59、iOS开发：陀螺仪与加速度计的应用与实践

iOS开发：陀螺仪与加速度计的应用与实践

在iOS开发中，陀螺仪和加速度计是非常实用的传感器，它们能为应用增添丰富的交互体验。下面将详细介绍如何使用它们，以及相关的应用示例。

1. 访问运动数据

首先，我们可以通过实现 viewWillAppear: 和 viewDidDisappear: 方法来管理定时器，以定期更新显示的运动数据。以下是具体代码：

- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
    [super viewWillAppear:animated];
    self.updateTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0/10.0
                                                        target:self
                                                      selector:@selector(updateDisplay)  
                                                      userInfo:nil  
                                                       repeats:YES];
}

- (void)viewDidDisappear:(BOOL)animated {
    [super viewDidDisappear:animated];
    self.updateTimer = nil;
}

在 viewWillAppear: 方法中，创建了一个新的定时器，每1/10秒触发一次 updateDisplay 方法。接下来，我们需要实现 updateDisplay 方法：

- (void)updateDisplay {
    if (motionManager.accelerometerAvailable) {
        CMAccelerometerData *accelerometerData = motionManager.accelerometerData;
        accelerometerLabel.text  = [NSString stringWithFormat:
                     @"Accelerometer\n-----------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",  
                     accelerometerData.acceleration.x,  
                     accelerometerData.acceleration.y,  
                     accelerometerData.acceleration.z];
    }
    if (motionManager.gyroAvailable) {
        CMGyroData *gyroData = motionManager.gyroData;
        gyroscopeLabel.text = [NSString stringWithFormat:
                     @"Gyroscope\n--------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",  
                     gyroData.rotationRate.x,  
                     gyroData.rotationRate.y,  
                     gyroData.rotationRate.z];
    }
}

这个方法会检查加速度计和陀螺仪是否可用，如果可用，则获取相应的数据并更新标签显示。

2. 加速度计结果分析

iPhone的加速度计可以检测三个轴上的加速度，使用 CMAcceleration 结构体提供信息。每个 CMAcceleration 有x、y和z字段，分别表示浮点数。值为0表示该轴上没有检测到运动，正值或负值表示某个方向上的力。例如，y值为负表示检测到向下的拉力，可能意味着手机正竖屏握持；y值为正表示相反方向的力，可能表示手机倒置或向下移动。

在实际使用中，由于加速度计非常敏感，几乎不可能得到非常精确的值，通常在三个轴上都会检测到微小的力。

3. 检测摇晃

摇晃可以作为应用的一种输入方式，例如GLPaint绘图程序允许用户通过摇晃iOS设备来擦除绘图。检测摇晃相对简单，只需要检查某个轴上的绝对值是否超过设定的阈值。在正常使用中，三个轴上的值通常可达1.3g左右，而超过这个值通常需要有意施加力。加速度计似乎无法检测超过2.3g的值，因此阈值不要设置得太高。

以下是简单的摇晃检测代码：

- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer
        didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration {

    if (fabsf(acceleration.x) > 2.0
       || fabsf(acceleration.y) > 2.0
       || fabsf(acceleration.z) > 2.0) {
       // Do something here...
    }
}

这个方法会检测任何轴上超过2g力的运动。

还可以实现更复杂的摇晃检测，要求用户在一定时间内来回摇晃一定次数才算一次摇晃：

- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer
        didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration {

    static NSInteger shakeCount = 0;
    static NSDate *shakeStart;

    NSDate *now = [[NSDate alloc] init];
    NSDate *checkDate = [[NSDate alloc] initWithTimeInterval:1.5f
        sinceDate:shakeStart];
    if ([now compare:checkDate] == NSOrderedDescending  
            || shakeStart == nil) {
        shakeCount = 0;
        shakeStart = [[NSDate alloc] init];
    }

    if (fabsf(acceleration.x) > 2.0
        || fabsf(acceleration.y) > 2.0
        || fabsf(acceleration.z) > 2.0) {
        shakeCount++;
        if (shakeCount > 4) {
           // Do something
           shakeCount = 0;
           shakeStart = [[NSDate alloc] init];
        }
    }
}

这个方法会跟踪加速度计报告的值超过2.0的次数，如果在1.5秒内发生4次，则认为是一次摇晃。

4. 内置摇晃检测

iOS还提供了内置的摇晃检测方法，通过响应链来实现。有三个响应方法用于检测运动：
- motionBegan:withEvent: ：运动开始时，该方法会发送给第一响应者，并通过响应链传递。
- motionEnded:withEvent: ：运动结束时，该方法会发送给第一响应者。
- motionCancelled:withEvent: ：如果在摇晃过程中发生中断（如电话铃声），该消息会发送给第一响应者。

除非需要对摇晃手势有更多的控制，否则建议使用内置的运动检测方法。

5. 摇晃并破坏应用示例

下面我们来创建一个名为 ShakeAndBreak 的应用，该应用会检测摇晃，并让手机看起来和听起来像是因为摇晃而损坏。

5.1 创建项目

在Xcode中使用Single View Application模板创建一个新项目，命名为 ShakeAndBreak 。将项目存档中 19 - ShakeAndBreak 文件夹下的 home.png 、 homebroken.png 、 glass.wav 和 icon.png 文件拖到项目中。

5.2 配置属性列表

展开 Supporting Files 文件夹，选择 ShakeAndBreak-Info.plist 打开属性列表编辑器。右键点击编辑器，选择 Show Raw Keys/Values 选项，以便查看配置的真实名称。点击任意行，按回车键添加新行，将新行的 Key 改为 UIStatusBarHidden ，将 Value 从默认的 NO 改为 YES 。最后，展开 CFBundleIconFiles 数组项，按回车键添加一个新的 String 项，在 Value 列中输入 icon.png 。

5.3 创建视图控制器

编辑 BIDViewController.h 文件，添加以下代码：

#import <UIKit/UIKit.h>
#import <CoreMotion/CoreMotion.h>
#import <AudioToolbox/AudioToolbox.h>

#define kAccelerationThreshold       1.7
#define kUpdateInterval              (1.0f / 10.0f)

@interface BIDViewController : UIViewController
    <UIAccelerometerDelegate>

@property (weak, nonatomic) IBOutlet UIImageView *imageView;
@property (strong, nonatomic) CMMotionManager *motionManager;
@property (assign, nonatomic) BOOL brokenScreenShowing;
@property (assign, nonatomic) SystemSoundID soundID;
@property (strong, nonatomic) UIImage *fixed;
@property (strong, nonatomic) UIImage *broken;
@end

保存头文件后，选择 BIDViewController.xib 在Interface Builder中编辑。点击 View 图标选择视图，打开属性检查器，将 Simulated Metrics 下的 Status Bar 弹出菜单从 Gray 改为 None 。从库中拖动一个 Image View 到布局区域的视图中，使其自动调整大小以填充整个窗口。通过 Control-drag 从 File’s Owner 图标到 Image View ，选择 imageView 出口，然后保存nib文件。

5.4 实现视图控制器方法

编辑 BIDViewController.m 文件，在文件顶部添加以下代码：

#import "BIDViewController.h"

@implementation BIDViewController
@synthesize imageView;
@synthesize motionManager;
@synthesize brokenScreenShowing;
@synthesize soundID;
@synthesize fixed;
@synthesize broken;

实现 viewDidLoad 方法：

- (void) viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.

    NSString *path = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"glass"
                                                     ofType:@"wav"];
    NSURL *url = [NSURL fileURLWithPath:path];
    AudioServicesCreateSystemSoundID((__bridge CFURLRef)url,
                                     &soundID);
    self.fixed = [UIImage imageNamed:@"home.png"];
    self.broken = [UIImage imageNamed:@"homebroken.png"];

    imageView.image = fixed;

    self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
    motionManager.accelerometerUpdateInterval = kUpdateInterval;
    NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
    [motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:queue
                                        withHandler:
     ^(CMAccelerometerData *accelerometerData, NSError *error){
        if (error) {
            [motionManager stopAccelerometerUpdates];
        } else {
            if (!brokenScreenShowing) {
                CMAcceleration acceleration = accelerometerData.acceleration;
                if (acceleration.x > kAccelerationThreshold
                    || acceleration.y > kAccelerationThreshold
                    || acceleration.z > kAccelerationThreshold) {
                    [imageView performSelectorOnMainThread:@selector(setImage:)
                                                withObject:broken
                                             waitUntilDone:NO];
                    AudioServicesPlaySystemSound(soundID);
                    brokenScreenShowing = YES;
                }
            }
        }
    }];
}

在 viewDidUnload 方法中添加以下代码：

- (void)viewDidUnload
{
    [super viewDidUnload];
    // Release any retained subviews of the main view.
    // e.g. self.myOutlet = nil;
    self.imageView = nil;
    self.motionManager = nil;
    self.fixed = nil;
    self.broken = nil;
}

最后，在文件底部添加以下方法：

#pragma mark -
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    imageView.image = fixed;
    brokenScreenShowing = NO;
}

在 viewDidLoad 方法中，我们首先创建一个指向声音文件的 NSURL 对象，将其加载到内存中，并将分配的标识符保存到 soundID 实例变量中。然后加载两张图片，设置 imageView 显示未损坏的截图，并将 brokenScreenShowing 设置为 NO 。接着创建 CMMotionManager 和 NSOperationQueue ，启动加速度计，并在每次加速度计值变化时执行一个块。如果块检测到加速度值足够高以触发“损坏”，则将 imageView 切换到损坏的图像并播放损坏的声音。

最后，添加 CoreMotion.framework 和 AudioToolbox.framework ，以便播放声音文件。编译并运行应用，摇晃手机即可看到效果。如果没有iOS设备，可以尝试基于摇晃事件的版本，模拟器可以模拟摇晃事件。

6. 加速度计作为方向控制器

在游戏中，通常使用加速度计来控制角色或物体的移动，而不是使用按钮。例如，在赛车游戏中，像转动方向盘一样扭转iOS设备可以控制汽车转向，向前倾斜可以加速，向后倾斜可以刹车。

使用加速度计作为控制器的具体方式取决于游戏的具体机制。在最简单的情况下，可以从一个轴上获取值，乘以一个数字，并将其添加到受控对象的坐标中。在更复杂的游戏中，需要根据加速度计返回的值调整受控对象的速度。

使用加速度计时需要注意，委托方法不一定会按照指定的间隔回调。如果告诉运动管理器每秒读取加速度计60次，只能确定它每秒更新不超过60次，但不能保证每秒得到60个均匀间隔的更新。因此，如果基于加速度计的输入进行动画，必须跟踪更新之间的时间，并将其纳入方程以确定物体移动的距离。

7. 滚动弹珠应用示例

下面我们来创建一个名为 Ball 的应用，通过倾斜手机来移动屏幕上的精灵，这是一个使用加速度计接收输入的简单示例。

7.1 创建项目

在Xcode中使用Single View Application模板创建一个新项目，命名为 Ball 。将项目存档中 19 - Ball 文件夹下的 ball.png 文件拖到项目中。

7.2 创建自定义视图类

点击 Ball 文件夹，选择 File -> New -> New File… ，从 Cocoa Touch 类别中选择 Objective-C class ，点击 Next ，将新类命名为 BIDBallView ，在 Subclass of 弹出菜单中选择 UIView ，点击 Create 保存类文件。

7.3 配置视图

选择 BIDViewController.xib 在Interface Builder中编辑。点击 View 图标，使用身份检查器将视图的类从 UIView 改为 BIDBallView 。切换到属性检查器，将视图的背景改为黑色。然后保存nib文件。

7.4 编辑视图控制器头文件

编辑 BIDViewController.h 文件，添加以下代码：

#import <UIKit/UIKit.h>
#import <CoreMotion/CoreMotion.h>

@interface BIDViewController : UIViewController

@property (strong, nonatomic) CMMotionManager *motionManager;
@end

通过上述步骤，我们就可以实现一个简单的滚动弹珠应用，通过倾斜手机来控制弹珠的移动。

总之，陀螺仪和加速度计为iOS应用开发带来了更多的交互可能性，开发者可以根据具体需求灵活运用它们，为用户带来更加丰富的体验。

iOS开发：陀螺仪与加速度计的应用与实践（续）

8. 开发要点总结

在前面的内容中，我们详细介绍了iOS开发中陀螺仪和加速度计的多种应用场景及实现方法。下面通过一个表格来总结开发过程中的关键要点：
| 应用场景 | 关键步骤 | 代码示例 |
| — | — | — |
| 访问运动数据 | 实现 viewWillAppear: 和 viewDidDisappear: 管理定时器，实现 updateDisplay 方法更新数据显示 | objc<br>- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {<br> [super viewWillAppear:animated];<br> self.updateTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0/10.0<br> target:self<br> selector:@selector(updateDisplay)<br> userInfo:nil<br> repeats:YES];<br>}<br><br>- (void)viewDidDisappear:(BOOL)animated {<br> [super viewDidDisappear:animated];<br> self.updateTimer = nil;<br>}<br><br>- (void)updateDisplay {<br> if (motionManager.accelerometerAvailable) {<br> CMAccelerometerData *accelerometerData = motionManager.accelerometerData;<br> accelerometerLabel.text = [NSString stringWithFormat:<br> @"Accelerometer\n-----------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",<br> accelerometerData.acceleration.x,<br> accelerometerData.acceleration.y,<br> accelerometerData.acceleration.z];<br> }<br> if (motionManager.gyroAvailable) {<br> CMGyroData *gyroData = motionManager.gyroData;<br> gyroscopeLabel.text = [NSString stringWithFormat:<br> @"Gyroscope\n--------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",<br> gyroData.rotationRate.x,<br> gyroData.rotationRate.y,<br> gyroData.rotationRate.z];<br> }<br>}<br> |
| 检测摇晃 | 简单检测：检查某个轴上的绝对值是否超过阈值；复杂检测：跟踪摇晃次数和时间 | objc<br>// 简单检测<br>- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer<br> didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration {<br><br> if (fabsf(acceleration.x) > 2.0<br> || fabsf(acceleration.y) > 2.0<br> || fabsf(acceleration.z) > 2.0) {<br> // Do something here...<br> }<br>}<br><br>// 复杂检测<br>- (void)accelerometer:(UIAccelerometer *)accelerometer<br> didAccelerate:(UIAcceleration *)acceleration {<br><br> static NSInteger shakeCount = 0;<br> static NSDate *shakeStart;<br><br> NSDate *now = [[NSDate alloc] init];<br> NSDate *checkDate = [[NSDate alloc] initWithTimeInterval:1.5f<br> sinceDate:shakeStart];<br> if ([now compare:checkDate] == NSOrderedDescending<br> || shakeStart == nil) {<br> shakeCount = 0;<br> shakeStart = [[NSDate alloc] init];<br> }<br><br> if (fabsf(acceleration.x) > 2.0<br> || fabsf(acceleration.y) > 2.0<br> || fabsf(acceleration.z) > 2.0) {<br> shakeCount++;<br> if (shakeCount > 4) {<br> // Do something<br> shakeCount = 0;<br> shakeStart = [[NSDate alloc] init];<br> }<br> }<br>}<br> |
| 摇晃并破坏应用 | 创建项目、配置属性列表、创建视图控制器、实现视图控制器方法、添加框架 | 见前面 ShakeAndBreak 应用的详细步骤和代码 |
| 加速度计作为方向控制器 | 根据游戏机制处理加速度计数据，注意委托方法回调间隔问题 | |
| 滚动弹珠应用 | 创建项目、创建自定义视图类、配置视图、编辑视图控制器头文件 | 见前面 Ball 应用的详细步骤和代码 |

9. 开发流程梳理

下面通过一个mermaid流程图来梳理整个开发过程的主要流程：

graph LR
    A[开始开发] --> B[访问运动数据]
    B --> C[加速度计结果分析]
    C --> D[检测摇晃]
    D --> E{是否使用内置摇晃检测}
    E -- 是 --> F[使用内置方法检测]
    E -- 否 --> G[手动方法检测]
    D --> H[开发摇晃并破坏应用]
    D --> I[加速度计作为方向控制器]
    I --> J[开发滚动弹珠应用]
    F --> K[完成开发]
    G --> K
    H --> K
    J --> K

10. 常见问题及解决方法

在使用陀螺仪和加速度计进行开发时，可能会遇到一些常见问题，下面进行总结并给出解决方法：
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
| — | — | — |
| 加速度计数据不准确 | 设备受到外界干扰、传感器本身精度问题 | 确保设备处于稳定环境，对数据进行滤波处理 |
| 摇晃检测误判 | 阈值设置不合理、环境震动干扰 | 调整阈值，结合时间和摇晃次数进行判断 |
| 委托方法回调间隔不稳定 | 系统资源限制、其他任务干扰 | 跟踪更新时间，将时间因素纳入计算 |
| 模拟器无法模拟加速度计硬件 | 模拟器不具备真实硬件 | 使用基于摇晃事件的版本，模拟器可模拟摇晃事件 |

11. 拓展应用思路

除了前面介绍的应用场景，陀螺仪和加速度计还有很多其他的拓展应用思路：
- 健康监测 ：可以通过加速度计检测用户的运动步数、运动强度等，结合陀螺仪检测用户的运动姿态，为用户提供健康数据统计和分析。
- 虚拟现实（VR）和增强现实（AR） ：陀螺仪和加速度计可以为VR和AR应用提供设备的姿态和运动信息，实现更加真实的交互体验。
- 智能家居控制 ：用户可以通过摇晃或倾斜手机来控制智能家居设备的开关、调节亮度等，实现更加便捷的家居控制方式。

总之，陀螺仪和加速度计在iOS开发中具有广泛的应用前景，开发者可以根据不同的需求和创意，挖掘出更多有趣和实用的应用场景。通过不断的实践和探索，为用户带来更加丰富和精彩的移动应用体验。