通过 Headphone Motion 访问 AirPods 的头部跟踪数据

Core Motion

Core Motion 用以处理加速度计(Accelerometer)、陀螺仪(Gyroscope)、计步器(Pedometer)，以及其他环境相关事件。在我们的应用程序中，可以使用这些数据作为用户交互、健身跟踪等活动的输入。

框架的服务可提供对原始值、处理值，两种运动数据的访问。原始值反映了来自硬件的未修改数据，而处理值消除了可能对数据使用产生不利影响的偏差。例如，处理后的加速度值仅反映用户引起的加速度，而不反映重力引起的加速度。

框架的某些服务即使在具有所需硬件的设备上也可能不可用。例如，许多 Core Motion 服务可供 visionOS 应用程序使用，但这些服务不适用于其在 iPad 或 iPhone 应用程序上。在尝试使用任何与运动相关的服务之前，需要检查这些服务的可用性。

iOS 应用程序必须在其 Info.plist 文件中包含其所需数据类型的使用描述，否则尝试访问相应的服务时，应用程序会崩溃。 要访问运动和健身数据，请包含 NSMotionUsageDescription；要访问跌倒检测服务，请包含 NSFallDetectionUsageDescription。

本文讲围绕 Core Motion 框架下的 CMHeadphoneMotionManager，讲解和实现访问 AirPods (3rd generation)、AirPods Pro (all generations)、 AirPods Max 的头部跟踪数据。

使用描述与授权

创建 HeadphoneMotion 项目，并在 Info.plist 文件中新增 Privacy - Motion Usage Description，并添加文字描述：

稍后，在第一次使用 Core Motion 相关 API 时，将会有对应的提示。我们可以通过 authorizationStatus() API 获取返回监听耳机运动的授权状态：

// CMHeadphoneMotionManager
open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    // ...
    open class func authorizationStatus() -> CMAuthorizationStatus
}

若用户在安装后首次未授权该权限，需要引导用户至设置->对应应用->开启“运动与健身”。可以使用 isDeviceMotionAvailable 属性判断当前设备是否支持和是否有权限获取头部跟踪数据：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    // ...
    open var isDeviceMotionAvailable: Bool { get }
}

获取头部跟踪数据

CMHeadphoneMotionManager 提供了两种头部跟踪数据获取方式：

1. 使用CMHeadphoneMotionManager 的 startDeviceMotionUpdates()方法，开始设备运动数据的更新，将在稍后修改 CMHeadphoneMotionManager 的 deviceMotion 属性：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    //...
    open var deviceMotion: CMDeviceMotion? { get }
    open func startDeviceMotionUpdates()
}

2. 使用CMHeadphoneMotionManager 的 startDeviceMotionUpdates(to:withHandler:) 方法，指定队列并流式接收数据更新回调：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    //...
    open func startDeviceMotionUpdates(to queue: OperationQueue, withHandler handler: @escaping CMHeadphoneMotionManager.DeviceMotionHandler)
}

3. CMHeadphoneMotionManager 的 isDeviceMotionActive 属性标识设备是否处于活动状态，在更新头部跟踪数据数据期间将返回 true：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    //...
    open var isDeviceMotionActive: Bool { get }
}

4. 相应的，CMHeadphoneMotionManager 的 stopDeviceMotionUpdates() 方法停止数据接收的能力：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    //...
      open func stopDeviceMotionUpdates()
}

5. CMHeadphoneMotionManager 提供了代理方法 CMHeadphoneMotionManagerDelegate，回调首次设置及后续的连接和断开耳机的事件：

open class CMHeadphoneMotionManager : NSObject {
    //...
      weak open var delegate: CMHeadphoneMotionManagerDelegate?
}

public protocol CMHeadphoneMotionManagerDelegate : NSObjectProtocol {
    // 连接耳机时调用
    optional func headphoneMotionManagerDidConnect(_ manager: CMHeadphoneMotionManager)
    // 断开耳机时调用
    optional func headphoneMotionManagerDidDisconnect(_ manager: CMHeadphoneMotionManager)
}

以上述方式二为例，我们可以使用以下代码进行数据获取，：

import CoreMotion

class CoreMotionViewController: UIViewController {
    
    let manager = CMHeadphoneMotionManager()
    
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()
        guard manager.isDeviceMotionAvailable else {
            print("Device Motion is not Available.")
            return
        }
        manager.delegate = self
        manager.startDeviceMotionUpdates(to: OperationQueue.main) { [weak self] deviceMotion, error in
            guard let self, error == nil else {
                print("Start device motion updates failed.")
                return
            }
            self.printData(from: deviceMotion)
        }
    }
  
     deinit {
        manager.stopDeviceMotionUpdates()
    }
}

extension CoreMotionViewController: CMHeadphoneMotionManagerDelegate {
    
    func headphoneMotionManagerDidConnect(_ manager: CMHeadphoneMotionManager) {
        print("Headphone motion manager did connect")
    }
        
    func headphoneMotionManagerDidDisconnect(_ manager: CMHeadphoneMotionManager) {
        print("Headphone motion manager did dis connect")
    }
    
    private func printData(from deviceMotion: CMDeviceMotion?) {
            // 将在下部分进行解析
    }
}

解析头部跟踪数据

我们将通过 CMDeviceMotion 来解析头部跟踪数据。CMDeviceMotion 是设备姿态、旋转速率和加速度的封装测量。

class CMDeviceMotion : CMLogItem

要解释姿态数据，我们需要知道设备坐标轴的方向，下图显示了 Airpods 的正 x 轴、正 y 轴和正 z 轴：

CMDeviceMotion 的声明如下，我们依次来看：

@available(iOS 4.0, *)
open class CMDeviceMotion : CMLogItem {
        // 返回设备的姿态。
    open var attitude: CMAttitude { get }
    // 对于带有陀螺仪的设备，返回设备的旋转速率。
    open var rotationRate: CMRotationRate { get }
    // 返回设备参考系下的重力矢量。
    open var gravity: CMAcceleration { get }
    // 返回用户给予设备的加速度。
    open var userAcceleration: CMAcceleration { get }
    // 对于带有磁力计的设备，返回相对于设备的磁场矢量。
    @available(iOS 5.0, *)
    open var magneticField: CMCalibratedMagneticField { get }
    // 返回相对于 CMAttitude 参考系的航向角度，范围为 [0,360) 度。
    @available(iOS 11.0, *)
    open var heading: Double { get }
    // 返回用于计算设备运动数据的传感器的位置。
    open var sensorLocation: CMDeviceMotion.SensorLocation { get }
}

1. attitude 是设备相对于已知参考系的方向。roll、pitch、yaw 属性获得弧度为单位的欧拉角：

可以通过数学计算，将其简单转换为度数为单位：

let rollValue  = (180 / Double.pi) * deviceMotion.attitude.roll
let pitchValue = (180 / Double.pi) * deviceMotion.attitude.pitch
let yawValue   = (180 / Double.pi) * deviceMotion.attitude.yaw

以上图为例，若我们向下低头 45 度，则计算得到的 pitchValue 为 -45，若我们向上抬头 45 度，则计算得到的 pitchValue 为 45，以此类推。

在 CMAttitude 中，我们除了使用 roll、pitch、yaw 属性获得弧度为单位的欧拉角表示，还可以使用 rotationMatrix 获得其旋转矩阵表示、可以使用 quaternion 获得其四元数表示。这里不做详细展开。

2. rotationRate 是设备的旋转速率，CMRotationRate 结构中包含指定设备绕三个轴的旋转速率的数据 x、y、z。其单位为弧度/秒。

3. gravity，返回以设备参考系表示的重力矢量，包含 x、y、z 三个方向。设备的总加速度等于重力加上用户施加到设备的加速度。单位是 m/s²，或是 N/kg。

4. userAcceleration 是用户给予设备的加速度，包含 x、y、z 三个方向。单位是 m/s²，或是 N/kg。

5. magneticField 返回相对于设备的磁场矢量。 其属性 field 是包含 3 轴校准磁场数据的结构。accuracy 是指示磁场估计准确性的枚举常量值。

6. heading 是相对于当前参考系的航向角，以度为单位。该属性只在 VisionOS 系统上生效。

7. sensorLocation 定义设备的传感器位置。返回枚举类型默认传感器位置、传感器位于左侧耳机中、传感器位于右侧耳机中。

总结

CMHeadphoneMotionManager 是 Apple 在 iOS 14 及以后的版本中提供的一个 API，它允许应用程序检测和响应耳机的运动和姿态。这个 API 可以检测到耳机的倾斜、旋转和移动等动作，并将这些信息传递给应用程序。对于增强现实和虚拟现实应用程序、运动和健身应用程序等，为开发人员提供了一种新的用户交互的方式，带来用户带来更丰富、更个性化的体验。

GitHub Headphone Motion 项目基于上述描述，通过 CoreMotion 和 SceneKit 实现了头部跟踪数据的获取与可视化，以及实现使用头部跟踪数据进行视频流滑动的 Demo：

头部跟踪数据的获取与可视化	使用头部跟踪数据进行视频流滑动