Зачем нужны гироскоп и акселерометр в смартфонах: на примере игр PUBG и Pokémon GO

Что за невидимая сила заставляет персонажей в играх менять направление вместе с наклоном смартфона? Разгадка кроется в невидимых помощниках: гироскопе и акселерометре. И хотя они работают почти одинаково, у каждого из них есть свои секреты, которые напрямую влияют на управление. Как? Разбираем на конкретных примерах.

Зачем в смартфоне акселерометр

Этот датчик измеряет ускорение устройства по трем осям: вперед-назад, влево-вправо и вверх-вниз. Он чувствует, как телефон двигается, если устройство наклоняют вбок или его кто-то трясет.

Как это работает. В человеческом вестибулярном аппарате движения тела фиксируются благодаря жидкости, которая при ускорении давит на чувствительные клетки, передавая сигнал в мозг. В акселерометре аналогичная система, но вместо жидкости и клеток он использует микроэлектромеханические системы (MEMS), которые представляют собой крошечные механические структуры, вытравленные на кремниевой подложке.

Если попытаться объяснить просто, то работает это так: внутри акселерометра находятся две параллельные пластины, одна из которых подвижна. При ускорении устройства подвижная пластина смещается. Изменение расстояния между пластинами приводит к изменению электрической емкости между ними же. Электронные схемы с высокой точностью считывают это изменение и преобразуют его в электрический сигнал, который затем интерпретируется как ускорение.

Собранные данные обрабатываются и помогают смартфону:

• определить, в каком положении он находится — горизонтальном или вертикальном, — чтобы поменять ориентацию экрана при повороте телефона;
• подсчитывать шаги в фитнес-трекерах;
• реагировать на встряхивания (например, для удаления текста или управления играми).

Зачем в смартфоне гироскоп

Гироскоп дополняет данные от акселерометра, отслеживает, как устройство вращается вокруг своих осей, и определяет угловую скорость — то есть в какую сторону и насколько сильно повернут телефон относительно своей оси.

Как это работает. По аналогичному принципу, описанному выше. Внутри MEMS-гироскопа есть крошечные вибрирующие элементы. Когда телефон начинает вращаться, вибрационные колебания этих элементов изменяются из-за эффекта Кориолиса. Этот эффект, который наблюдается только при вращении, смещает вибрирующие частицы в сторону, и движение фиксируется датчиком, преобразуясь в электрический сигнал.

В гироскопе измеряется не линейное ускорение, как в акселерометре, а изменение угла или скорости вращения устройства. В итоге гироскоп регистрирует любые изменения угловой скорости и передает эти данные процессору, который может точно определить направление и угол наклона устройства.

Гироскоп помогает:

• стабилизировать камеру при съемке, чтобы уменьшить эффект дрожания рук;
• отслеживать даже небольшие изменения положения телефона, что важно для AR и VR-приложений — можно «осматриваться» в виртуальной среде, просто вращая телефон;
• выполнять более точные и сложные жесты — например, во время «виртуальных туров» или во время съемки панорамных видео, когда вы держите смартфон и поворачиваете его влево или вправо, гироскоп позволяет плавно двигаться внутри «виртуального окна», как будто вы смотрите вокруг себя; другой пример — «перемотка» слайдов или страниц презентации, когда вы просто слегка наклоняете телефон.

Примеры использования в мобильных играх

Ни одна современная мобильная игра сегодня не обходится без использования гироскопа и акселерометра. Эти сенсоры делают управление более точным и реалистичным с помощью таких жестов, как наклоны, повороты и встряхивания.

Возможности гироскопа и акселерометра особенно сильно раскрываются в AR-играх вроде Pokémon GO или Jurassic World Alive. В комбинации с GPS (который определяет точное местоположение игрока) они дают возможность перемещаться в виртуальном мире с привязкой к реальной местности. Датчики могут отслеживать положение телефона в пространстве, чтобы наложить виртуальные объекты (динозавров, покемонов и так далее) на реальные изображения, сделанные камерой.

Скриншот из игры Pokémon GO: собака реальная, покемон Алаказам — не очень

Благодаря акселерометру виртуальный мир при изменении положения устройства остается на том же месте, чтобы покемоны и прочая живность «прилипли» к местам, заданным игрой. Гироскоп определяет, куда именно и под каким углом повернут телефон, и это помогает виртуальной камере «знать», куда смотрит пользователь.

В гоночных играх вроде Asphalt 9: Legends или Need for Speed гироскоп позволяет управлять транспортом, просто поворачивая телефон: наклоны влево или вправо меняют направление движения машины. И датчики снова работают в паре: акселерометр определяет, в какую сторону повернуто устройство, а гироскоп помогает понять, насколько сильно наклонен телефон, чтобы поворот был плавнее или резче.

Наклон смартфона влево или вправо в игре Need for Speed меняет направление гоночного авто

В PUBG Mobile, Call of Duty Mobile и прочих шутерах гироскоп помогает отслеживать малейшие — порядка 0,1 градуса — повороты устройства, что помогает игрокам более точно управлять камерой или прицелом. Это особенно полезно для вертикальных и горизонтальных коррекций при стрельбе. Например, прицел может двигаться вверх-вниз или влево-вправо в ответ на повороты устройства — это облегчает точное прицеливание и корректировку.

PING Mobile: гироскоп по умолчанию активируется, когда игрок использует прицел самого оружия. Но если в настройках стрельбы выбрана настройка «Всегда», гироскоп будет активирован все время

В игре Temple Run персонаж все время движется вперед, а акселерометр позволяет игроку собирать монеты и избегать препятствий с помощью наклона телефона влево или вправо. Помимо наклонов используются и другие жесты, например для прыжков и скольжений.

Акселерометр в Temple Run фиксирует наклоны телефона, чтобы контролировать перемещение персонажа на дорожке

В простых аркадных играх вроде Teeter тоже используются датчики. В игре нужно загнать мяч в лунку, не угодив им в черные дыры. Игрок наклоняет смартфон, чтобы управлять движением шарика, направляя его к цели и избегая препятствий, — и тут помогает акселерометр. Наклоны телефона обеспечивают ускорение или торможение шарика, повороты и ориентацию мяча на доске.

Скриншот из игры Teeter: белый шарик должен достичь цели, минуя черные лунки

Что в итоге

Гироскоп и акселерометр — это два сенсора, которые позволяют смартфону лучше понимать свое положение и движение в пространстве. Акселерометр фиксирует перемещения (ускорение и наклон), а гироскоп — повороты и вращения. В современных смартфонах оба датчика работают вместе, дополняя друг друга.

Сенсоры используются во многих современных мобильных играх и позволяют разработчикам создавать более погружающий игровой опыт, который реагирует на движения игрока.

Акселерометр особенно полезен в гонках и платформерах, где управление наклоном устройства используется для поворотов или перемещения персонажа. Гироскоп, в свою очередь, незаменим в шутерах и играх с дополненной реальностью, где помогает управлять прицелом или осматриваться в виртуальном мире.