韓迪 潘志宏

(1.香港理工大學(xué)電子計(jì)算學(xué)系，香港999077;2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信系，廣東東莞523960)

隨著普適計(jì)算的蓬勃發(fā)展，人們?cè)噲D讓交互的應(yīng)用伴隨移動(dòng)的用戶在對(duì)應(yīng)的空間中遷移，該模式脫離了傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)，人們可以隨時(shí)隨地、透明地獲得數(shù)字化的服務(wù)［1］，充分利用其周圍基礎(chǔ)設(shè)施中資源相對(duì)較豐富的設(shè)備進(jìn)行信息處理.同時(shí)其交互應(yīng)用運(yùn)行的模塊也可以與空間中的其它模塊進(jìn)行交互和協(xié)作，以獲得與當(dāng)?shù)乜臻g相關(guān)的各種服務(wù).這種應(yīng)用源于情境感知，即通過傳感器及其相關(guān)的技術(shù)使計(jì)算機(jī)設(shè)備能夠感知到當(dāng)前的情境［2-8］.文中設(shè)計(jì)了一種基于Android移動(dòng)設(shè)備傳感器的體感應(yīng)用系統(tǒng).體感的基本概念在于人們可以很直接地使用肢體動(dòng)作與周邊的裝置或環(huán)境互動(dòng)［9］，而無(wú)需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備便可以讓人們身臨其境地與內(nèi)容互動(dòng).Android移動(dòng)體感的功能不僅僅局限于游戲，在結(jié)合情境感知的基礎(chǔ)上，可以將移動(dòng)設(shè)備的體感方便地應(yīng)用到大部分的應(yīng)用程序中，如控制個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)上的演講稿翻頁(yè)、音樂切換等功能.目前，Android市場(chǎng)上暫時(shí)未有類似的軟件能主動(dòng)、便攜地控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用，即將移動(dòng)設(shè)備的傳感器功能、多點(diǎn)觸摸功能和PC設(shè)備強(qiáng)大的計(jì)算功能融合起來，解決移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力不夠而固定設(shè)備缺乏物理空間利用的問題，以延伸移動(dòng)設(shè)備的普適計(jì)算范圍［10-11］.

為了利用Android移動(dòng)設(shè)備成熟的傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)體感操作，文中設(shè)計(jì)了基于Android移動(dòng)設(shè)備傳感器的體感應(yīng)用系統(tǒng).該系統(tǒng)的架構(gòu)具有通用性特點(diǎn)，并非只局限于能控制PC中固定的程序.該系統(tǒng)包含了一個(gè)移動(dòng)端(Android)程序與一個(gè)Windows平臺(tái)下的中間件平臺(tái)［12］，它以Android平臺(tái)的設(shè)備為輸入設(shè)備，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)WIFI發(fā)送到PC端的中間件平臺(tái)，接收后可自定義轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的操作指令，以控制電腦中不同的應(yīng)用軟件或者游戲［13］.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)，將PC或運(yùn)行能力較強(qiáng)的計(jì)算設(shè)備作為服務(wù)器，負(fù)責(zé)與Android手機(jī)進(jìn)行通信和發(fā)出指令操作.Android手機(jī)作為客戶端，通過友好的用戶界面，引導(dǎo)用戶選擇相應(yīng)的傳感器種類(目前智能手機(jī)中同時(shí)包含多種傳感器)，如設(shè)定用戶操作的種類屬于動(dòng)感式(加速度應(yīng)用)還是競(jìng)技式(支持力的應(yīng)用).

1.1 服務(wù)器和Android手機(jī)的通信

服務(wù)器和Android手機(jī)之間的通信需要解決的主要問題有:數(shù)據(jù)傳輸中穩(wěn)定性和高效性的把握、用戶操作模式的識(shí)別方法及用戶的動(dòng)作量化方法.

1.1.1 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)中服務(wù)器與客戶端利用Socket通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)(UDP)協(xié)議進(jìn)行通信，傳輸速度快，無(wú)延遲.雖然UDP協(xié)議有數(shù)據(jù)報(bào)容易丟失、不能保證每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳到等問題，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體感的操作，用戶的動(dòng)作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，即使丟掉部分的數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)用戶體驗(yàn)也無(wú)大礙［14］.例如控制賽車向左轉(zhuǎn)彎，用戶動(dòng)作一定有一個(gè)幅度，在這個(gè)幅度當(dāng)中，其實(shí)已經(jīng)發(fā)送了很多個(gè)向左的數(shù)據(jù)報(bào)，丟失一兩個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)對(duì)用戶體驗(yàn)的影響不大.

在Java中有兩個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)類:DatagramSocket(進(jìn)行端到端通信的類)和DatagramPacket(表示通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)類)，程序中的客戶端A和B可通過調(diào)用DatagramSocket收發(fā)DatagramPacket，如圖1所示.

圖1 UDP通信模式Fig.1 UDP communication mode

1.1.2 用戶操作模式識(shí)別

在確定移動(dòng)通信傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，需要將移動(dòng)設(shè)備的多點(diǎn)觸摸功能和傳感器功能融入到服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算功能中，即實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的融合，因此需要將移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的指令變成服務(wù)器能夠識(shí)別的操作.

識(shí)別的前提是需要引導(dǎo)用戶選擇操作的模式，如使用觸摸屏還是傳感器，而Android傳感器包含了光照、溫度、加速度、壓力、重力、地磁等多種傳感器，所以Android移動(dòng)體感選取的狀態(tài)模式改變時(shí)，應(yīng)該通知PC客戶端進(jìn)行識(shí)別，這樣才能進(jìn)行正確的操作映射.

系統(tǒng)中通知狀態(tài)改變發(fā)送的消息格式是:state+n.其中，state是固定的字符串，n是約定意義的數(shù)字.狀態(tài)改變類StateChangedInformer繼承基類Transmission，發(fā)送狀態(tài)消息給PC端.

常用的用戶操作屬于不同模式的應(yīng)用，如手柄模式屬于多點(diǎn)觸摸屏模式的應(yīng)用，而幻燈片(PPT)、賽車等操控屬于傳感器模式的應(yīng)用.

1.1.3 動(dòng)作數(shù)據(jù)量化

用戶需要實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕的雙擊、長(zhǎng)按及畫弧(如圖2左邊所示的圓圈樣式)操作，這些用戶操作必須量化為數(shù)字信號(hào)方能處理.手柄的按鈕有按下和彈起2種狀態(tài)，定義好編號(hào)和鍵盤的對(duì)應(yīng)按鍵，封裝其發(fā)送方法，在已有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上便能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能.

圖2 用戶操作界面Fig.2 User operation interface

1.2 傳感器模式

遙控賽車游戲和PPT翻頁(yè)是比較典型的傳感器應(yīng)用，但它們的原理不太一樣，遙控PPT翻頁(yè)靠用戶動(dòng)作的加速度，通過一直甩動(dòng)移動(dòng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)加速;而遙控賽車游戲是通過重力和桌面對(duì)手機(jī)支持力的變化來使汽車加速，當(dāng)設(shè)備處于某個(gè)角度時(shí)可以使汽車持續(xù)加速.

Android中的Sensor代表了所有傳感器，它通過SensorManager的 getDefaultSensor(int type)方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)例化，其中參數(shù)type用于標(biāo)識(shí)不同的傳感器，如表1所示，參數(shù)數(shù)值都封裝在Sensor類中.

表1 Sensor類Table 1 Sensor classes

傳感器開發(fā)需要完成以下的功能:注冊(cè)事件機(jī)制、從加速度傳感器中獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和同步生命周期.因?yàn)閿?shù)據(jù)是由客戶端傳輸?shù)椒?wù)器端，能夠正確地識(shí)別用戶的動(dòng)作操作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要將用戶操作轉(zhuǎn)換為有意義的命令，所以需要利用SensorManager對(duì)傳感器進(jìn)行初始化、啟動(dòng)和關(guān)閉，以及利用SensorEventListener配合SensorEvent來獲取傳感器收集的數(shù)據(jù)，通過使用加速度傳感器來了解Android傳感器開發(fā)的流程.

1.2.1 注冊(cè)事件機(jī)制

Android傳感器的工作機(jī)制屬于事件機(jī)制，但跟普通Java中的事件機(jī)制(如顯示組件Button等)有所區(qū)別:(1)顯示組件可以自己注冊(cè)監(jiān)聽器，而傳感器與監(jiān)聽器之間必須通過SensorManager來注冊(cè);(2)當(dāng)程序不可見時(shí)，顯示組件自然失效，但傳感器會(huì)繼續(xù)工作，直到手工關(guān)閉傳感器.傳感器的設(shè)計(jì)流程必須滿足Android生命周期的特點(diǎn)［15］，如圖3所示.

圖3 傳感器設(shè)計(jì)流程Fig.3 Process of sensor design

在Android中，事件源(Source)對(duì)應(yīng)的類是Sensor，事件(Event)對(duì)應(yīng)的類是 SensorEvent，監(jiān)聽器(Listener)對(duì)應(yīng)的類是SensorEventListener.

Activity的getSystemService(SENSOR_SERVICE)返回一個(gè)SensorManager對(duì)象，而SensorManager對(duì)象的 getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER)可以獲取加速度傳感器的實(shí)例，其中參數(shù)Sensor.TYPE_ACCELEROMETER表示加速度傳感器.利用此方法還可以返回其它傳感器(見表1)的實(shí)例.同時(shí)需要利用SensorManager的registerListener()方法來使傳感器開始工作，用unregisterListener()方法來注銷傳感器.

1.2.2 獲取加速度

所有傳感器的數(shù)值保存在SensorEvent.values［］中，values的長(zhǎng)度和意義取決于當(dāng)前的傳感器類型.獲取數(shù)據(jù)時(shí)，利用SensorManager定義的下標(biāo)常量可以提高程序的可讀性.

上述程序聲明了傳感器及其事件監(jiān)聽器.監(jiān)聽器SensorEventListener的onSensorChanged()方法用于處理傳感器獲取的數(shù)據(jù).SensorEvent的values數(shù)組下標(biāo)為 SensorManager.DATA_X、SensorManager.DATA_Y、SensorManager.DATA_Z 的值，表示加速度在立體坐標(biāo)系內(nèi)x、y、z方向上的分量.

1.2.3 處理數(shù)據(jù)

通過體感控制PPT的操作包括3個(gè)過程:收集數(shù)據(jù)、判斷操作、發(fā)送通知.加速度數(shù)據(jù)從Sensor-Event的values變量獲得，接著判斷這些數(shù)據(jù)是否構(gòu)成一次遙控操作.如果構(gòu)成操作，則發(fā)送通知給PC端完成一次控制操作.控制PPT操作的代碼如下:

首先獲取x軸和y軸的加速度值.if(x＞15 x＜－15)、if(z＞0)是判斷條件，nextPage()、lastPage()、MakeSensorDelay()是向PC端發(fā)送通知的自定義方法.一次揮動(dòng)手機(jī)可能產(chǎn)生數(shù)十個(gè)加速度數(shù)據(jù)，MakeSensorDelay()的作用是提高用戶體驗(yàn)，制造延遲，只判斷為一次操作.

1.2.4 同步生命周期

傳感器的啟動(dòng)和關(guān)閉是由程序的SensorManager管理的，利用Activity生命周期中的onResume()方法來啟動(dòng)傳感器，利用onPause()方法來關(guān)閉傳感器.這樣，傳感器的工作時(shí)間就與Activity同步了，即傳感器在進(jìn)入Activity時(shí)開啟，離開Activity時(shí)關(guān)閉.

從表1可知，Android還包含了其它傳感器，如控制賽車游戲操作的支持力(重力)傳感器，其原理是:當(dāng)手機(jī)靜止時(shí)，通過手動(dòng)傾斜手機(jī)來改變重力傳感器的向量值.其開發(fā)過程和加速度傳感器類似.

2 提高用戶體驗(yàn)

通過上面的操作，客戶端程序已經(jīng)可以與服務(wù)器通信，識(shí)別發(fā)送觸屏命令，捕獲傳感器的變化，但還需要提高用戶體驗(yàn)，即讓用戶控制更為精準(zhǔn)，最大程度地節(jié)省移動(dòng)設(shè)備的耗電量.

2.1 制造延遲

雖然目前可以利用加速度傳感器控制相應(yīng)的PC程序，但一次揮動(dòng)手機(jī)可能產(chǎn)生數(shù)十個(gè)加速度的數(shù)據(jù)，顯然沒有必要處理每條數(shù)據(jù)，也不允許有時(shí)間和能力分析每條數(shù)據(jù).所以需要制造一定的延遲，以屏蔽在一次甩動(dòng)中傳感器獲取的多余數(shù)據(jù)并選取滿足條件的數(shù)據(jù).制造控制延遲有2種方法:(1)不理會(huì)一次揮動(dòng)中多余的數(shù)據(jù)，忽略若干個(gè)數(shù)據(jù)之后重新監(jiān)聽，但每次揮動(dòng)的手勢(shì)、路徑、手機(jī)朝向都不一樣，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)也不確定，因此這種方法可行性不高;(2)從數(shù)據(jù)的源頭抓起，傳感器事件監(jiān)聽器SensorEventListener一旦出現(xiàn)了滿足條件的數(shù)據(jù)時(shí)，馬上注銷傳感器，調(diào)用handler的sendMessageDelayed()方法來停止獲取數(shù)據(jù).在設(shè)定的時(shí)間之后等待下一次操作，如1s后重新注冊(cè)傳感監(jiān)聽器.

2.2 節(jié)約能耗

通過始終甩動(dòng)來控制PPT等動(dòng)作敏感度高的程序，用戶會(huì)感到疲倦.而如果移動(dòng)設(shè)備的資源有限，應(yīng)用程序的耗電量大，那么該移動(dòng)設(shè)備也難以受到用戶的青睞.因此，在設(shè)計(jì)Android移動(dòng)體感的過程中，需要考慮節(jié)約能耗，使軟件更加人性化.能耗的節(jié)約需要考慮3個(gè)問題:(1)節(jié)能操作必須適合大部分機(jī)型;(2)不影響已有的操作習(xí)慣和用戶體驗(yàn);(3)操作必須簡(jiǎn)便.

綜合考慮這3個(gè)問題后，文中使用音量鍵來控制事件.處理音量鍵事件需要用到onKeyDown()方法，此方法用于捕獲手機(jī)的所有按鈕信息(包括常用的“ ”回退鍵)，返回值是布爾類型數(shù)據(jù)，如果返回true，則表明“確定已經(jīng)完成了按鈕事件處理”;如果沒有處理好即返回值為false，那么將調(diào)用下一級(jí)的onKeyDown()方法，表明“還有尚未處理的按鈕，希望下一級(jí)監(jiān)聽器繼續(xù)處理”.其中“組件”的下一級(jí)是“Activity”，而“Activity”的下一級(jí)是“系統(tǒng)級(jí)”.

3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

3.1 通信效率分析

在本項(xiàng)目開發(fā)之初，曾使用可靠的傳輸控制協(xié)議(TCP)作為通信協(xié)議，但實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:使用TCP協(xié)議來傳輸時(shí)延遲非常大.這是因?yàn)門CP協(xié)議采用了3次握手，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都要求驗(yàn)證其正確性，并且為了保證不丟失每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，還采用了停止等待協(xié)議，因而項(xiàng)目的測(cè)試效果不太理想.例如，控制汽車向左轉(zhuǎn)彎，如果前面向右轉(zhuǎn)彎的數(shù)據(jù)包還沒有傳完，這個(gè)向左轉(zhuǎn)彎的數(shù)據(jù)包就必須等待，因而造成延遲，影響用戶體驗(yàn).表2給出了使用 TCP和UDP協(xié)議時(shí)服務(wù)器和客戶端之間的通信效率分析結(jié)果.

表2 使用不同協(xié)議時(shí)的通信效率分析結(jié)果Table 2 Analysis results of communication efficiency using different protocals

雖然UDP協(xié)議有數(shù)據(jù)報(bào)容易丟失、不能保證每個(gè)報(bào)文準(zhǔn)確無(wú)誤地傳到等問題，但運(yùn)動(dòng)體感操作對(duì)數(shù)據(jù)延遲性非常敏感，而對(duì)數(shù)據(jù)完整性沒有嚴(yán)格的要求，故文中采用UDP協(xié)議.它明顯地提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率.

其次，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能耗是手機(jī)能耗的主要部分，減少通信時(shí)延，即縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間對(duì)于降低能耗是至關(guān)重要的.綜上所述，UDP協(xié)議更適合移動(dòng)體感應(yīng)用.

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景

移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)器(C/S結(jié)構(gòu))通過友好的用戶界面進(jìn)行匹配，只有配對(duì)成功方可控制，因此具有很高的可靠性，如圖4所示.

圖4 Android手機(jī)端程序初始化Fig.4 Application initialization in Android mobile phone

整個(gè)項(xiàng)目主要的應(yīng)用場(chǎng)景可分為操控式、動(dòng)感式和競(jìng)技式3種.操控式和動(dòng)感式主要是利用手機(jī)的加速度傳感器進(jìn)行開發(fā)，而競(jìng)技式主要是通過多點(diǎn)觸摸達(dá)到模擬游戲手柄的控制效果.

3.2.1 操控式

當(dāng)手機(jī)平放在桌面上時(shí)，手機(jī)受到重力和桌面對(duì)手機(jī)的支持力的影響.Android中的加速度傳感器會(huì)屏蔽重力，即當(dāng)手機(jī)靜止放在桌面時(shí)，加速度傳感器的數(shù)值不為0，而是有數(shù)值顯示的，這個(gè)數(shù)值是桌面對(duì)手機(jī)的支持力.

操控式最具代表性的應(yīng)用是利用手機(jī)在物理空間內(nèi)擺放狀態(tài)的改變來控制極品飛車等賽車類游戲.其原理是:當(dāng)手機(jī)靜止時(shí)，通過手動(dòng)傾斜手機(jī)來改變支持力對(duì)傳感器的向量值，以此來控制賽車或者飛機(jī)的前進(jìn)后退、左右傾斜，如圖5所示.

圖5 Android移動(dòng)體感遙控《極品飛車14》示意圖Fig.5 Schematic diagram of Android somatic application control《The Need for Speed 14》

3.2.2 動(dòng)感式

加速度傳感器可以捕獲x、y、z方向的加速度，通過每次揮動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)合項(xiàng)目中的模式識(shí)別算法來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作控制，圖6所示為通過揮動(dòng)手機(jī)實(shí)現(xiàn)遙制PPT翻頁(yè)的示意圖.除此之外，還可以利用手機(jī)揮動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)播放音樂的切換和“貪食魚”等對(duì)動(dòng)作敏感度要求高的游戲.

圖6 Android移動(dòng)體感遙控PPT和游戲示意圖Fig.6 Schematic diagrams of Android somatic application control PPT and game

3.2.3 競(jìng)技式

通過移動(dòng)設(shè)備的觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的命令映射，可以實(shí)現(xiàn)競(jìng)技類游戲的控制，如圖7所示.本系統(tǒng)除了可以兼容各種手柄類游戲之外，還可以實(shí)現(xiàn)類似遠(yuǎn)程鼠標(biāo)的控制效果.

圖7 Android移動(dòng)體感遙控FIFA足球示意圖Fig.7 Schematic diagram of Android somatic control FIFA

4 結(jié)語(yǔ)

隨著Android設(shè)備的日益普及和移動(dòng)體感的廣泛應(yīng)用，利用Android平臺(tái)開發(fā)用戶體驗(yàn)好的移動(dòng)體感應(yīng)用顯得炙手可熱，文中利用Android移動(dòng)設(shè)備的傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)體感應(yīng)用系統(tǒng)，它具有較好的用戶體驗(yàn).在HTC G11和Sunsang I9100上的反復(fù)測(cè)試，以及在Android市場(chǎng)和國(guó)內(nèi)億歐、Wooboo市場(chǎng)的用戶測(cè)試表明，手機(jī)連接服務(wù)器的時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)，Android客戶端設(shè)備對(duì)服務(wù)器端的控制響應(yīng)時(shí)間小于1s，完成了手機(jī)在智能空間的普適訪問和軟件控制.今后擬實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)設(shè)備之間的遠(yuǎn)程互操作，系統(tǒng)將采用瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，爭(zhēng)取在該架構(gòu)下能兼容更多的移動(dòng)嵌入式設(shè)備.

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