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Tenho um player open source para Android há algum tempo. Meses atrás criei um visualizador de áudio (do tipo daqueles com barras e cores) onde o usuário podia interagir, simulando uma realidade aumentada (a visualização aparenta estar "ao redor" da pessoa, conforme a pessoa move o dispositivo).

Depois de alguns testes, percebi que os dados dos sensores magnéticos e de aceleração oscilam muito (como é de se esperar em sensores analógicos), então eu uso um filtro passa-baixa de primeira ordem para suavizar o movimento. Até aí, sem novidades.

Acontece que ao assistir este clipe da Björk no YouTube do dispositivo, percebi que ele segue o mesmo princípio, e oferece uma experiência em 360 graus.

Contudo, eu reparei que o movimento no YouTube não fica tão suavizado/lento como no meu visualizador, mas não "treme" quando solto em uma superfície lisa. Em outras palavras: os dados crus, logo meu visualizador, oscilam muito quando o dispositivo está em repouso, por isso precisei filtrar, e o movimento acaba ficando meio lento. Mas no YouTube, não há "tremores" quando o dispositivo está na mesma superfície em descanso, porém ele responde bem mais rápido do que o meu visualizador.

Como pode-se ver no código onde trato os dados dos sensores (função onSensorData, a partir da linha 286), estou utilizando o seguinte filtro:

coefNew = (0.03125f / 16.0f) * delta;
coefOld = 1.0f - coefNew;

Observações:

  • coefNew é usado na entrada (x) e coefOld na saída anterior (y)
  • delta é o intervalo, em milissegundos, entre o quadro anterior e o atual
  • / 16.0f * delta serve para ajustar o coeficiente dependendo da taxa de fps

Já tentei "brincar" com o coeficiente, e se eu aumento seu valor, o movimento passa a responder mais rápido, mas os tremores voltam (como é de se esperar).

Mesmo estando em C++, me baseei no código da classe SensorManager, do próprio Android, para gerar a matriz de transformação linear: http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/ext/com.google.android/android/5.0.2_r1/android/hardware/SensorManager.java

Daí vem minha pergunta: Existe outro tipo de filtro / técnica que possa ser utilizado nessa situação? Alguém sabe como o YouTube consegue aquele movimento com resposta rápida, mas que não "treme" (existe outro método de aquisição de dados do Android para criar a matriz de transformação linear)?

1 Resposta 1

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Depois de muita procura consegui eleger os top 3 links que mais me elucidaram nessa questão:

Basicamente descobri que:

  • Os dados do sensor magnético realmente são bastante ruidosos em todos os dispositivos, bem mais ruidosos do que os dados provenientes do sensor de gravidade/aceleração
  • Não utilizar o sensor magnético envolve ter que utilizar o giroscópio, que também é bastante ruidoso, e, por sua vez, acaba recaindo em ter utilizar um Filtro de Kalman para estimar e filtras os valores retornados pelo sensor
  • Utilizar outros filtros passa-baixa de 2ª ordem (ou de ordem maior), como Filtros Butterworth, entre outros, realmente não remove o tipo de ruído presente nos dados do sensor magnético (testei filtros de diversas ordens, com diferentes frequências de corte, todos sem o resultado esperado)
  • Utilizar Holt-Winters double exponential smoothing (também com referências aqui) ou deixa passar muito o ruído quando o dispositivo está efetivamente parado, ou cria um overshoot indesejado
  • Utilizar sensores do tipo TYPE_ROTATION_VECTOR e TYPE_GEOMAGNETIC_ROTATION_VECTOR realmente não resolve, pois os dados que formam o quaternion devolvido em SensorEvent.values não são filtrados pelo Android
  • Utilizar o sensor do tipo TYPE_GAME_ROTATION_VECTOR é muito arriscado, apesar dele não utilizar internamente o sensor magnético, pois testei em alguns dispositivos "topo de linha", com API 18+, e esse sensor não estava presente (SensorManager.getDefaultSensor() retornava null)
  • Não é possível encontrar o código-fonte do YouTube tão facilmente :)

Assim, desisti e comecei a fazer algumas simulações no Excel utilizando dados reais obtidos do sensor magnético durante a utilização do aparelho, como no gráfico a seguir, que mostra o dispositivo em repouso, depois o dispositivo sendo girado, e por fim, girado de volta, quase para a posição inicial:

Dados reais obtidos do sensor magnético

Decidi, então, utilizar um filtro passa-baixa com corte adaptativo. Quanto menor fosse a alteração do valor, com relação ao valor anterior, menor seria a frequência de corte (produzindo uma resposta mais lenta), e quanto maior fosse a alteração, maior a frequência de corte (produzindo uma resposta mais rápida).

O gráfico abaixo mostra o coeficiente utilizado com o filtro passa-baixa. Ele segue a seguinte equação quadrática (absDelta representa o valor absoluto da diferença entre o valor anterior do sensor e o valor atual):

coeficiente = (0.05 × absDelta²) + (0.025 × absDelta)

Reposta do coeficiente do filtro passa-baixa

O valor final limitado a 0.15, produzindo o seguinte código:

absDelta = valorAtual - valorAnterior;
coefNew = (absDelta >= 1.5f ?
              0.15f :
              ((0.05f * absDelta * absDelta) + (0.025f * absDelta))
          ) * 0.0625f * delta;
coefOld = 1.0f - coefNew;

Observações:

  • coefNew é usado na entrada (x) e coefOld na saída anterior (y)
  • delta é o intervalo, em milissegundos, entre o quadro anterior e o atual
  • 0.0625f * delta serve para ajustar o coeficiente dependendo da taxa de fps

Por fim, o resultado obtido com essa técnica é como o mostrado no gráfico abaixo, onde as linhas pretas mostram o valor filtrado:

Dados filtrados do sensor magnético

Esse filtro é aplicado de maneira independente para cada um dos eixos x, y e z.

O código completo já está no repositório do projeto, dentro da função onSensorData() (atualmente na linha 286), mas hoje (2015-07-07) ainda não está na versão do aplicativo que se encontra na Play Store.

Fiz diversos testes e o resultado me agradou bastante. Ele responde rápido quando movo o dispositivo depressa, e filtra boa parte dos ruídos quando deixo o dispositivo parado.

Cheguei a utilizar outras funções no lugar da parábola mostrada acima, como uma Interpolação de Hermite ou outras funções cúbicas, mas a resposta ficava ou muito devagar, ou o ruído ficava muito aparente. Ainda assim, cheguei a outra parábola que também pode ser utilizada, mas que "para meu gosto" deixou a resposta muito lenta para pequenas variações reais do dispositivo:

coeficiente = (0.065 × absDelta²) + (0.0025 × absDelta)

Para os dados do sensor de gravidade/aceleração, mantive o filtro passa-baixas de primeira ordem, pois os dados não são se mostraram tão ruidosos quanto os do sensor magnético:

coefNew = (0.140625f / 16.0f) * delta;
coefOld = 1.0f - coefNew;

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