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:
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);
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:
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(); }
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
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); }
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:
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(); } }