Cardboard Talk01 HeadTracker

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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使用 Google 的 Cardboard开发VR应用，会用到其中的几个功能，其中一个便是头部跟踪，即HeadTracker。接下来几个章节将会逐一分析 Cardboard 头部跟踪的具体设计和实现。考虑新版本的SDK已经不再提供源代码的支持，故采用比较老的版本对源代码进行分析说明。

Overview Of HeadTracker

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有关头部跟踪的代码均在 com.google.vrtoolkit.cardboard.sensors 包下。SDK通过 HeadTracker 对外提供服务，该类内部通过 DeviceSensorLooper 完成对Android系统的 SensorManager 的绑定、监听工作。通过 OrientationEKF 完成旋转角度的转换工作，其中涉及到应用扩展卡尔曼滤波及罗德里格旋转公式，该部分会在后面章节用到的时候逐一介绍。首先通过一张图，看一下 HeadTracker 与 DeviceSensorLooper 的关系结构。

从类结构来看 HeadTracker 实现了Android系统的 SensorEventListener接口，该接口提供了必要的功能定义，用于监听系统对应的传感器的回调。换句话说 HeadTracker 将会作为监听器间接的或者直接的用以注册到系统的 SensorManager中，获取源源不断的传感器数据。下面分别介绍几个主要的 PublicAPI 。

1. createFromContext(Context) 根据传递的Context创建 HeadTracker Instance：

public static HeadTracker createFromContext(final Context context) {
        final SensorManager sensorManager = (SensorManager)context.getSystemService("sensor");
        final Display display = ((WindowManager)context.getSystemService("window")).getDefaultDisplay();
        return new HeadTracker(new DeviceSensorLooper(sensorManager), new SystemClock(), display);
    }

该函数获取系统的 SensorManager，如之前所述用于注册监听器获取传感器数据。接下来通过 WindowManager 获取默认的 Display对象，用于判断当前设备屏幕的旋转朝向。接着创建 DeviceSensorLooper 作为一个中间层内部启用了一个线程维护 SensorEventListener与 SensorManager的交互操作及外部控制逻辑，并将之前获取的 sesorManager 作为构造参数使用。最后实例化的是 SystomClock，该实例用于获得系统精确的 nano time 参与计算旋转角度。

2. onSensorChanged(SensorEvent) 将获取的传感器数据缓存，并传递给 OrientationEKF 进行处理以获得更准确的旋转数据。值得注意的是头部跟踪相关的传感器类型为应加速度计 Acc 和陀螺仪 Gyro。

public void onSensorChanged(final SensorEvent event) {
        if (event.sensor.getType() == 1) {
            this.mLatestAcc.set(event.values[0], event.values[1], event.values[2]);
            this.mTracker.processAcc(this.mLatestAcc, event.timestamp);
        }
        else if (event.sensor.getType() == 4) {
            this.mLatestGyroEventClockTimeNs = this.mClock.nanoTime();
            this.mLatestGyro.set(event.values[0], event.values[1], event.values[2]);
            Vector3d.sub(this.mLatestGyro, this.mGyroBias, this.mLatestGyro);
            this.mTracker.processGyro(this.mLatestGyro, event.timestamp);
        }
    }

3. startTracking() 开启头部跟踪功能。

public void startTracking() {
        if (this.mTracking) {
            return;
        }
        this.mTracker.reset();
        this.mSensorEventProvider.registerListener((SensorEventListener)this);
        this.mSensorEventProvider.start();
        this.mTracking = true;
    }

重置 OrientationEKF 对象，向 SensorEventProvider 接口的实现类 DeviceSensorLooper 对象注册 HeadTracker 实例本身。除此之外开启 DeviceSensorLooper 线程，最后设置上下文 mIsRunning 为 true 。

4. stopTracking() 关闭头部跟踪功能。

@Override
    public void stop() {
        if (!this.mIsRunning) {
            return;
        }
        this.mSensorManager.unregisterListener(this.mSensorEventListener);
        this.mSensorEventListener = null;
        this.mSensorLooper.quit();
        this.mSensorLooper = null;
        this.mIsRunning = false;
    }

从传感器管理器移除所有的监听器，停止监听。并结束传感器线程，设置上下文 mIsRunning 为 false。

5. setGyroBias(float[]) 设置陀螺仪Gyro的偏好数据，对于头部跟踪的最小原型，该函数是非必要的。

public void setGyroBias(final float[] gyroBias) {
        if (gyroBias == null) {
            this.mGyroBias.setZero();
            return;
        }
        if (gyroBias.length != 3) {
            throw new IllegalArgumentException("Gyro bias should be an array of 3 values");
        }
        this.mGyroBias.set(gyroBias[0], gyroBias[1], gyroBias[2]);
    }

6. setNeckModelEnabled(boolean) 开启颈部模型偏移数据。

public void setNeckModelEnabled(final boolean enabled) {
        this.mNeckModelEnabled = enabled;
    }

关于该函数没什么好说的，该功能默认是关闭的，如果开启需要留意类中定义了颈部模型的offset补偿的参数：

private static final float DEFAULT_NECK_HORIZONTAL_OFFSET = 0.08f;
private static final float DEFAULT_NECK_VERTICAL_OFFSET = 0.075f;
private static final boolean DEFAULT_NECK_MODEL_ENABLED = false;

Details of DeviceSensorLooper

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在介绍 getLastHeadView(float[], int) 函数之前，先看一下 DeviceSensorLooper 的设计与实现，以便更好的理解后续的逻辑。该类的初始化阶段定义了感兴趣的传感器类型：

static {
        INPUT_SENSORS = new int[] { 1, 4 };
    }

1. constructor(SensorManager) 现在看一下构造函数的定义实现：保存 HeadTracker 传递进来的系统 SensorManager 实例引用，用于注册监听器所使用。

public DeviceSensorLooper(final SensorManager sensorManager) {
        super();
        this.mRegisteredListeners = new ArrayList<SensorEventListener>();
        this.mSensorManager = sensorManager;
    }

2. start() 开启独立工作线程，监听传感器传递的数据，并向注册的监听器回调获取到的数据，可以看到在内部类中引用了监听器集合 mRegisteredListeners，会遍历所有的监听器分发数据。

@Override
    public void start() {
        if (this.mIsRunning) {
            return;
        }
        this.mSensorEventListener = (SensorEventListener)new SensorEventListener() {
            public void onSensorChanged(final SensorEvent event) {
                for (final SensorEventListener listener : DeviceSensorLooper.this.mRegisteredListeners) {
                    synchronized (listener) {
                        listener.onSensorChanged(event);
                    }
                }
            }

            public void onAccuracyChanged(final Sensor sensor, final int accuracy) {
                for (final SensorEventListener listener : DeviceSensorLooper.this.mRegisteredListeners) {
                    synchronized (listener) {
                        listener.onAccuracyChanged(sensor, accuracy);
                    }
                }
            }
        };
        final HandlerThread sensorThread = new HandlerThread("sensor") {
            protected void onLooperPrepared() {
                final Handler handler = new Handler(Looper.myLooper());
                for (final int sensorType : DeviceSensorLooper.INPUT_SENSORS) {
                    final Sensor sensor = DeviceSensorLooper.this.mSensorManager.getDefaultSensor(sensorType);
                    DeviceSensorLooper.this.mSensorManager.registerListener(DeviceSensorLooper.this.mSensorEventListener, sensor, 0, handler);
                }
            }
        };
        sensorThread.start();
        this.mSensorLooper = sensorThread.getLooper();
        this.mIsRunning = true;
    }
    

函数的后半部分，会实例化线程的Handler，并在Handler初始化的时候获取感兴趣的传感器对象，并最终注册代理 SensorEventListener 对象。完成后启动线程，并修改标志位为已运行状态。

2. stop() 停传感器工作线程，移除代理中间监听器对象，退出线程并修改标志位为停止运行状态。

@Override
    public void stop() {
        if (!this.mIsRunning) {
            return;
        }
        this.mSensorManager.unregisterListener(this.mSensorEventListener);
        this.mSensorEventListener = null;
        this.mSensorLooper.quit();
        this.mSensorLooper = null;
        this.mIsRunning = false;
    }

3. registerListener(SensorEventListener) 向外部提供接口，用以注册外部Sensor监听器对象。

@Override
    public void registerListener(final SensorEventListener listener) {
        synchronized (this.mRegisteredListeners) {
            this.mRegisteredListeners.add(listener);
        }
    }

4. unregisterListener(SensorEventListener) 向外部提供接口，用以注销外部Sensor监听器对象。

@Override
    public void unregisterListener(final SensorEventListener listener) {
        synchronized (this.mRegisteredListeners) {
            this.mRegisteredListeners.remove(listener);
        }
    }

Brief summary

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Cardboard SDK 为获取系统的传感器数据，定义了 DeviceSensorLooper 对象维护系统内部 SensorManager 与外部 SensorEventListener 监听器的联系，其内部开启了一个独立的worker工作线程专门负责传感器数据的获取与分发。而 HeadTracker 通过注册自身到 DeviceSensorLooper 中最终获得了有效的传感器原始数据，Acc 与 Gyro。

目前位置，拿到传感器原始数据后，如何计算精准的旋转矩阵并未提及。该部分将会在接下来的章节逐一讨论。