Cardboard Talk02 Accelerometer

操作系统:Windows8.1

显卡:Nivida GTX965M

开发工具：Android studio 3.0.0 | Cardboard 1.0

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在深入讨论具体实现之前，有必要了解一下Android系统的 IMU 传感器与坐标系之间的关系及关系转换，才不至于在后面实现、应用中搞混坐标系。在此借机会翻译 NVDIA 的一篇文章 Tegra Android Accelerometer Whitepaper ，内容如有不当之处请指教。

Introduction

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移动便携设备可以进行多方向的旋转。很多情景下，应用程序需要考虑通过何种方式影响他们，比如自定义用户UI时的 landscape 风景模式 或者 portriat 肖像模式时，或者解读原始的传感器数据时。应用程序在使用加速度计 accelerometer 获取原始数据必须要经过特殊处理，换句话说为了获得良好的用户体验，还要加入设备及操作系统的考虑因素。

虽然加速度计 accelerometer 是许多软件应用重要的输入设备，但是有一些开发者正在使用错误的方式来处理加速度计的数据。更重要的是，这些应用程序没有考虑到设备的方向，这会直接导致糟糕的用户体验。处理加速度计正确的方向是一件简单、容易的事情，我们将在接下来的章节中讨论。

Coordinate Space Glossary

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Android系统会以绝对值的形式上报加速度计的值。最初上报的数值始终是物理传感器的数据，经过调整为 canonical 规范格式，以便所有设备以相同形式上报、处理数据。Android 不会根据设备方向将加速度计数据转换。应用程序必须自己执行转换过程。

为说明转换过程，本文档定义坐标空间概念以及各个坐标空间之间的转换关系。

Space	Description
设备坐标空间	加速度计设备可以按照各种方式输出加速度值，并且不受到任何标准的限制。
规范坐标空间	为规范设备每帧输出的坐标数据，Android要求必须重新对设备坐标系 Device Raw 进行映射。所以，当设备朝向右移动时，正X轴增加，当设备朝上移动时，正Y轴增加，当设备朝向屏幕方向移动时，正Z轴增加，反之亦然。 有关 Canonical 加速度计各轴的布局结构请参阅 Accelerometer Canonical Axes 。
屏幕坐标空间	Android窗体管理器的屏幕坐标系原点在左上角，最大坐标在右下角，即增加X是向右，增加Y是向下。Android的 Display 管理器会根据传感器读取的数据改变屏幕方向。屏幕坐标系总是相对于当前的旋转角度。
世界坐标空间	这个坐标空间是特定于 OpenGLES 应用程序的。应用程序开发人员可能需要修改代码以适应本文档中的假设条件，默认使用右手坐标系，up可以是任意的矢量。

下表显示了需要做的转换关系，并为本文定义了一个词汇表。OpenGL应用程序通常会使用 canonToWorld 。基于Android窗体系统的应用程序将使用 canonToScreen。混合开发的应用程序，例如基于Android窗体系统且应用OpenGL渲染内容的将需要两者。

需要注意的是，加速度计设备驱动程序会处理 Canonical Space，即处理 deviceToCanon 转换。本文档着重于 canonToScreen 和 canonToWorld 转换。

Accelerometer Canonical Axes

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以下图示显示了基于给定设备和方向的加速度计值的变化。它们包括一个基于垂直 portrait 肖像布局的原生设备，一个旋转到横向的 portriat 肖像设备，以及一个横向 landscape 风景布局原生设备，规范化 Canonical x/y/z 加速度计 轴/值。

移动设备原生肖像模式  Orientation 0

移动设备原生肖像模式 Orientation 90

移动设备原生风景模式 Orientation 0

Working with Acclerometer Data

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加速度计的值必须根据 Display 对象返回的方向进行旋转，才可能在屏幕上获取期望的结果。Android获取屏幕旋转朝向的API为 getOrientation() 或者 getRotation() ，他们都会返回同样的结果，但是前者不建议在继续使用。

这些函数返回的值对应 Android.view.Surface 类中带有 ROTATION_ 前缀的整数和常量。下面是调用其中一个函数的例子。其中 this 代表 Activity 类型对象。

WindowManager windowMgr =
     (WindowManager)this.getSystemService(WINDOW_SERVICE);
int rotationIndex = windowMgr.getDefaultDisplay().getRotation();

返回常量为：

Constant Name	Index/Value
ROTATION_0	0
ROTATION_90	1
ROTATION_180	2
ROTATION_270	3

应用程序可以使用旋转值构建转换矩阵，该矩阵将会转换 Android Canonical 加速度计数据到其他的坐标系空间。为了将标准的 Canonical 加速度计数值转换为屏幕或者世界坐标系下的数值。一个基于 rotationIndex 索引的 canonAccel 向量需要按照90度的增量旋转，其中 ROTATION_0 意味着不需要旋转。

为了进行 canonToScreen 转换，定义旋转方程为：

screenAccel[0] = canonAccel[0] * cos⁡ - canonAccel[1] * sin⁡ 
screenAccel[1] = -canonAccel[0] * sin⁡ - canonAccel[1] * cos⁡ 
screenAccel[2] = canonAccel[2]

其中：

一个 canonToScreen 转换的函数实现如下：

static void canonicalToScreen(int     displayRotation,
                              float[] canVec,
                              float[] screenVec)
{
     struct AxisSwap
     {
          signed char negateX;
          signed char negateY;
          signed char xSrc;
          signed char ySrc;
     };
     static const AxisSwap axisSwap[] = {
          { 1, -1, 0, 1 },   // ROTATION_0
          {-1, -1, 1, 0 },   // ROTATION_90
          {-1,  1, 0, 1 },   // ROTATION_180
          { 1,  1, 1, 0 } }; // ROTATION_270

     const AxisSwap& as = axisSwap[displayRotation];
     screenVec[0] = (float)as.negateX * canVec[ as.xSrc ];
     screenVec[1] = (float)as.negateY * canVec[ as.ySrc ];
     screenVec[2] = canVec[2];
}

对于 canonToWorld 转换，旋转按照如下公式进行：

screenAccel[0] = canonAccel[0] * cos⁡ - canonAccel[1] * sin⁡ 
screenAccel[1] = canonAccel[0] * sin⁡ + canonAccel[1] * cos⁡ 
screenAccel[2] = canonAccel[2]

轴对称的转换相关数据可以预置在静态数组中，如下列函数 canonicalToWorld()，将标准空间加速度向量转换成OpenGL风格的世界空间向量时，使用简单的整数查找数组避免昂贵的三角函数计算代价。

static void canonicalToWorld( int           displayRotation,
                              const float*  canVec,
                              float*        worldVec)
{
     struct AxisSwap
     {
          signed char negateX;
          signed char negateY;
          signed char xSrc;
          signed char ySrc;
     };
     static const AxisSwap axisSwap[] = {
          { 1,  1, 0, 1 },   // ROTATION_0
          {-1,  1, 1, 0 },   // ROTATION_90
          {-1, -1, 0, 1 },   // ROTATION_180
          { 1, -1, 1, 0 } }; // ROTATION_270

     const AxisSwap& as = axisSwap[displayRotation];
     worldVec[0] = (float)as.negateX * canVec[ as.xSrc ];
     worldVec[1] = (float)as.negateY * canVec[ as.ySrc ];
     worldVec[2] = canVec[2];
}

下一个函数将根据对应的坐标轴计算旋转角度，该转换会参考加速度计上方向 localUp 。函数以向量的形式返回 旋转轴 rotAxis 和 对应的旋转角度 angles ，获得以上数据后就可以针对世界空间进行转换矩阵、四元数的创建。

void computeAxisAngle(const float* localUp, const float* worldVec,
                      float* rotAxis, float* ang)
{
     const Vec3& lup  =  *(Vec3*)localUp;
     Vec3 nTarget     =  normalize(*(Vec3*)worldVec);
     *rotAxis         =  cross(lup, nTarget);
     *rotAxis         =  normalize(*rotAxis);
     *ang             = -acosf(dot(lup, nTarget));
}

Power Conservation

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为了节省设备电量，应用程序应该选择低级别的加速度计更新频率。可以选择的更新频率级别均定义在 android.hardware.sensormanager 中，下表显示了按照降序排列的加速度计更新频率级别。

Constant Name	Relative Speed
SENSOR_DELAY_FASTEST	fastest
SENSOR_DELAY_GAME	faster
SENSOR_DELAY_NORMAL	slower
SENSOR_DELAY_UI	slowest

一个设置传感器更新频率的示例如下：

if (mSensorManager == null)
    mSensorManager = (SensorManager)getSystemService(SENSOR_SERVICE);
if (mSensorManager != null)
    mSensorManager.registerListener(
         this,
         mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER),
         SENSOR_DELAY_GAME );　　

额外需要注意的是 delay 值是抽象的，该值与具体的设备有关。因此同样的更新级别在不同手机表现会有所不同。保证设备更新频率唯一的方法就是在运行时测量返回的速率。

Supporting Older OS Versions

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为了支持比较老的Android系统比如 Froyo / v2.2。可能需要使用比较旧的API功能 getOrientation()。下面演示动态绑定的例子，需要注意的是 getOrientation() 可能会在未来Android版本中消失。

WindowManager wm;
Method getRotation;

wm = (WindowManager)this.getSystemService(WINDOW_SERVICE);
Class<Display> c = (Class<Display>)wm.getDefaultDisplay().getClass();
Method[] methods = c.getDeclaredMethods();
String rotFnName = new String("getRotation");
for( Method method : methods )
{
     Log.d("Methods", method.getName());
     if( method.getName().equals( rotFnName ))
     {
         getRotation = method;
         break;
     }
}

int orientation;
Display display = wm.getDefaultDisplay();

if( getRotation != null )
{
     try
     {
         Integer i = (Integer)getRotation.invoke(d);
         orientation = i.intValue();
     }
     catch(Exception e) {}
}
else
{
     orientation = display.getOrientation();
}

需要补充的是NDK并没有直接获取 Display 的方式，但是可以间接的传递 Context 对象，通过反射获取 WindowManager 及 Display 对象，从而调用 getOrientation() 或 getRotation() 。但是该方法性能比较堪忧，毕竟使用了反射。另一个方式是从上层将 getOrientation() 或者 getRotation() 的值传递到 native层使用。