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獲取Android裝置的方向 ,使用加速度重力感測器

帶有g-sensor的Android裝置上可通過API獲取到裝置的運動加速度,應用程式通過一些假設和運算,可以從加速度計算出裝置的方向

獲取裝置運動加速度的基本程式碼是:

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        SensorManager sm = (SensorManager) context.getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
        sm.registerListener(new SensorEventListener() {

            public void onSensorChanged(SensorEvent event) {
                if
(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER != event.sensor.getType()) { return; } float[] values = event.values; float ax = values[0]; float ay = values[1]; float az = values[2]; // TODO Have fun with the acceleration components...
} public void onAccuracyChanged(Sensor sensor, int accuracy) { } }, sm.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER), SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);
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SendorEventListener 通過 SendorEvent 回撥引數獲得當前裝置在座標系x、y、z軸上的加速度分量。SensorEvent 的 api doc 中定義了這裡使用的座標系為:

我暫且稱之為“裝置座標系”吧,裝置座標系是固定於裝置的,與裝置的方向(在世界座標系中的朝向)無關

精確地說,Sensor Event 所提供的加速度數值,是裝置以地球為參照物的加速度減去重力加速度的疊加後的值。我是這樣理解的:當以重力加速度g向地面作自由落體運動時,手機處於失重狀態,g-sensor以這種狀態作為加速度的0;而當手機處於靜止狀態(相對於地面)時,為了抵禦自由落體運動的趨勢,它有一個反向(向上)的g的加速度。因此,得出一個結論:當裝置處於靜止或者勻速運動狀態時,它有一個垂直地面向上的g的加速度,這個g投影到裝置座標系的x、y、z軸上,就是SensorEvent 提供給我們的3個分量的數值。在“裝置處於靜止或者勻速運動狀態”的假設的前提下,可以根據SensorEvent所提供的3個加速度分量計算出裝置相對於地面的方向

前面所提到的“裝置的方向”是一個含糊的說法。這裡我們精確地描述裝置方向為:以垂直於地面的方向為正方向,用裝置座標系x、y、z軸與正方向軸之間的夾角Ax、Ay、Az來描述裝置的方向,如下圖所示。可以看出,裝置還有一個自由度,即:繞著正方向軸旋轉,Ax、Ay、Az不變。但Ax、Ay、Az的約束條件,對於描述裝置相對於正方向軸的相對位置已經足夠了。如果需要完全約束裝置相對於地面的位置,除了正方向軸外,還需要引入另一個參照軸,例如連線地球南、北極的地軸(如果裝置上有地磁強度Sensor,則可滿足該約束條件)

Ax、Ay、Az的範圍為[0, 2*PI)。例如,當Ay=0時,手機y軸豎直向上;Ay=PI時,手機y軸向下;Ay=PI/2時,手機水平、螢幕向上;Ay=3*PI/2時,手機水平、螢幕向下

根據3D向量代數的法則,可知:

  • Gx=g*cos(Ax)
  • Gy=g*cos(Ay)
  • Gz=g*cos(Az)
  • g^2=Gz^2+Gy^2+Gz^2

因此,根據Gx、Gy、Gz,可以計算出Ax、Ay、Az

在x-y平面上的2D簡化

當Ax、Ay確定時,Az有兩種可能的值,二者相差PI,確定了裝置螢幕的朝向是向上還是向下。大多數情況下,我們只關心Ax、Ay(因為程式UI位於x-y平面?),而忽略Az,例如,Android的螢幕自動旋轉功能,不管使用者是低著頭看螢幕(螢幕朝上)、還是躺在床上看(螢幕朝下),UI始終是底邊最接近地心的方向

那麼我們設Gx與Gy的向量和為g'(即:g在x-y平面上的投影),將計算簡化到x-y 2D平面上。記y軸相對於g'的偏角為A,以A來描述裝置的方向。以逆時針方向為正,A的範圍為[0, 2*PI)

有:

  • g'^2=Gx^2+Gy^2
  • Gy=g'*cos(A)
  • Gx=g'*sin(A)

則:

  • g'=sqrt(Gx^2+Gy^2)
  • A=arccos(Gy/g')

由於arccos函數值範圍為[0, PI];而A>PI時,Gx=g'*sin(A)<0,因此,根據Gx的符號分別求A的值為:

  • 當Gx>=0時,A=arccos(Gy/g')
  • 當Gx<0時,A=2*PI-arccos(Gy/g')

注意:由於cos函式曲線關於直線x=n*PI 對稱,因此arccos函式的曲線如果在y軸方向[0, 2*PI]範圍內補全的話,則關於直線y=PI對稱,因此有上面當Gx<0時的演算法

考慮應用程式的螢幕旋轉

前面計算出了Android裝置的“物理螢幕”相對於地面的旋轉角度,而應用程式的UI又相對於“物理螢幕”存在0、90、180、270度4種可能的旋轉角度,要綜合考慮進來。也就是說:

  • UI相對於地面的旋轉角度=物理螢幕相對於地面的旋轉角度-UI相對於物理螢幕的旋轉角度

Android應用獲取螢幕旋轉角度的方法為:

        int rotation = activity.getWindowManager().getDefaultDisplay().getRotation();
        int degree= 90 * rotation;
        float rad = (float)Math.PI / 2 * rotation;

Demo

根據上面的演算法,我寫了一個“不倒翁”的Demo,當裝置旋轉時,不倒翁始終是站立的。軟體市場上不少“水平尺”一類的應用,其實現原理應該是與此相同的

Activity實現了SensorEventListener,並且註冊到SensorManager。同時設定螢幕方向固定為LANDSCAPE:

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    private GSensitiveView gsView;
    private SensorManager sm;

    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        setRequestedOrientation(ActivityInfo.SCREEN_ORIENTATION_LANDSCAPE);
        super.onCreate(savedInstanceState);

        gsView = new GSensitiveView(this);
        setContentView(gsView);

        sm = (SensorManager) getSystemService(SENSOR_SERVICE);
        sm.registerListener(this, sm.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER), SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);
    }

    @Override
    protected void onDestroy() {
        sm.unregisterListener(this);
        super.onDestroy();
    }
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當g-sensor資料變化時的回撥如下。這裡就是根據我們前面推論的演算法計算出UI旋轉的角度,並且呼叫GSensitiveView.setRotation()方法通知View更新

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    public void onSensorChanged(SensorEvent event) {
        if (Sensor.TYPE_ACCELEROMETER != event.sensor.getType()) {
            return;
        }

        float[] values = event.values;
        float ax = values[0];
        float ay = values[1];

        double g = Math.sqrt(ax * ax + ay * ay);
        double cos = ay / g;
        if (cos > 1) {
            cos = 1;
        } else if (cos < -1) {
            cos = -1;
        }
        double rad = Math.acos(cos);
        if (ax < 0) {
            rad = 2 * Math.PI - rad;
        }

        int uiRot = getWindowManager().getDefaultDisplay().getRotation();
        double uiRad = Math.PI / 2 * uiRot;
        rad -= uiRad;

        gsView.setRotation(rad);
    }
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GSensitiveView是擴充套件ImageView的自定義類,主要是根據旋轉角度繪製圖片:

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    private static class GSensitiveView extends ImageView {

        private Bitmap image;
        private double rotation;
        private Paint paint;

        public GSensitiveView(Context context) {
            super(context);
            BitmapDrawable drawble = (BitmapDrawable) context.getResources().getDrawable(R.drawable.budaow);
            image = drawble.getBitmap();

            paint = new Paint();
        }

        @Override
        protected void onDraw(Canvas canvas) {
            // super.onDraw(canvas);
            double w = image.getWidth();
            double h = image.getHeight();

            Rect rect = new Rect();
            getDrawingRect(rect);

            int degrees = (int) (180 * rotation / Math.PI);
            canvas.rotate(degrees, rect.width() / 2, rect.height() / 2);
            canvas.drawBitmap(image, //
                    (float) ((rect.width() - w) / 2),//                    (float) ((rect.height() - h) / 2),//                    paint);
        }

        public void setRotation(double rad) {
            rotation = rad;
            invalidate();
        }

    }
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