegate, UIAccelerometerDelegate>

Логику обработки данных акселерометра нужно добавить в метод didAccelerate в классе делегата:

- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration
{
    // Get the event data
    UIAccelerometValue x, y, z; 
    
    x = acceleration.x;
    y = acceleration.y;
    z = acceleration.z;
}

Замечания:

• можно объявлять лишь один делегат для приложения
• данные приходят асинхронно к основному потоку

Настройка акселерометра:

• Диапазон частоты — 10 -100 Гц.
• Рекомендуемая частота для игр: 30-60 Гц, для определения ориентации — 10-30 Гц.

Для остановки получения значений необходимо вызвать следующий код:

- (void) disableAccelerometerEvents
{
UIAccelerometer * acc = [UIAccelerometer sharedAccelerometer];
acc.delegate = nil;
}

Угол наклона

Геометрически можно показать работу акселерометра следующим образом:

Из рисунка видно, что угол может быть рассчитан с помощью функции арктангенса, т.е.:

float angle = atan2(y, -x);

Положения акселерометра можно посмотреть на рисунке:


С помощью информации об угле поворота можно менять ориентацию экрана:

- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration
{
	// Get the current device angle
	float xx = -[acceleration x];
	float yy = [acceleration y];
	float angle = atan2(yy, xx); 
 
	// Add 1.5 to the angle to keep the label constantly horizontal to the viewer.
	[interfaceOrientationLabel setTransform:CGAffineTransformMakeRotation(angle+1.5)]; 
 
	// Read my blog for more details on the angles. It should be obvious that you
	// could fire a custom shouldAutorotateToInterfaceOrientation-event here.
	if(angle >= -2.25 && angle <= -0.75)
	{
		if(deviceOrientation != UIInterfaceOrientationPortrait)
		{
			deviceOrientation = UIInterfaceOrientationPortrait;
			[interfaceOrientationLabel setText:@"UIInterfaceOrientationPortrait"];
		}
	}
	else if(angle >= -0.75 && angle <= 0.75)
	{
		if(deviceOrientation != UIInterfaceOrientationLandscapeRight)
		{
			deviceOrientation = UIInterfaceOrientationLandscapeRight;
			[interfaceOrientationLabel setText:@"UIInterfaceOrientationLandscapeRight"];
		}
	}
	else if(angle >= 0.75 && angle <= 2.25)
	{
		if(deviceOrientation != UIInterfaceOrientationPortraitUpsideDown)
		{
			deviceOrientation = UIInterfaceOrientationPortraitUpsideDown;
			[interfaceOrientationLabel setText:@"UIInterfaceOrientationPortraitUpsideDown"];
		}
	}
	else if(angle <= -2.25 || angle >= 2.25)
	{
		if(deviceOrientation != UIInterfaceOrientationLandscapeLeft)
		{
			deviceOrientation = UIInterfaceOrientationLandscapeLeft;
			[interfaceOrientationLabel setText:@"UIInterfaceOrientationLandscapeLeft"];
		}
	}
}

Скачать пример приложения можно здесь.

Пример 1. Прокрутка с помощью акселерометра

Возьмем за точку отсчета положение нашего устройства в пространстве, при котором угол между задней стенкой и землей составляет 45 градусов. В этом случае проекции силы тяжести на ось Y будет составлять -0.7. Если мы отклоняем аппарат чуть ближе к вертикальному положению, то примем, что при достижении угла в 30 градусов от вертикали мы должны перелистнуть список к концу. И наоборот, при достижении угла в 30 и менее градусов от горизонтального положения, мы должны перелистнуть список к началу.
В первом случае абсолютная величина проекции силы тяжести на ось Y, направленная вдоль аппарата, станет равна 0.86. Те, кто не понял откуда взялось это значение, вспоминаем геометрию и вычисление проекции на ось координат вектора единичной длины. Во втором случае это же значение равно 0.5. Для реализации прокрутки мы воспользуемся методом scrollToRowAtIndexPath:atScrollPosition:animated: класса UITableView.

- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer 
                      didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration 
{
  double absY = fabs(acceleration.y);
   
  if (absY <= 0.5) {
    // Прокрутка к началу списка
    [viewController.tableView 
         scrollToRowAtIndexPath:[NSIndexPath indexPathForRow:0 inSection:0]
         atScrollPosition:UITableViewScrollPositionTop
         animated:YES];
    } 
    else if (absY >= 0.86) 
    {
      // Прокрутка к концу списка
      [viewController.tableView 
         scrollToRowAtIndexPath:[NSIndexPath indexPathForRow:([list count] — 1) inSection:0]
         atScrollPosition:UITableViewScrollPositionBottom
         animated:YES];
    }
}

Фильтры

В основном, используются два фильтра — высокочастотный (high-pass) и низкочастотный (low-pass). Эти фильтры можно использовать для отсеивания эффектов «дрожания»,
медленных поворотов и т.д.

Низкочастотный фильтр используется для нахождения ориентации устройства, высокочастотный — для определения тряски.

Самый простой низкочастотный фильтр реализует следующий код:

#define FILTERFACTOR 0.1
value = (newAcceleration * FILTERFACTOR) + (previousValue * (1.0 - FILTERFACTOR));
previousValue = value;

Самый простой высокочастотный фильтр реализует следующий код:

#define FILTERFACTOR 0.1
value = newAcceleration - (newAcceleration * FILTERFACTOR) + (previousValue * (1.0 -  FILTERFACTOR));
previousValue = value;

Пример 2. AccelerometrGraph

Отличная программа для исследования работы акселерометра — показывает изменение значений по трем координатам. Можно скачать с официального сайта Apple.

В обычном режиме отображает именно ту информацию, которую получает. Также можно использовать фильтры, которые будут отсекать обыкновенные повороты, а реагировать лишь на тряску (что, в основном, и бывает нужно в реальных приложениях).

Пример 3. iBells

iBells (ссылка на appstore) — это развлекательная программа, которая реагирует на дейсвия пользователя и проигрывает звуки колокольчиков.

Являясь разработчиков этой программы, нам нужно было решить такие задачи:

• корректное реагирование на действия пользователей, т.е. именно в тот момент когда пользователь трясет устройства;
• реализация минимальной задержки, в течении которой музыкальный файл не должен проигрываться (это нужно для того, чтобы исключить очень частые срабатывания).

Корректное реагирование на тряску можно добиться используя высокочастотный фильтр:

- (void)accelerateWithX:(float)x Y:(float)y Z:(float)z
{
    // Use double filtering for passed coords
    acceleration[0] = x * kFilteringFactor + acceleration[0] * (1.0 - kFilteringFactor);
    x = x - acceleration[0];
    
    acceleration[1] = y * kFilteringFactor + acceleration[1] * (1.0 - kFilteringFactor);
    y = y - acceleration[1];
     
    acceleration[2] = z * kFilteringFactor + acceleration[2] * (1.0 - kFilteringFactor);
    z = z - acceleration[2];
}

kFilteringFactor — коэффициент «заглушения» реакции на случайные колебания. Этот параметр нужно подбирать индивидуально в зависимости от требований.

Интервал измеряется просто:

NSDate *now = [NSDate date];
    NSTimeInterval interval = [now timeIntervalSinceDate:self.lastPlayedTime];
           
    // Check playback time condition
    if (interval > minTimeDelta)
    {
        [self play];
    }

Переменная lastPlayedTime фиксирует время последнего проигрывания, minTimeDelta — минимальный промежуток, по истечению которого можно проигрывать музыкальный файл.

Недавно я нашел еще один способ определить тряску:

// Ensures the shake is strong enough on at least two axes before declaring it a shake.
// "Strong enough" means "greater than a client-supplied threshold" in G's.
static BOOL L0AccelerationIsShaking(UIAcceleration* last, UIAcceleration* current, double threshold) {
        double
                deltaX = fabs(last.x - current.x),
                deltaY = fabs(last.y - current.y),
                deltaZ = fabs(last.z - current.z);

        return
                (deltaX > threshold && deltaY > threshold) ||
                (deltaX > threshold && deltaZ > threshold) ||
                (deltaY > threshold && deltaZ > threshold);
}

@interface L0AppDelegate : NSObject  {
        BOOL histeresisExcited;
        UIAcceleration* lastAcceleration;
}

@property(retain) UIAcceleration* lastAcceleration;

@end

@implementation L0AppDelegate

- (void)applicationDidFinishLaunching:(UIApplication *)application {
        [UIAccelerometer sharedAccelerometer].delegate = self;
}

- (void) accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration {

        if (self.lastAcceleration) {
                if (!histeresisExcited && L0AccelerationIsShaking(self.lastAcceleration, acceleration, 0.7)) {
                        histeresisExcited = YES;

                        /* SHAKE DETECTED. DO HERE WHAT YOU WANT. */

                } else if (histeresisExcited && !L0AccelerationIsShaking(self.lastAcceleration, acceleration, 0.2)) {
                        histeresisExcited = NO;
                }
        }

        self.lastAcceleration = acceleration;
}

// and proper @synthesize and -dealloc boilerplate code

@end

Использование акселерометра в веб-приложениях

В Safari был добавлен новый метод onorientationchange, который срабатывает при изменении положения на 90%. Ниже приведен javascript код, с помощью которого можно менять положение (orientation) веб-страницы.

function updateOrientation()    {
    /*
        window.orientation returns a value that indicates whether iPhone is in portrait mode, 
        landscape mode with the screen turned to the left, or landscape mode 
        with the screen turned to the right. 
    */
    var orientation = window.orientation;

    switch(orientation) 
    {
        case 0:
            /*
                If in portrait mode, sets the body's class attribute to portrait. 
                Consequently, all style definitions matching the body[class="portrait"] 
                declaration in the iPhoneOrientation.css file will be selected and used 
                to style "Handling iPhone or iPod touch Orientation Events".
            */
            document.body.setAttribute("class","portrait");
        
            /*
                Add a descriptive message on "Handling iPhone or iPod touch Orientation Events" 
            */
            document.getElementById("currentOrientation").innerHTML 
                = "Now in portrait orientation (Home button on the bottom).";
            break; 

        case 90:
            /*
                If in landscape mode with the screen turned to the left, 
                sets the body's class attribute to landscapeLeft. 
                In this case, all style definitions matching the body[class="landscapeLeft"] 
                declaration in the iPhoneOrientation.css file will be 
                selected and used to style "Handling iPhone or iPod touch Orientation Events".
            */
            document.body.setAttribute("class","landscapeLeft");
            document.getElementById("currentOrientation").innerHTML 
                = "Now in landscape orientation and turned to the left (Home button to the right).";
            break;

        case -90: 
            /* 
                If in landscape mode with the screen turned to the right, 
                sets the body's class attribute to landscapeRight. 
                Here, all style definitions matching the body[class="landscapeRight"] 
                declaration in the iPhoneOrientation.css file will be selected and used 
                to style "Handling iPhone or iPod touch Orientation Events".
            */
            document.body.setAttribute("class","landscapeRight");
            break;
    }

window.onorientationchange = updateOrientation;

<div id="currentOrientation" style="font-size: 40px;">
          Now in portrait orientation (Home button on the bottom).</div>

Примеры веб-страницы можно посмотреть здесь и здесь.

Акселерометр и симулятор

По понятным причинам тестировать приложения в симуляторе не представляется возможным. Для этого нужно использовать реальное устройство.

По ссылке можно посмотреть (а здесь скачать), как все таки можно передавать данные в симулятор. Но, так как там все равно используется реальное устройство, практической
пользы в этом нет. Just for fun.

Ссылки и дополнительные материалы

• 100+ iPhone Games That Use the Accelerometer
• Top 12 iPhone Accelerometer Apps
• 10 Creative Ways to Use the Accelerometer on the iPhone
• Управление без навигационных клавиш?! Или iPhone Accelerometer
• iPhone Coding: Using the Accelerometer
• UIAcceleration Class Reference
• UIAccelerometer Class Reference
  
• UIDevice Class Reference
  
• AccelerometerGraph
• BubbleLevel
• iBells на AppStore

• Сообщество iPhone разработчиков в Украине
• Сообщество пользователей и разработчиков для iPhone в Украине

P. S. Автор статьи Александр Краковецкий (sashaeve), пожалуйста дайте ему инвайт спасибо Speakus за инвайт.