JavaScript内核与高级编程之：`Device Motion API`：如何获取设备加速度和陀螺仪数据。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位靓仔靓女，大家好！我是你们的老朋友，今天咱来聊聊JavaScript里一个挺酷炫的东西：Device Motion API。别看名字挺高大上，其实就是让我们能从手机或者平板里“偷”点数据出来，比如设备晃成啥样了，转了多少圈之类的。这玩意儿，在游戏开发、体感交互、甚至是一些奇奇怪怪的科学小实验里，都能派上大用场。

1. 啥是 Device Motion API？

简单来说，Device Motion API 是一组JavaScript接口，它允许咱们访问设备里的加速度计（Accelerometer）和陀螺仪（Gyroscope）的数据。

加速度计： 测量设备在三个轴（X, Y, Z）上的加速度。想象一下，你拿着手机猛地往前一冲，加速度计就能感觉到这个“冲劲儿”。
陀螺仪： 测量设备绕三个轴（X, Y, Z）的旋转速率。你拿着手机转圈圈，陀螺仪就能告诉你转得有多快。

这些数据都是实时的，所以我们能根据这些数据做出各种各样的效果。比如，做一个摇一摇抽奖的小游戏，或者让网页里的元素随着手机的倾斜而移动。

2. 如何使用 Device Motion API？

使用 Device Motion API 其实很简单，只需要监听 devicemotion 事件就可以了。

window.addEventListener('devicemotion', function(event) {
  // event.acceleration：包含设备在三个轴上的加速度信息（不包含重力）
  // event.accelerationIncludingGravity：包含设备在三个轴上的加速度信息（包含重力）
  // event.rotationRate：包含设备绕三个轴的旋转速率信息
  // event.interval：数据获取的时间间隔（毫秒）

  var accelerationX = event.accelerationIncludingGravity.x;
  var accelerationY = event.accelerationIncludingGravity.y;
  var accelerationZ = event.accelerationIncludingGravity.z;

  var rotationRateAlpha = event.rotationRate.alpha; // z轴旋转
  var rotationRateBeta = event.rotationRate.beta;   // x轴旋转
  var rotationRateGamma = event.rotationRate.gamma;  // y轴旋转

  console.log('Acceleration X: ' + accelerationX);
  console.log('Acceleration Y: ' + accelerationY);
  console.log('Acceleration Z: ' + accelerationZ);

  console.log('Rotation Rate Alpha: ' + rotationRateAlpha);
  console.log('Rotation Rate Beta: ' + rotationRateBeta);
  console.log('Rotation Rate Gamma: ' + rotationRateGamma);
});

这段代码干了啥呢？

window.addEventListener('devicemotion', function(event) { ... });: 这行代码就像一个“监听器”，时刻盯着 devicemotion 这个事件。一旦设备有任何动作，这个事件就会被触发，然后执行后面的匿名函数。
event.accelerationIncludingGravity.x/y/z: 这三个属性包含了设备在X、Y、Z三个轴上的加速度信息，但是这里包含了重力加速度。所以，如果你只是想知道设备本身的加速度，而不是它受到的重力影响，那么你可能需要用到 event.acceleration 属性，这个属性不包含重力加速度。
event.rotationRate.alpha/beta/gamma: 这三个属性包含了设备绕着Z轴（alpha）、X轴（beta）、Y轴（gamma）的旋转速率。单位是度/秒。
console.log(...): 这几行代码只是把获取到的数据打印到控制台，方便我们观察。

3. `acceleration` vs. `accelerationIncludingGravity`

这两个属性的区别在于是否包含重力加速度。

acceleration: 只包含设备本身的加速度，不包含重力加速度。也就是说，如果设备静止不动，这个属性的值应该是接近于零的。
accelerationIncludingGravity: 包含设备本身的加速度，以及重力加速度。也就是说，如果设备静止不动，这个属性的值应该等于重力加速度（大约是 9.8 m/s²）。

举个例子：

假设你把手机平放在桌子上。

acceleration.x, acceleration.y, acceleration.z 应该都接近于 0。
accelerationIncludingGravity.x 和 accelerationIncludingGravity.y 应该也接近于 0，但是 accelerationIncludingGravity.z 应该接近于 9.8。

那么，什么时候用哪个属性呢？

如果你想知道设备相对于自由落体的加速度，就用 acceleration。比如，你想做一个检测设备是否在自由落体的应用，就应该用这个属性。
如果你想知道设备相对于地球的加速度，就用 accelerationIncludingGravity。比如，你想做一个指南针应用，就应该用这个属性。

4. 设备方向（Device Orientation）

除了 devicemotion 事件，还有一个 deviceorientation 事件，它可以告诉我们设备的方向。

window.addEventListener('deviceorientation', function(event) {
  // event.alpha：设备绕 Z 轴的旋转角度（0-360 度）
  // event.beta：设备绕 X 轴的旋转角度（-180 到 180 度）
  // event.gamma：设备绕 Y 轴的旋转角度（-90 到 90 度）
  // event.absolute：指示设备是否提供真北方向的数据

  var alpha = event.alpha;
  var beta = event.beta;
  var gamma = event.gamma;
  var absolute = event.absolute;

  console.log('Alpha: ' + alpha);
  console.log('Beta: ' + beta);
  console.log('Gamma: ' + gamma);
  console.log('Absolute: ' + absolute);
});

这段代码和 devicemotion 事件的处理方式类似，也是通过监听事件来获取数据。

event.alpha: 设备绕 Z 轴的旋转角度，范围是 0 到 360 度。想象一下，你把手机平放在桌子上，然后绕着 Z 轴旋转，这个值就会变化。
event.beta: 设备绕 X 轴的旋转角度，范围是 -180 到 180 度。想象一下，你把手机的顶部抬起来或者压下去，这个值就会变化。
event.gamma: 设备绕 Y 轴的旋转角度，范围是 -90 到 90 度。想象一下，你把手机的左侧抬起来或者压下去，这个值就会变化。
event.absolute: 指示设备是否提供真北方向的数据。如果是 true，那么 alpha 的值就是相对于真北的。如果是 false，那么 alpha 的值就是相对于某个任意方向的。

5. 实际应用：一个简单的摇一摇抽奖

现在，让我们用 Device Motion API 来做一个简单的摇一摇抽奖。

首先，我们需要一个 HTML 页面：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>摇一摇抽奖</title>
  <style>
    #result {
      font-size: 3em;
      text-align: center;
      margin-top: 50px;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <h1>摇一摇抽奖</h1>
  <div id="result"></div>

  <script>
    var resultDiv = document.getElementById('result');
    var lastAcceleration = { x: 0, y: 0, z: 0 };
    var shakeThreshold = 15; // 摇晃的阈值
    var lastShakeTime = 0;

    window.addEventListener('devicemotion', function(event) {
      var acceleration = event.accelerationIncludingGravity;
      var currentTime = new Date().getTime();
      var timeDifference = currentTime - lastShakeTime;

      var deltaX = Math.abs(acceleration.x - lastAcceleration.x);
      var deltaY = Math.abs(acceleration.y - lastAcceleration.y);
      var deltaZ = Math.abs(acceleration.z - lastAcceleration.z);

      if (deltaX > shakeThreshold || deltaY > shakeThreshold || deltaZ > shakeThreshold) {
        // 足够大的加速度变化，认为发生了摇晃
        if (timeDifference > 1000) { // 1秒内只触发一次
          shakeEvent();
          lastShakeTime = currentTime;
        }
      }

      lastAcceleration = { x: acceleration.x, y: acceleration.y, z: acceleration.z };
    });

    function shakeEvent() {
      // 模拟抽奖结果
      var prizes = ['一等奖', '二等奖', '三等奖', '谢谢参与'];
      var randomIndex = Math.floor(Math.random() * prizes.length);
      var result = prizes[randomIndex];

      resultDiv.textContent = '恭喜你抽中：' + result;
    }
  </script>
</body>
</html>

这段代码干了啥呢？

HTML结构: 创建了一个标题和一个用于显示抽奖结果的 div 元素。
lastAcceleration: 用来记录上一次的加速度值，用于计算加速度的变化量。
shakeThreshold: 摇晃的阈值。如果加速度的变化量大于这个值，就认为发生了摇晃。
lastShakeTime: 记录上一次摇晃的时间，用于防止用户过于频繁地摇晃设备。
window.addEventListener('devicemotion', function(event) { ... });: 监听 devicemotion 事件，并在事件发生时执行后面的匿名函数。
计算加速度的变化量: 通过比较当前的加速度值和上一次的加速度值，计算出加速度的变化量。
判断是否发生了摇晃: 如果加速度的变化量大于 shakeThreshold，并且距离上一次摇晃的时间超过了 1 秒，就认为发生了摇晃，然后调用 shakeEvent 函数。
shakeEvent 函数: 模拟抽奖结果，并把结果显示在 resultDiv 元素中。

代码解释：

var deltaX = Math.abs(acceleration.x - lastAcceleration.x);: 这行代码计算了X轴方向上加速度的变化量。 Math.abs() 函数用来取绝对值，因为我们只关心加速度变化的大小，不关心方向。
if (timeDifference > 1000): 这行代码用来防止用户过于频繁地摇晃设备。如果距离上一次摇晃的时间小于 1 秒，就不会触发抽奖。
*`var randomIndex = Math.floor(Math.random() prizes.length);**: 这行代码用来生成一个随机数，用于模拟抽奖结果。Math.random()函数返回一个 0 到 1 之间的随机数，Math.floor()` 函数用来向下取整。

如何运行这段代码？

把上面的代码保存为一个 HTML 文件（比如 shake.html）。
把这个 HTML 文件放到你的 Web 服务器上。
用手机或者平板访问这个 HTML 文件。
摇晃你的设备，看看会发生什么。

6. 注意事项

在使用 Device Motion API 的时候，需要注意以下几点：

权限问题： 在一些浏览器中，访问 Device Motion API 需要用户授权。如果用户拒绝授权，你的代码就无法获取到设备运动数据。
性能问题： 频繁地访问 Device Motion API 可能会导致性能问题，特别是对于一些低端设备。因此，应该尽量减少访问 Device Motion API 的频率。
浏览器兼容性： Device Motion API 的浏览器兼容性可能存在问题。因此，应该在使用之前进行兼容性测试。
数据校准： 设备运动数据的精度可能不高，需要进行校准才能得到更准确的结果。例如，陀螺仪可能会有漂移现象，需要定期进行校准。
安全问题： 设备运动数据可能包含用户的敏感信息，例如用户的地理位置。因此，应该谨慎处理这些数据，避免泄露用户的隐私。
低功耗模式： 有些设备在低功耗模式下，可能会限制 Device Motion API 的访问频率或者精度。

7. 高级技巧

除了上面介绍的基本用法之外，Device Motion API 还有一些高级技巧：

数据滤波： 设备运动数据可能包含噪声，可以使用数据滤波算法来减少噪声的影响。常用的数据滤波算法包括均值滤波、中值滤波、卡尔曼滤波等。
姿态估计： 可以使用设备运动数据来估计设备的姿态（位置和方向）。常用的姿态估计算法包括互补滤波、扩展卡尔曼滤波等。
体感交互： 可以使用设备运动数据来实现体感交互功能。比如，可以用手机的倾斜来控制游戏角色的移动，或者用手机的摇晃来触发某个事件。
传感器融合： 可以将 Device Motion API 和其他传感器（比如 GPS、摄像头）的数据融合起来，以获得更丰富的信息。

8. Device Motion API 的替代方案

如果你的应用不需要非常精确的设备运动数据，或者你希望在不支持 Device Motion API 的浏览器中使用体感交互功能，可以考虑使用以下替代方案：

HTML5 游戏手柄 API： 可以使用游戏手柄的摇杆和按钮来模拟设备的倾斜和摇晃。
鼠标事件： 可以使用鼠标的移动和点击来模拟设备的倾斜和摇晃。
键盘事件： 可以使用键盘的按键来模拟设备的倾斜和摇晃。

9. 表格总结

特性	`devicemotion` 事件	`deviceorientation` 事件
主要用途	获取设备加速度和旋转速率	获取设备方向
包含的数据	`acceleration` (不含重力), `accelerationIncludingGravity` (含重力), `rotationRate`, `interval`	`alpha` (Z轴旋转), `beta` (X轴旋转), `gamma` (Y轴旋转), `absolute` (是否提供真北方向)
数据单位	加速度：m/s², 旋转速率：度/秒	角度：度
适用场景	摇一摇抽奖, 运动追踪, 体感游戏	指南针应用, AR应用, 3D场景控制
潜在问题	权限问题, 性能问题, 数据校准, 浏览器兼容性	权限问题, 性能问题, 数据校准, 浏览器兼容性

10. 最后说两句

Device Motion API 是一个非常强大的工具，可以让我们在 Web 应用中实现各种各样的体感交互功能。但是，在使用 Device Motion API 的时候，需要注意权限问题、性能问题、浏览器兼容性等问题。只有充分了解 Device Motion API 的特性和限制，才能把它用好用妙。

希望今天的讲座对大家有所帮助！下次再见！