Принципы разработки ПО для iPhone с использованием акселерометра
В статье рассмотрено принципы работы iPhone акселерометра, показаны примеры приложений, использующие акселерометр в качестве главного компонента, наведены рекомендации по использованию акселерометра. Также показано, как использовать акселерометр в веб-приложениях. Часть материалов была взята из статьи «Скроллинг при помощи акселерометра».
Что такое акселерометр?
Apple — не первая компания, которая внедрила акселерометр в мобильный телефон, но первая, у которой это получилось хорошо.
Как можно использовать акселерометр?
Перед тем, как перейти к технической части, посмотрим на готовые приложения, которые используют акселерометр.
Несколько базовых примеров:
C помощью iBeer можно попить виртуальное пиво:
iBoobs — программа, которая не прошла отдел цензуры в Apple.
Обзор других программ можно посмотреть по ссылкам внизу.
Немного теории
Датчик ускорения внутри iPhone использует три элемента: кремниевое тело, набор кремниевых пружин и электрический ток. Кремниевые пружины определяют положение кремниевого тела с помощью электрического тока. При повороте iPhone возникает колебание электрического тока, проходящего по кремниевым пружинам. Датчик ускорения фиксирует эти колебания и сообщает iPhone о необходимом изменении картинки на дисплее.
В состоянии покоя, когда устройство не двигается, величина замеряемого ускорения равна силе тяжести и принята за единицу. Соотношения величин проекций этой силы на оси координат дают нам углы поворота устройства в пространстве. Если iPhone находится в движении, то величину ускорения, с которым разгоняется аппарат, можно посредством дополнительных преобразований вычислить на основе значений проекций.
Заметьте, это именно ускорение, а не скорость движения устройства. То есть, если ваш iPhone начнет падать на землю, то проекции величины ускорения примут значение 0 по всем осям — ваш iPhone будет в невесомости 🙂 А если вы поднимаетесь с должным ускорением на лифте вверх, то значение силы тяжести на время ускорения увеличится.
Интерфейс акселерометра
Несколько фактов:
- является частью UIKit фреймворка
- предоставляет информацию по трем осям
- можно настроить частоту обновления данных (приблизительно 10-100 Гц)
Классы:
- UIAccelerometer
- UIAcceleration
Протокол:
- UIAccelerometerDelegate
Координатные оси
- координата X (Roll) показывает информацию о повороте устройства влево или вправо;
- координата Y (Pitch) дает нам следующую информацию: iPhone находится в вертикальном
положении (-1), лежит в горизонтальной плоскости (0) или находится в
вертикальном положении, только вверх ногами (+1); - координата Z (Face up/face down) показывает, в каком положении находится устройство: лицом вверх (-1,
при нулевых значениях по другим осям), в вертикальном положении (0) или
лицом вниз (+1).
Координатные оси iPhone акселерометра
Для случая произвольной ориентации iPhone данные о величине ускорения распределяются по осям согласно проекции вектора ускорения.
Расчет вектора при произвольном положении iPhone
Подключаем акселерометр в проект
Всю необходимую информацию аккумулирует объект класса UIAcceleration, возвращающий данные по всем осям, а также временной маркер, позволяющий определить относительное время замера указанных
величин. Напрямую подступиться к данным этого класса нельзя, эту информацию можно получить только через делегат UIAccelerometerDelegate, предоставляющего для реализации один единственный метод
accelerometer:didAccelerate:, в который возвращается объект класса UIAcceleration. Назначение делегата и инициализация вызовов метода accelerometer:didAccelerate: происходит при помощи класса UIAccelerometer.
Для того, чтобы подключить акселерометр, необходимо в методе applicationDidFinishLaunching написать следующий код:
Метод setUpdateInterval устанавливать частоту обновления данных, kUpdateFrequency — коэффициент, который показывает, как часто нужно получать данные.
Например, в случае #define kUpdateFrequency 60.0 получим 60 «опросов» в секунду.
Кроме того, в заголовочном файле класса вашего делегата нужно указать протокол UIAccelerometerDelegate:
Логику обработки данных акселерометра нужно добавить в метод didAccelerate в классе делегата:
- можно объявлять лишь один делегат для приложения
- данные приходят асинхронно к основному потоку
- Диапазон частоты — 10 -100 Гц.
- Рекомендуемая частота для игр: 30-60 Гц, для определения ориентации — 10-30 Гц.
Для остановки получения значений необходимо вызвать следующий код:
Угол наклона
Геометрически можно показать работу акселерометра следующим образом: 
Из рисунка видно, что угол может быть рассчитан с помощью функции арктангенса, т.е.:
float angle = atan2(y, -x);
Положения акселерометра можно посмотреть на рисунке:
С помощью информации об угле поворота можно менять ориентацию экрана:
Скачать пример приложения можно здесь.
Пример 1. Прокрутка с помощью акселерометра
Возьмем за точку отсчета положение нашего устройства в пространстве, при котором угол между задней стенкой и землей составляет 45 градусов. В этом случае проекции силы тяжести на ось Y будет составлять -0.7. Если мы отклоняем аппарат чуть ближе к вертикальному положению, то примем, что при достижении угла в 30 градусов от вертикали мы должны перелистнуть список к концу. И наоборот, при достижении угла в 30 и менее градусов от горизонтального положения, мы должны перелистнуть список к началу.
В первом случае абсолютная величина проекции силы тяжести на ось Y, направленная вдоль аппарата, станет равна 0.86. Те, кто не понял откуда взялось это значение, вспоминаем геометрию и вычисление проекции на ось координат вектора единичной длины. Во втором случае это же значение равно 0.5. Для реализации прокрутки мы воспользуемся методом scrollToRowAtIndexPath:atScrollPosition:animated: класса UITableView.
Фильтры
В основном, используются два фильтра — высокочастотный (high-pass) и низкочастотный (low-pass). Эти фильтры можно использовать для отсеивания эффектов «дрожания»,
медленных поворотов и т.д.
Низкочастотный фильтр используется для нахождения ориентации устройства, высокочастотный — для определения тряски.
Самый простой низкочастотный фильтр реализует следующий код:
Самый простой высокочастотный фильтр реализует следующий код:
Пример 2. AccelerometrGraph
Отличная программа для исследования работы акселерометра — показывает изменение значений по трем координатам. Можно скачать с официального сайта Apple.
В обычном режиме отображает именно ту информацию, которую получает. Также можно использовать фильтры, которые будут отсекать обыкновенные повороты, а реагировать лишь на тряску (что, в основном, и бывает нужно в реальных приложениях).
Пример 3. iBells
iBells (ссылка на appstore) — это развлекательная программа, которая реагирует на дейсвия пользователя и проигрывает звуки колокольчиков.
- корректное реагирование на действия пользователей, т.е. именно в тот момент когда пользователь трясет устройства;
- реализация минимальной задержки, в течении которой музыкальный файл не должен проигрываться (это нужно для того, чтобы исключить очень частые срабатывания).
Корректное реагирование на тряску можно добиться используя высокочастотный фильтр:
kFilteringFactor — коэффициент «заглушения» реакции на случайные колебания. Этот параметр нужно подбирать индивидуально в зависимости от требований.
Интервал измеряется просто:
Переменная lastPlayedTime фиксирует время последнего проигрывания, minTimeDelta — минимальный промежуток, по истечению которого можно проигрывать музыкальный файл.
Недавно я нашел еще один способ определить тряску:
Использование акселерометра в веб-приложениях
В Safari был добавлен новый метод onorientationchange, который срабатывает при изменении положения на 90%. Ниже приведен javascript код, с помощью которого можно менять положение (orientation) веб-страницы.
Примеры веб-страницы можно посмотреть здесь и здесь.
Акселерометр и симулятор
По понятным причинам тестировать приложения в симуляторе не представляется возможным. Для этого нужно использовать реальное устройство.
По ссылке можно посмотреть (а здесь скачать), как все таки можно передавать данные в симулятор. Но, так как там все равно используется реальное устройство, практической
пользы в этом нет. Just for fun.
Ссылки и дополнительные материалы
P. S. Автор статьи Александр Краковецкий (sashaeve), пожалуйста дайте ему инвайт спасибо Speakus за инвайт.
Проверьте эти показатели ходьбы, если у вас есть iPhone или Apple Watch
iPhone постоянно обрастает новыми функциями, которые дают пользователям порой даже и неожиданные возможности. Еще на презентации iOS 14 говорилось о возможности устройств отслеживать подвижность пользователя. Для этого использовались встроенные в iPhone датчики. На основании их показателей анализировалось движение человека: его ходьба, ее равномерность и скорость передвижения. Чтобы данные были максимально корректными, лучше использовать смартфон в связке с Apple Watch. Но и без часов эта функция будет работать на гаджете.
Чтобы iPhone отслеживал активность пользователя, смартфон необходимо постоянно носить с собой в кармане брюк или же на поясном чехле. Расположенный в руке или в отдельной сумке телефон не даст корректных результатов. iPhone делает семь основных измерений, которые и позволяют сформировать картину здоровья человека и помочь понять, насколько он готов к физическим нагрузкам. Также эта информация поможет оценить координацию пользователя и общее состояние его сердечно-сосудистой системы.
Не стоит думать, что эта функция будет востребована только больными людьми – даже если у вас и нет проблем со здоровьем, вам будет полезно получить собранную информацию. Вполне вероятно, что она заставит обратить внимание на ранее игнорируемую вами проблему.
Как активировать отслеживание активности на iPhone?
Эта опция имеет весьма гуманные и минимальные системные требования. Официально Apple о них нигде не сообщает, но если ваше устройство довольно старое, то в службе поддержке вам расскажут о невозможности включить функцию. Но точно известно о ее работоспособности на смартфонах, начиная с iPhone 8, и часах, начиная с модели Apple Watch Series 4.
1. Пройдите по пути Настройки → Конфиденциальность → Движение и фитнес.
2. Установите переключатель «Фитнес-трекинг» в положение Включено.
3. Разрешите приложению «Здоровье» (при необходимости и другим приложениям для отслеживания активности) отслеживать данные.
4. Откройте приложение «Здоровье» и создайте Медкарту, указав в ней ваш рост, возраст и вес (подробно).
Данные Медкарты помогут более точно измерять данные активности и осуществлять корректировку с учетом физических данных. Рассмотрим, какие показатели и тесты отслеживает приложение. Для этого откройте приложение Здоровье перейдите во вкладку Просмотр и выберите раздел Подвижность.
Асимметрия при ходьбе
Обычный здоровый человек при ходьбе тратит одинаковое время на совершаемый левой или правой ногой шаг. Но, как известно, тело человека не совсем симметрично. Вот почему в зависимости от нашей физиологии могут отмечаться некоторые погрешности в движении.
И расхождение в шагах между правой и левой ногой – в том числе свидетельство о перенесенной травме, операции или некоем заболевании. Тогда организм подсознательно разгружает во время ходьбы или бега одну ногу, нагружая другую. Но асимметрия вполне может считаться нормой, если у человека ноги разной длины или присутствуют другие врожденные особенности организма.
О чем говорит эта информация: при серьезной асимметрии в процессе ходьбы можно говорить о нарушениях осанки человека. В зависимости от того, насколько запущенной является ситуация, можно рассуждать о скором наступлении сколиоза. Зачастую сидячий образ жизни с постепенным ухудшением осанки сказывается на процессе ходьбы.
Какой показатель считать нормальным: если после долгого изучения вашей ходьбы будет показан результат в 0%, то это свидетельствует о сбалансированной ходьбе и отличной осанке. Показатели до 4% можно считать на грани погрешности и игнорировать. А вот результаты от 4% до 10% – явный сигнал начать следить за своей осанкой и задуматься над физическими нагрузками. Если же в приложении вы увидите уровень асимметрии более 10%, то стоит задуматься о походе к врачу за советом.
Время двойной поддержки
Принципиальное отличие ходьбы от бега состоит в том, что в любой момент времени как минимум одна нога касается земли. А время двойной поддержки – это временной интервал, на протяжении которого поверхности касаются обе нижние конечности. Этот показатель принято измерять в процентах от общего времени ходьбы.
Невысокие цифры говорят о том, что человек больше времени проводит на одной ноге, то есть, лучше держит баланс и обладает более натренированными мышцами. А вот высокие цифры свидетельствуют о низкой скорости передвижения, о возможных проблемах с мышцами, суставами и коротком шаге. Считается, что с возрастом человека этот показатель растет. Влияет на время двойного шага и поверхность, по которой идет человек. Ведь на гладкой и ровной поверхности коэффициент распределения веса между ногами меньше, а на скользком и неровном покрытии – больше.
О чем говорит эта информация: увеличенное время двойного шага может свидетельствовать о проблемах с опорно-двигательным аппаратом, к примеру, может присутствовать спинальный стеноз. Также этот завышенный показатель сопровождает неврологические заболевания, расстройства мозжечка, моторную нейропатию и разного вида деменцию.
Какой показатель считать нормальным: если человек регулярно занимается бегом или хотя бы активно ходит, то его показатель будет ниже 20% – это отлично. Оценка от 20% до 40% – норма для людей среднего и старшего возраста. Если же iPhone вывел уровень этого показателя выше 40%, то это повод обратить внимание на работу своего опорно-двигательного аппарата.
Длина шага
Изначально интуитивно понятно, о чем говорит этот показатель. Он рассчитывает среднее расстояние между стопами ног при ходьбе. Тут нет смысла сравнивать свои показатели с другими людьми – все зависит от роста, длины ног и скорости ходьбы. А вот со своим нормальным показателем сверяться стоит, время от времени наблюдая за изменением длины шага. С возрастом он неизбежно начнет уменьшаться.
Оказывает на длину шага влияние и подвижность, гибкость бедер. Если их сустав не способен осуществить полный набор движений, то и более длинный шаг человек сделать не сможет. Оказывает свое влияние на данный параметр и сила ягодичных мышц – для отведения ноги назад после большого шага требуются значительные усилия.
О чем говорит эта информация: уменьшение длины шага может свидетельствовать об ослабевании ягодичных мышц или же неполном движении тазобедренного сустава. Подобные изменения могут наблюдаться у людей с сидячим образом жизни, малоподвижных или предпочитающих перемещаться исключительно транспортом.
Какой показатель считать нормальным: чтобы вычислить нормальный показатель, требуется понять, какие же параметры соответствуют вашему росту. Воспользуйтесь для этого статистической таблицей:
| Рост | Длина шага (средние значения) |
| от 150 до 160 см | от 70 до 75 см |
| от 160 см до 180 см | около 80 см |
| От 180 см | от 85 см и более |
Существует и несложная формула расчета рекомендуемой длины шага:
Длина шага = (Рост в метрах / 4) + 0,37. Например, 1,7 / 4 + 0,37 = 0,8
Но оценка изменения длины шага потребует долговременного наблюдения.
Скорость ходьбы
iOS получила встроенные алгоритмы, которые позволяют оценивать скорость перемещения человека не только в ходе тренировок, но и на протяжении всего дня. Находящийся в районе талии смартфон будет фиксировать показатели движения по ровной поверхности. А вот перемещение по пересеченной местности, по лестнице и другим неровностям во внимание приниматься не будут.
То, с какой скоростью человек перемещается, напрямую зависит от общего состояния его здоровья и координации. Свое влияние оказывает и цель ходьбы – выгуливая питомца мы явно передвигаемся медленнее, чем в спешке по делам.
О чем говорит эта информация: как и в случае с предыдущим показателем не стоит производить сравнение своих показателей с показателями других людей – куда важнее, как меняется средняя скорость. С возрастом она неминуемо будет падать, а если снижение показателя станет совсем уж резким, то это может стать сигналом о серьезных проблемах. Чаще всего средняя скорость падает с появлением или обострением проблем с сердечно-сосудистой системой.
Какой показатель считать нормальным: скорость ходьбы человека – классическая величина для школьной математики. Все знают, что она равняется 5 км/час. В реальности этот показатель зависит от пола и колеблется от 4 км/час до 6 км/час у мужчин. Более высокие цифры могут показать уже тренированные люди. У женщин диапазон значений колеблется от 3 до 5,5 км/час, высокими можно считать показатели от 5,5 до 7 км/час.
6-минутная ходьба
Этот тест обычно используют, чтобы оценить состояние восстанавливающихся после респираторных или сердечно-сосудистых заболеваний пациентов. Человеку предлагают пройти по ровной поверхности или беговой дорожке максимально возможное расстояние. Времени на это дается 6 минут.
Но чтобы получить результаты в приложении «Здоровье» не потребуется вручную запускать тест и проходить его. Умные алгоритмы на основе наблюдения за дневной активностью сами выделят в ней подходящий для оценки период. Конечно же, для получения результата необходимо на протяжении дня осуществить эту шестиминутную проходку по ровной поверхности в темпе не ниже среднего. Достаточно совершить за день несколько прогулок, и этого хватит для формирования результатов теста.
О чем говорит эта информация: тест помогает узнать, насколько человек хорошо переносит физические нагрузки. Считается, что при полном здоровье можно будет пройти немалую дистанцию без ухудшения самочувствия. Если же у человека присутствуют проблемы с органами дыхания или с сердечно-сосудистой системой, то показатель окажется низким. Это может свидетельствовать о необходимости ограничить ежедневные нагрузки. А наиболее низкие показатели – сигнал о том, что человеку стоит позволять себе лишь минимальное физическое напряжение.
Какой показатель считать нормальным: нормальным для взрослого мужчины будет показатель в районе 600 метров, а для женщин это – 500 метров. Восстанавливающиеся после болезни смогут пройти 400-450 метров мужчины и 350-400 метров женщины.
Скорость подъема и спуска по лестнице
С помощью датчиков можно в ходе подъема и спуска по лестнице оценить состояние таких важных систем здоровья, как сердечно-сосудистая, опорно-двигательная, да и общую подвижность. Если человек перемещается вверх довольно быстро, то это говорит, как о высоком уровне его физической подготовки, так и о хорошем здоровье.
Сделанные же во время спуска измерения помогут оценит подвижность человека и его координацию. Быстрый и без остановок спуск в нормальном темпе тоже является доказательством хорошего состояния здоровья. Чтобы зафиксировать данные показатели придется с определенной регулярностью подниматься на высоту более 3 метров и осуществлять оттуда спуск. Но лучше всего этот вид нагрузки будет определяться и оцениваться в паре с Apple Watch.
О чем говорит эта информация: полученные в этом направлении данные: скорость подъема и спуска, общий темп и подвижность, наличие остановок и перерывов помогают собрать накопительные данные. Накопленный объем информации позволит определить потребность в определенной физической нагрузке.
Какой показатель считать нормальным: эти данные надо рассматривать только в комплексе с остальными, ведь оценка сильно зависит от предшествующих активности нагрузке, а также от роста человека, его веса и возраста. Не существует стандартной нормы выполнения этого упражнения, зато этот показатель лучше всего позволяет оценить, как на протяжении времени меняется общее состояние организма.
Кардиовыносливость
В разделе «Подвижность» вы можете обнаружить пункт «Кардиовыносливость», который измеряется в единицах МПК (максимальное потребление кислорода). Этот показатель указывает наибольшее количество кислорода в миллилитрах, потребляемое человеком в течение 1 минуты. МПК является критерием аэробной мощности.
Зачем наблюдать за показателями активности на iPhone?
Вопрос кажется логичным, ведь телефон для многих – всего лишь инструмент для осуществления звонков. Но приложение «Здоровье» на iPhone освобождает пользователей от целенаправленного выполнения упражнений и нагрузки в пределах строгих правил. Не надо больше тратить время на различные тесты и замеры – система автоматически снимает все нужные показатели. А всего-то нужно, чтобы смартфон лежал постоянно в кармане или в сумке на поясе. Интеллектуальные алгоритмы сами зафиксируют объем нагрузки и рассчитают показатели.
Стоит понимать, что предоставленные смартфоном результаты будут отличаться от данных проводимых в медицинских центрах испытаний. Но и более точные измерения нужны далеко не всем, а лишь лицам со склонностями к определенным заболеваниям. Приложение «Здоровье» на iOS как раз и поможет найти и выявить проблему.
Явно недостоверные или ложные данные будут отбрасываться умными алгоритмами, в частности, они проигнорируют ходьбу по неровной поверхности или в непривычной для человека обстановке. Достаточно лишь активировать пару опций на своем iPhone, как через несколько недель вы уже получите определенную оценку вашей активности и возможное выявление проблем. Теперь для этого не надо проходить длительное и дорогое обследование и выполнять специальные задания.