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1、iOS4 中 Core Motion 框架的介紹和使用時間: 2010-08-11 17:31 點擊:829 次在 iOS4 之前，加速度計由 UIAccelerometer 類來負(fù)責(zé)工作，而電子羅盤則由 Core Location 接管。而4 的推出，由于加速度計的升級（有消息說使用的是這款） 和陀螺儀的引入，與 motion 相關(guān)的編程成為重頭戲，所以，蘋果在 iOS4 中增加一個一個專門負(fù)責(zé)該方面處理的框架，就是 Core Motion Framework。這個 Core Motion好處呢？簡單來說，它不僅僅提供給你獲得實時的加速度值和旋轉(zhuǎn)速度值，更重要的是，蘋果在其中集成了很多算法，

2、可以直接給你輸出把重力 加速度分量剝離的加速度，省去你的高通濾波操作，以及提供給你一個專門的設(shè)備的三維 attitude 信息！在iOS4 之前，加速度計由UIAccelerometer 類來負(fù)責(zé)工作，而電子羅盤則由Core Location 接管。而4 的推出，由于加速度計的升級（有消息說使用的是 這款） 和陀螺儀的引入，與mot有這么一個好東西，自然就要好好利用了。下面就介紹一下，如何利用 Core Motion Framework，來獲得對應(yīng)的 motion 信息。Core Motion 在 iOS4.0 主要負(fù)責(zé)三種數(shù)據(jù)：加速度值，陀螺儀值，設(shè)備 motion 值。實際上，這個設(shè)備 m

3、otion 值就是通過加速度和旋轉(zhuǎn)速度進行 fusing 變換算出來的，基本原理后面會介紹。Core Motion 在系統(tǒng)中以單獨的線程的方式去獲得原始數(shù)據(jù)，并同時執(zhí)行一些motion 算法來提取的信息，然后呈獻給應(yīng)用層做進一步處理。Core Motion 框架包含有一個專門的 Manager 類，CMMotionManager，然后由這個 manager 去管理三種和運動相關(guān)的數(shù)據(jù)封裝類，而 且，這些類都是 CMLogItem 類的子類，所以相關(guān)的 motion 數(shù)據(jù)都可以和發(fā)生的時間信息一起保存到對應(yīng)文件中，有了時間戳，兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的實 際更新時間就很容易得到了。這個東西是非常有用的，

4、比希望知道的是每一秒加速度的平均值。些時候，你得到的是 50Hz 的采樣數(shù)據(jù)，但從 Core Motion 中獲取數(shù)據(jù)主要是兩種方式，一種是 Push，就是你提供一個線程管理器 NS OperationQueue，再提供一個 Block（有點像 C 中 的回調(diào)函數(shù)），這樣，Core Motion 自動在每一個采樣數(shù)據(jù)到來的時候回調(diào)這個 Block，進行處理。在這中情況下，block 中的操作會在你自己的主線執(zhí)行。另式叫做 Pull，在這個方式里，你必須主動去像 CoreMotion Manager 要數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)就是最近一次的采樣數(shù)據(jù)。你不去要，Core Motion Manager 就不會

5、給你。當(dāng)然，在這種情況下，Core Motion 所有的操作都在自己的進行，不會有任何干擾你當(dāng)前線程的行為。線程中那接下來就是，我在什么時候選擇什么方式呢？蘋果了一個使用指南，比較了兩種方式的優(yōu)劣，并做出了使用場景的。如下圖所示。應(yīng)該說，兩種方式各自的優(yōu)缺點還是很鮮明的，使用場景也大不一樣，很好區(qū)分。Core Motion 的大體介紹就是這些。下面說說 Core Motion 具體負(fù)責(zé)，計算和處理。Core Motion 的使用就是一：初始化，獲取數(shù)據(jù)，處理后事。在初始化階段，不管你要獲取的是什么數(shù)據(jù)，首先需要做的就是所有的操作都會由這個 manager 接管。后面的初始化操作相當(dāng)直觀，以加速

6、度的 pull 方式為例如果是 push 方式，更新的代碼可以寫成這樣接下來就是獲取數(shù)據(jù)了。Again，很簡單的代碼通過定義的 CMAccelerometerData 變量，獲取 CMAcceleration 信息。和以前的 UIAccelerometer 類的使用方式一樣，CMAcceleration 在Core Motion 中是以結(jié)構(gòu)體形式定義的對應(yīng)的 motion 信息，比如加速度或者旋轉(zhuǎn)速度，就可以直接從這三個成員變量中得到。最后是處理后事，就是在你不需要 Core Motion 進行處理的時候，資源motionManager stopAccelerometerUpdates;/mo

7、tionManager stopGyroUpdates;/motionManager stopDeviceMotionUpdates; motionManager release;typedef struct double x; double y; double z;CMAccelerometerData *newestAccel = motionManager.accelerometerData; filteredAcceleration0 = newestAccel.acceleration.x; filteredAcceleration1 = newestAccel.accelerati

8、on.y; filteredAcceleration2 = newestAccel.acceleration.z;motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:NSOperationQueue currentQueue withHandler:(CMAccelerometerData *latestAcc, NSError *error)/ Your code here;if (!motionManager.accelerometerAvailable) / fail code / 檢查傳感器到底在設(shè)備上是否可用motionManager.acc

9、elerometerUpdateerval = 0.01; / 告訴 manager，更新頻率是 10 0HzmotionManager startAccelerometerUpdates; / 開始更新，線程開始運行。這是 p ull 方式。motionManager = CMMotionManager alloc init;你看，就是這么簡單。當(dāng)然，如果這么 Core Motion 這么簡單，就太無趣了。實際上，Cor e Motion 最好玩的地方，既不是加速度，也不是角速度，而是經(jīng)過 sensor fusing 算法處理的 Device Motion 信息的提供。Core Motion

10、 里面提供了一個叫做 CMDeviceMotion 的類，用來把下圖所示的這些數(shù)據(jù)封裝成 Device Motion 信息：來看看這些被封裝數(shù)據(jù)的介紹。第一個 attitude，就是剛才說到的三維 attitude，通俗來講，就是告訴你在當(dāng)前空間的位置和。第二個是重力信息，其本質(zhì)是重力加速度矢量在當(dāng)前設(shè)備的參考坐標(biāo)系中的表達，開發(fā)不再需要通過濾波來提取這個信息了，因為 Core Motion 已經(jīng)給你了。第三個是加速度信息。同樣，濾波在這里不再需要（根據(jù)程序需求而加的濾波算法自然是可以保留的）。第四個是即時的旋轉(zhuǎn)速率，也就是 roion rate，是陀螺儀的輸出。下面就來詳細介紹一下這四種數(shù)據(jù)

11、。1. Attitude。在 CMDeviceMotion 對象中，attitude 是以property (readonly, nonatomic) CMAttitude *attitude;屬性定義的。一個 CMAttitude 的實例，封裝了關(guān)于當(dāng)前設(shè)備在空間中的姿態(tài)信息。這個信息是由下面集中數(shù)學(xué)表達式定義的：1.一個四元數(shù)。2.3.一個變換 roion 矩陣三個歐拉角 (roll, pitch, 和 yaw)。關(guān)于歐拉角，again，請參考我上一篇文章。四元數(shù)是一種 Attitude Determination System 經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)保存形式，我不是很清楚。而歐拉角和變換矩陣則是

12、相輔相成的，兩者之間可以相互推導(dǎo)。所以這里主要介紹一下對虛擬現(xiàn)實或者都大有幫助的變換矩陣。這個 roion 變換矩陣究竟用呢？來這本質(zhì)上講，變換矩陣給闡述了從一個向量空間到另一個向量空間的關(guān)系。舉個例子，在很多應(yīng)用中都需要對加速度信息進行判斷，但是，用戶在使用的過程中，是不到 t2斷變換的，可以到某個設(shè)備在 t1 時間點的加速度以及重力信息，也可以時間點的信息，卻不能直接拿他們做運 算。為什么？因為由于各個軸方向的變化，加速度和重力信息在 t1 時間點屬于一個向量空間，在 t2 時間點，就屬于另一個向量空間了，如果你硬拿 acc.x1 和 acc.x2 求設(shè)備的運動模式，自然不可能準(zhǔn)的。所以，

13、現(xiàn)在是，要找到兩個三的線性變換 T，讓這個變換關(guān)系幫把某個空間的值變換到另一個空間去，這樣就可以在同一個空間做比較 或者任何計算了。CoreMotion 如何解決這個問題呢？它首先讓你可以在程序開始的初始時間點 t1（比如你畫第一禎的時候）一個 attitude 的值作為參照坐標(biāo)系，假定這個向量是 v_ref。在任何時間點，比如 t2，一個 attitude 的值，假定這個向量是 v_dev，位于當(dāng)前設(shè)備的坐標(biāo)系，那么有以下關(guān) 系：其中 R 就是 roion matrix。由于 v_ref 是正交基向量，所以剛才說到了，v_ref 和v_dev 都是其對應(yīng)向量空間的正交基，而這個 R 矩陣正好

14、是正交矩陣，所有的列向量線性獨立。所以，R 所對應(yīng)的變換，正是而且這是一對一變換。要找的這兩個空間的線性變換，好，上面這個結(jié)論告訴什么呢？你在當(dāng)前時刻 t2的當(dāng)前坐標(biāo)系下的加速度信息，不僅在 t1 時刻的參照坐標(biāo)系下有對應(yīng)的向量，而且僅有一個對應(yīng) 向量！如果定義 a_dev 是當(dāng)前的加速度向量，那么它在參照坐標(biāo)系里面對應(yīng)的加速度向量只有一個，而且肯定可以由下面式子求出這個式子不存在無解的情況，因為正交矩陣都是有逆矩陣的。經(jīng)此變換，你就可以隨意比較和計算不同時間點的加速度和重力信息，從而得出精確的用戶運動模式了。比較有趣的一點是，R 變換矩陣的表達形式，正好表明了 R 和 roion rate

15、的關(guān)系: 當(dāng)前時間點的坐標(biāo)系和參照坐標(biāo)系的變換矩陣，是由陀螺儀提供的 yaw, pitch 和roll 三個軸上角度信息推斷的。于是，再一次，感受到了新加的陀螺儀強大的地方。更強大的地方在于，Core Motion 直接就把 R 矩陣提供給開發(fā)者了，省去了開發(fā)者很多易錯而繁瑣的工作。說了這么多鋪墊，還是簡單介紹一下獲得當(dāng)前時間點的 R 矩陣信息的步驟吧：首先，獲得參考矩陣信息然后在希望得到 R 矩陣的時候，執(zhí)行下列操作：很簡單，也很直觀，一個 multiplyByInverseOfAttitude 的調(diào)用，正好反應(yīng)了剛才推導(dǎo)的矩陣運算關(guān)系。至此，ro做不到了。ionMatrix 被拿到，接下來

16、的事情就只有想不到，沒有2. Gravity 和 UserAcceleration。之所以把他們放在一起講，是因為他們本質(zhì)上比較類似，而且原始的加速度(就是通過 motionManager startAccelerometerUpdates獲得的那個值)本來就是他們的疊加和，換句話說，將原始加速度分解就得到了他們倆，只不過現(xiàn)在蘋果幫你把這個濾波分解給做了。他倆在 Core Motion 中的屬性定義是都是 CMAcceleration 所包裝的結(jié)構(gòu)體。而且，兩者的參考坐標(biāo)系都是一樣的，以設(shè)備的外框架為準(zhǔn)：property (readonly, nonatomic) CMAcceleration

17、 gravity; property (readonly, nonatomic) CMAcceleration UserAcceleration;CMRoionMatrix roion;CMDeviceMotion *deviceMotion = motionManager.deviceMotion; CMAttitude *attitude = deviceMotion.attitude;if (referenceAttitude != nil) attitude multiplyByInverseOfAttitude:referenceAttitude;roion = attitude.r

18、oionMatrix;if (motionManager != nil) CMDeviceMotion *deviceMotion = motionManager.deviceMotion; referenceAttitude = deviceMotion.attitude retain;得到這兩種數(shù)據(jù)的方式比較簡單，就是直接通過celeration/gravity 的三個成員變量即可。motionManager.deviceMotion.userAc3. Roion rate。旋轉(zhuǎn)速率是通過叫 CMRoionRate 的結(jié)構(gòu)體封裝的，其變量定義和 CMAcceleration 一模一樣。正負(fù)的確定，由右手法 則判斷。看到這里，不少朋友可能會有問題：這個數(shù)據(jù)，和之前介紹的直接通過 motionManager 獲得的 CMGyroData區(qū)別呢？通過 Device Motion 封裝處理后的 Roion rate，去掉了原始的 CMGyroData 所有的bias。舉個例子，如果把設(shè)備放在桌上不動，理想情況下，陀螺儀的輸出應(yīng)該是 0。問題在于， 你直接從陀螺儀獲得的原始數(shù)據(jù)并不是 0，而是由很多不確定值，這其中就包括了很多的漂移誤差等等，比如陀螺儀溫漂，就會影響到導(dǎo)致的非 0的讀數(shù)。 Core M