iOS4中Core Motion框架使用方法是本文要介紹的內(nèi)容，主要是來學(xué)習(xí)IOS4中框架的內(nèi)容。在iOS4之前，加速度計(jì)由UIAccelerometer類來負(fù)責(zé)采集工作，而電子羅盤則由Core Location接管。

而iPhone4的推出，由于加速度計(jì)的升級(jí)（有消息說使用的是這款芯片） 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(gè)一個(gè)專門負(fù)責(zé)該方面處理的框架，就是Core Motion Framework。這個(gè)Core Motion有什么好處呢？簡(jiǎn)單來說，它不僅僅提供給你獲得實(shí)時(shí)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，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(gè)專門的設(shè)備的三維attitude信息，如圖：

有這么一個(gè)好東西，我們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(duì)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(shí)際上，這個(gè)設(shè)備motion值就是通過加速度和旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行 fusing變換算出來的，基本原理后面會(huì)介紹。Core Motion在系統(tǒng)中以單獨(dú)的后臺(tái)線程的方式去獲得原始數(shù)據(jù)，并同時(shí)執(zhí)行一些motion算法來提取更多的信息，然后呈獻(xiàn)給應(yīng)用層做進(jìn)一步處理。Core Motion框架包含有一個(gè)專門的Manager類，CMMotionManager，然后由這個(gè)manager去管理三種和運(yùn)動(dòng)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(shí)間信息一起保存到對(duì)應(yīng)文件中，有了時(shí)間戳，兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)之間的實(shí) 際更新時(shí)間就很容易得到了。這個(gè)東西是非常有用的，比如有些時(shí)候，你得到的是50Hz的采樣數(shù)據(jù)，但希望知道的是每一秒加速度的平均值。

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(gè)線程管理器NSOperationQueue，再提供一個(gè)Block（有點(diǎn)像C中 的回調(diào)函數(shù)），這樣，Core Motion自動(dòng)在每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)到來的時(shí)候回調(diào)這個(gè)Block，進(jìn)行處理。在這中情況下，block中的操作會(huì)在你自己的主線程內(nèi)執(zhí)行。另一種方式叫做 Pull，在這個(gè)方式里，你必須主動(dòng)去像Core Motion Manager要數(shù)據(jù)，這個(gè)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(huì)給你。當(dāng)然，在這種情況下，Core Motion所有的操作都在自己的后臺(tái)線程中進(jìn)行，不會(huì)有任何干擾你當(dāng)前線程的行為。

那接下來的問題就是，我在什么時(shí)候選擇什么方式呢？蘋果官方推薦了一個(gè)使用指南，比較了兩種方式的優(yōu)劣，并做出了使用場(chǎng)景的推薦。如下圖所示。應(yīng)該說，兩種方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)還是很鮮明的，使用場(chǎng)景也大不一樣，很好區(qū)分，如圖：

Core Motion的大體介紹就是這些。下面說說Core Motion具體負(fù)責(zé)的采集，計(jì)算和處理。Core Motion的使用就是一三部曲：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

motionManager = [[CMMotionManager alloc] init]; 

所有的操作都會(huì)由這個(gè)manager接管。后面的初始化操作相當(dāng)直觀，以加速度的pull方式為例

if (!motionManager.accelerometerAvailable) {  
// fail code // 檢查傳感器到底在設(shè)備上是否可用  
}  
motionManager.accelerometerUpdateInterval = 0.01; // 告訴manager，更新頻率是100Hz  
[motionManager startAccelerometerUpdates]; // 開始更新，后臺(tái)線程開始運(yùn)行。這是pull方式。 

如果是push方式，更新的代碼可以寫成這樣

[motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:[NSOperationQueue currentQueue] withHandler:^(CMAccelerometerData *latestAcc, NSError *error)  
{  
// Your code here  
}]; 

接下來就是獲取數(shù)據(jù)了。Again，很簡(jiǎn)單的代碼

CMAccelerometerData *newestAccel = motionManager.accelerometerData;  
filteredAcceleration[0] = newestAccel.acceleration.x;  
filteredAcceleration[1] = newestAccel.acceleration.y;  
filteredAcceleration[2] = newestAccel.acceleration.z; 

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

typedef struct {  
double x;  
double y;  
double z;  
} 

對(duì)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(gè)成員變量中得到。

最后是處理后事，就是在你不需要Core Motion進(jìn)行處理的時(shí)候，釋放資源

[motionManager stopAccelerometerUpdates];  
//[motionManager stopGyroUpdates];  
//[motionManager stopDeviceMotionUpdates];  
[motionManager release]; 

你看，就是這么簡(jiǎn)單。當(dāng)然，如果這么Core Motion這么簡(jiǎn)單，就太無趣了。實(shí)際上，Core 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里面提供了一個(gè)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，如圖：

我們來看看這些被封裝數(shù)據(jù)的介紹。

第一個(gè)attitude，就是剛才說到的三維attitude，通俗來講，就是告訴你手機(jī)在當(dāng)前空間的位置和姿勢(shì)。

第二個(gè)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(dá)，開發(fā)不再需要通過濾波來提取這個(gè)信息了，因?yàn)镃ore Motion已經(jīng)給你了。

第三個(gè)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(gè)是即時(shí)的旋轉(zhuǎn)速率，也就是rotation rate，是陀螺儀的輸出。

下面就來詳細(xì)介紹一下這四種數(shù)據(jù)。

1. Attitude。在CMDeviceMotion對(duì)象中，attitude是以

@property (readonly, nonatomic) CMAttitude *attitude; 

屬性定義的。一個(gè)CMAttitude的實(shí)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(gè)信息是由下面集中數(shù)學(xué)表達(dá)式定義的：

一個(gè)四元數(shù)。

一個(gè)變換rotation矩陣

三個(gè)歐拉角 (roll, pitch, 和yaw)。關(guān)于歐拉角，again，請(qǐng)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)或者游戲都大有幫助的變換矩陣。

這個(gè)rotation變換矩陣究竟有什么用呢？我們來看看下面這張圖：

本質(zhì)上講，變換矩陣給我們闡述了從一個(gè)向量空間到另一個(gè)向量空間的映射關(guān)系。舉個(gè)例子，在很多應(yīng)用中都需要對(duì)加速度信息進(jìn)行判斷，但是，用戶在使用 手機(jī)的過程中，姿勢(shì)是不斷變換的，我們可以采集到某個(gè)設(shè)備在t1時(shí)間點(diǎn)的加速度以及重力信息，也可以采集到t2時(shí)間點(diǎn)的信息，我們卻不能直接拿他們做運(yùn) 算。為什么？因?yàn)橛捎谑謾C(jī)各個(gè)軸方向的變化，加速度和重力信息在t1時(shí)間點(diǎn)屬于一個(gè)向量空間，在t2時(shí)間點(diǎn)，就屬于另一個(gè)向量空間了，如果你硬拿 acc.x1和acc.x2求設(shè)備的運(yùn)動(dòng)模式，自然不可能準(zhǔn)的。

所以，現(xiàn)在的問題是，我們要找到兩個(gè)三維空間的線性變換T，讓這個(gè)變換關(guān)系幫我們把某個(gè)空間的值變換到另一個(gè)空間去，這樣就可以在同一個(gè)空間做比較 或者任何計(jì)算了。Core Motion如何解決這個(gè)問題呢？它首先讓你可以在程序開始的初始時(shí)間點(diǎn)t1（比如你畫第一禎的時(shí)候）采集一個(gè)attitude的值作為參照坐標(biāo)系，我們 假定這個(gè)向量是v_ref。在任何時(shí)間點(diǎn)，比如t2，采集一個(gè)attitude的值，假定這個(gè)向量是v_dev，位于當(dāng)前設(shè)備的坐標(biāo)系，那么我們有以下關(guān) 系，如圖：

其中R就是rotation matrix。由于v_ref是正交基向量，所以，如圖：

剛才說到了，v_ref和v_dev都是其對(duì)應(yīng)向量空間的正交基，而這個(gè)R矩陣正好是正交矩陣，所有的列向量線性獨(dú)立。所以，R所對(duì)應(yīng)的變換，正是我們要找的這兩個(gè)空間的線性變換，而且這是一對(duì)一變換。

好，上面這個(gè)結(jié)論告訴我們什么呢？你在當(dāng)前時(shí)刻t2采集的當(dāng)前坐標(biāo)系下的加速度信息，不僅在t1時(shí)刻的參照坐標(biāo)系下有對(duì)應(yīng)的向量，而且僅有一個(gè)對(duì)應(yīng) 向量！如果我們定義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(duì)應(yīng)的加速度向量只有一個(gè)，而且肯定可以由下面式子求出，如圖：

這個(gè)式子不存在無解的情況，因?yàn)檎痪仃囉肋h(yuǎn)都是有逆矩陣的。經(jīng)此變換，你就可以隨意比較和計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)的加速度和重力信息，從而得出精確的用戶運(yùn)動(dòng)模式了。

比較有趣的一點(diǎn)是，R變換矩陣的表達(dá)形式，正好表明了R和rotation rate的關(guān)系:　當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)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(gè)軸上角度信息推斷的。于是，再一次，我們感受到了新加的陀螺儀強(qiáng)大的地方。更強(qiáng)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(cuò)而繁瑣的工作。

說了這么多鋪墊，還是簡(jiǎn)單介紹一下獲得當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的R矩陣信息的步驟吧：

首先，獲得參考矩陣信息

if (motionManager != nil) {  
CMDeviceMotion *deviceMotion = motionManager.deviceMotion;  
referenceAttitude = [deviceMotion.attitude retain];  
} 

然后在希望得到R矩陣的時(shí)候，執(zhí)行下列操作：

CMRotationMatrix rotation;  
CMDeviceMotion *deviceMotion = motionManager.deviceMotion;  
CMAttitude *attitude = deviceMotion.attitude;  
if (referenceAttitude != nil) {  
[attitude multiplyByInverseOfAttitude:referenceAttitude];  
}  
rotation = attitude.rotationMatrix; 

很簡(jiǎn)單，也很直觀，一個(gè)multiplyByInverseOfAttitude的調(diào)用，正好反應(yīng)了我們剛才推導(dǎo)的矩陣運(yùn)算關(guān)系。至此，rotationMatrix被我們拿到，接下來的事情就只有想不到，沒有做不到了。

2、Gravity和UserAcceleration。之所以把他們放在一起講，是因?yàn)樗麄儽举|(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(gè)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(gè)濾波分解給做了。他倆在Core Motion中的屬性定義是

@property (readonly, nonatomic) CMAcceleration gravity;  
@property (readonly, nonatomic) CMAcceleration UserAcceleration; 

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)，如圖：

得到這兩種數(shù)據(jù)的方式比較簡(jiǎn)單，就是直接通過讀取motionManager.deviceMotion.userAcceleration/gravity的三個(gè)成員變量即可。

3、Rotation rate。旋轉(zhuǎn)速率是通過叫CMRotationRate的結(jié)構(gòu)體封裝的，其內(nèi)部變量定義和CMAcceleration一模一樣。正負(fù)的確定，由右手法 則判斷?？吹竭@里，不少朋友可能會(huì)有問題：這個(gè)數(shù)據(jù)，和之前介紹的直接通過motionManager獲得的CMGyroData有什么區(qū)別呢？通過 Device Motion封裝處理后的Rotation rate，去掉了原始的CMGyroData所有的bias。舉個(gè)例子，如果我們把設(shè)備放在桌上靜止不動(dòng)，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，而是由很多不確定因素導(dǎo)致的非0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(huì)影響到我們的讀數(shù)。 Core Motion經(jīng)過一些算法的處理，幫開發(fā)者消除了這種bias，極大方便了motion相關(guān)的開發(fā)工作。

說到Rotation rate，要講一下這個(gè)輸出數(shù)值的特點(diǎn)。如果你寫一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試程序，把三個(gè)軸的數(shù)值都輸出到屏幕上來看，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有意思的現(xiàn)象：pitch和 roll的值，和你讀數(shù)時(shí)候的手機(jī)的attitude完全對(duì)應(yīng)，而yaw的值，則是從0開始顯示，手機(jī)的attitude在之后變了的話，yaw的值才有 對(duì)應(yīng)的變化。這是因?yàn)?，?duì)于pitch和roll來講，他們都有明確的參照面，就是水平面，而且這個(gè)值肯定是在出廠之前就校正過。但yaw呢？沒有，用戶 在剛打開app的時(shí)候，可能會(huì)朝向任何不同的方向。所以此時(shí)，Core Motion干脆就給你輸出相對(duì)的初始值0，之后你再根據(jù)yaw方向上的相對(duì)變化來判斷設(shè)備的位置變化。

另外一點(diǎn)要補(bǔ)充的是，對(duì)于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)，如果三個(gè)軸上都有變化，那么默認(rèn)角度計(jì)算的順序是先roll，再pitch，最后yaw。

小結(jié)：iOS4中Core Motion框架使用方法，講到現(xiàn)在，基本的Core Motion知識(shí)就都總結(jié)完了。在智能手機(jī)出現(xiàn)之前，我們都說，手機(jī)就是用來打電話的。智能手機(jī)改變了這一切。用戶總是有各種各樣的需求等待開發(fā)者滿足， 而關(guān)鍵就在于，開發(fā)者能不能理解用戶，認(rèn)識(shí)用戶，做好個(gè)人化。Gyroscope的集成和Core Motion的推出，讓很多以前在智能手機(jī)上無法實(shí)現(xiàn)或者難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用成為了可能。這是機(jī)遇，想象力的機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)，執(zhí)行能力的挑戰(zhàn)。最后希望本文能對(duì)你有所幫助。