孫嘉鵬 北京市十一學(xué)校

1.開發(fā)背景與需求

在日常生活中，我們經(jīng)常會遇到想要知道某個對象的距離或者高度，但恰巧沒有尺子或者不方便測量的情況。例如，你到旅游景點(diǎn)看到一個雕塑或者一棟大樓，想知道它的高度，卻不方便直接測量。又比如，當(dāng)你在某個地方發(fā)現(xiàn)一件有趣的事情，你想把它的位置分享給朋友，但是GPS獲取的只是人自身的位置，而不是所感興趣目標(biāo)的位置，這個時候我們希望有個工具能自動測量目標(biāo)離人的距離，再與人的GPS位置和目標(biāo)相對于人的角度（可通過手機(jī)的方向傳感器獲得）相結(jié)合，則可計(jì)算出目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。

針對以上需求，本文將開發(fā)一款基于安卓手機(jī)的智能測量儀App，通過用戶的簡單操作即可實(shí)現(xiàn)測量某個感興趣目標(biāo)的高度或者距離。該App將使用谷歌公司提供的App Inventor[1]平臺進(jìn)行開發(fā)，該平臺是一個適用于安卓手機(jī)App開發(fā)的在線編程軟件，可通過代碼拼裝的方式快速方便地實(shí)現(xiàn)所需功能。

2.設(shè)計(jì)原理

測量距離和高度的基本原理如圖1所示。整個測量過程分為以下兩步：

步驟1）用戶手拿手機(jī)，打開攝像頭，并將手機(jī)屏幕中心對準(zhǔn)被測量對象的底部，點(diǎn)擊拍照按鈕的同時，可利用手機(jī)的方向傳感器獲得向下的傾斜角α；

步驟2）用戶再次打開攝像頭，并將手機(jī)屏幕中心對準(zhǔn)被測量對象的頂部，點(diǎn)擊拍照按鈕的同時，再次利用手機(jī)的方向傳感器獲得向上的傾斜角β。

假定用戶的身高h(yuǎn)1已知，用戶手拿手機(jī)的位置與用戶的頭部大概距離為0.3m，則用戶手機(jī)離對面的高度為（h1-0.3）。因此，我們可以根據(jù)三角函數(shù)得到以下兩個公式，分別用來計(jì)算被測量對象與用戶的距離d，以及被測量對象的高度h2。

d=h1*tanα；

h2=h1-0.3+d*tanβ；

圖1 使用手機(jī)測量距離和高度的基本原理

3.界面設(shè)計(jì)

在App Inventor中，調(diào)用照相機(jī)時，會自動彈出照相界面，并引導(dǎo)用戶照相。所以我們不需要單獨(dú)為它設(shè)計(jì)界面。除此之外，還需要設(shè)計(jì)三個頁面。首先，用戶需要設(shè)置自己的身高，我們可以使用一個文本框供用戶輸入，同時提供一個按鈕供用戶第一次調(diào)用攝像頭，并給用戶相應(yīng)的拍照方法提示，如圖2（a）所示。用戶點(diǎn)擊按鈕后，將第一次進(jìn)入拍照界面，如圖3（a）所示。用戶將取像畫面中心對準(zhǔn)被測量對象底部，然后點(diǎn)擊拍照按鈕，之后將返回第二個頁面，繼續(xù)引導(dǎo)用戶進(jìn)行第二次拍照，如圖所示2（b）。用戶再次點(diǎn)擊按鈕后，將第二次進(jìn)入拍照界面，如圖3（b）所示。用戶將取像畫面中心對準(zhǔn)被測量對象頂部，然后點(diǎn)擊拍照按鈕，之后將進(jìn)入第三個頁面，顯示計(jì)算結(jié)果，同時顯示我們所獲得的其它信息，包括身高和兩次拍照的角度，如圖2（c）所示。同時，該界面提供一個返回按鈕，可以回到第一個頁面，重新開始下一次測量。

圖2 智能測量儀的三個頁面

圖3 兩次拍照界面

4.功能實(shí)現(xiàn)

下面，分四個方面分別介紹該App的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

4.1 使用微數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)

用戶需要拍攝兩次來提供足夠的計(jì)算信息。在這里，可以選擇將數(shù)據(jù)以參數(shù)形式在頁面之間傳遞，也可以采用微數(shù)據(jù)庫[2]來存儲數(shù)據(jù)。因?yàn)锳pp Inventor的限制，我們只能在頁面間傳遞一個參數(shù)，所以，為了方便起見，這里使用微數(shù)據(jù)庫。

對于同一個用戶來說，身高是不變的。所以，當(dāng)用戶第二次以及以后再進(jìn)行測量時，不需要用戶重新輸入身高了，除非用戶自己想要修改數(shù)據(jù)。同時，身高也是一個必需的計(jì)算參數(shù)，所以，如果用戶沒有正確輸入，要給出提示，讓用戶正確輸入身高。第一張頁面初始化和存儲身高信息的塊代碼，以及最后取用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的塊代碼分別如圖4和圖5所示。

圖4 頁面初始化和存儲身高信息的塊代碼

圖5 取用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的塊代碼

4.2 調(diào)用照相機(jī)

在App Inventor中，照相機(jī)組件是非常簡便易用的，從上圖可以看到，我們只需要一個塊代碼，就可以調(diào)用照相機(jī)來拍照。之后，在完成拍攝時，我們需要提取角度信息，需要調(diào)用拍攝完成事件來存儲傾斜角，相應(yīng)的塊代碼如圖6所示。

圖6 調(diào)用拍攝完成事件來存儲傾斜角的塊代碼

4.3 獲取傾斜角

在APP Inventor中，傾斜角的定義是：當(dāng)設(shè)備水平放置時，其值為0°；隨著設(shè)備頂部向下傾斜至豎直時，其值為90°，繼續(xù)沿相同方向翻轉(zhuǎn)，其值逐漸減小，直到屏幕朝向下方的位置，其值變?yōu)?°；同樣，當(dāng)設(shè)備底部向下傾斜直到指向地面時，其值為-90°，繼續(xù)沿同方向翻轉(zhuǎn)到屏幕朝上時，其值為0°。如圖7所示。

圖7 傾斜角測量示意圖

因?yàn)槭謾C(jī)豎直時，傾斜角給出的角度是90度。向前向后繼續(xù)傾斜，角度絕對值都將同樣變小，所以，我們計(jì)算出的高度值，可能有兩個。如上圖所示，我們的照相角度都為負(fù)值，所以在塊代碼中取絕對值，相應(yīng)的塊代碼如圖8所示。

圖8 計(jì)算傾斜角的塊代碼

4.4 距離和高度計(jì)算

通過前面的分析，我們需要進(jìn)行兩次三角變換來分別計(jì)算距離和高度，以及我們可能獲得兩個高度值。我們需要一些局部變量作為中間變量來進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的塊代碼如圖9所示。

圖9 計(jì)算距離和高度的塊代碼

5.總結(jié)與展望

本文基于App Inventor設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一款用于測量對象距離和高度的安卓手機(jī)App，在日常生活中有廣泛的應(yīng)用。然而，本App還有一些待完善和擴(kuò)展的地方。首先，在用戶瞄準(zhǔn)被測量對象時，應(yīng)該在屏幕中間提供一個“十”字準(zhǔn)星幫助用戶獲得更準(zhǔn)確的角度信息，但是由于APP Inventor的限制，照相機(jī)無法被放置在一個畫布中，只能被獨(dú)立調(diào)用，所以我們只能讓用戶盡量將被測對象位置置于屏幕中央。這樣一來，測量的結(jié)果就存在更大的誤差。另外，不同型號的手機(jī)對角度的測量準(zhǔn)確性也有很大差異，需要設(shè)計(jì)一些校準(zhǔn)方法來提高測量的準(zhǔn)確性。另外，該App需要用戶操作兩個步驟才能測量高度，未來可探索只操作一次即可測量高度的方法。