动态场景中的力反馈教程

本指南以基础力反馈教程为基础，详细讲解了如何在 Unity 中模拟动态交互，使用户能够感受到来自移动物体的力反馈。该场景突显了力反馈需要高刷新率，其刷新率远高于 Unity 中视觉渲染的典型刷新率。

导言

为了获得令人信服的触觉体验，特别是在动态场景中，必须以高于1kHz的频率进行计算。这与游戏通常约60Hz的更新循环形成了鲜明对比。挑战在于如何在与游戏主循环并行处理这些高频更新的同时，确保线程间的数据交换安全可靠，从而维持一致且精准的力反馈。

基础力反馈配置的扩展

从……现场开始基础力反馈教程. 为了实现动态行为，我们将调整该脚本 SphereForceFeedback 以便它能对球体的运动作出反应，并模拟与移动物体之间的相互作用。

主要修改内容

物体的动态移动：实现一段逻辑代码，根据用户的输入或预定义的移动模式，更新 Sphere 物体的位置和速度。
线程间安全的数据交换 : 请使用一个 ReaderWriterLockSlim 用于管理主线程与触觉线程之间对共享数据的并发访问。
力计算的调整 : 修改该方法 SphereForceFeedback.ForceCalculation 为了考虑球体速度，从而提供一种既基于位置又基于运动的、真实的反馈。

动态交互

要模拟球体的运动，您可以选择在该方法中手动更新其位置 Update，或者使用一个独立的组件，该组件根据键盘输入或其他交互来控制其移动。在此示例中，我们将重命名该对象球体 en 移动球 并添加该组件 MovingObject 示例中提供的教程.

改编自 `ForceCalculation` 为了运动

现在，在计算力反馈时，必须将“移动球”（Moving Ball）的运动速度纳入考量，并根据交互的位置和速度来调整力的大小。这能带来更细腻、更真实的触觉体验，从而反映出交互的动态特性。

添加方法参数 Vector3 otherVelocity
替换 force -= cursorVelocity * damping par force -= (cursorVelocity - otherVelocity) * damping

private Vector3 ForceCalculation(Vector3 cursorPosition, Vector3 cursorVelocity, float cursorRadius,
    Vector3 otherPosition, Vector3 otherVelocity, float otherRadius)
{
    var force = Vector3.zero;

    var distanceVector = cursorPosition - otherPosition;
    var distance = distanceVector.magnitude;
    var penetration = otherRadius + cursorRadius - distance;

    if (penetration > 0)
    {
        // Normalize the distance vector to get the direction of the force
        var normal = distanceVector.normalized;

        // Calculate the force based on penetration
        force = normal * penetration * stiffness;

        // Calculate the relative velocity
        var relativeVelocity = cursorVelocity - otherVelocity;

        // Apply damping based on the relative velocity
        force -= relativeVelocity * damping;
    }

    return force;
}

线程间安全的数据交换

在动态场景中，当物体实时移动并相互作用时，必须确保力反馈计算基于最新数据，且不会因并发访问导致数据损坏。正因如此，线程间的安全数据交换变得至关重要。

线程间安全数据交换的关键概念

线程的安全机制 : 请使用 ReaderWriterLockSlim 用于管理对数据的并发访问。这允许进行多次读取或单次写入操作，从而确保数据的完整性。
数据的读取与写入 :
- 讲座：触觉线程在读锁下读取物体的位置和速度，以避免干扰数据更新。
- 写入：主线程对对象数据的更新是在写锁下进行的，这可以防止可能导致数据状态不一致的并发读写操作。

在 Unity 中的实现

场景数据结构：为了便于进行线程安全操作，我们定义了一个包含场景所需所有数据的结构体。该结构体包含“移动球”和光标的位置、速度以及半径。该数据结构构成了我们线程安全数据交换的基础。
```
private struct SceneData
{
    public Vector3 ballPosition;
    public Vector3 ballVelocity;
    public float ballRadius;
    public float cursorRadius;
}

private SceneData _cachedSceneData;
```
锁的初始化 : 一个 ReaderWriterLockSlim 该锁用于管理对场景数据的访问。该锁允许多个线程同时读取数据，或将数据排他性地锁定供单个线程写入，从而在并发操作期间确保数据的完整性。
```
private ReaderWriterLockSlim _lock = new ReaderWriterLockSlim();
```

在缓存中写入数据时启用写锁 : 该方法 SaveSceneData 在写锁的保护下更新场景数据。这确保了当一个线程正在更新数据时，其他线程无法进行读写操作，从而避免了竞争条件并保证了一致性。

private void SaveSceneData()
{
    _cacheLock.EnterWriteLock();
    try
    {
        var t = transform;
        _cachedSceneData.ballPosition = t.position;
        _cachedSceneData.ballRadius = t.lossyScale.x / 2f;

        _cachedSceneData.cursorRadius = inverse3.Cursor.Radius;

        _cachedSceneData.ballVelocity = _movableObject.Velocity;
    }
    finally
    {
        _cacheLock.ExitWriteLock();
    }
}

使用读锁从缓存中读取 : 该方法 GetSceneData 在读锁保护下读取场景数据。这使得多个线程能够同时读取数据，同时不会干扰写入操作，从而确保力反馈计算基于最新的场景数据。
```
private SceneData GetSceneData()
{
    _cacheLock.EnterReadLock();
    try
    {
        return _cachedSceneData;
    }
    finally
    {
        _cacheLock.ExitReadLock();
    }
}
```
在主线程中更新数据 : 该方法 FixedUpdate 应在主线程中定期更新场景数据。这可确保力反馈计算能够访问最新数据，从而反映场景的动态特性。
```
private void FixedUpdate()
{
    SaveSceneData();
}
```
应用基于更新后数据的力计算 : 在回调函数中 OnDeviceStateChanged，力学计算基于最新的场景数据进行，这些数据是通过线程安全的方法获取的。这确保了力反馈既精准，又能对场景中的动态交互做出快速响应。
```
var sceneData = GetSceneData();

var force = ForceCalculation(device.CursorLocalPosition, device.CursorLocalVelocity, sceneData.cursorRadius,
    sceneData.ballPosition, sceneData.ballVelocity, sceneData.ballRadius);
```

游戏体验

通过这些脚本改进，您可以与场景中主动移动的球体进行交互。触觉反馈会根据球体的运动轨迹动态调整，从而带来更沉浸式、更丰富的触觉体验。

运动中的球

源文件

该示例的完整场景及相关文件可从 Unity 包管理器的“Tutorials”示例中导入。

示例教程包含脚本 MovableObject，在多个示例中用于通过键盘按键控制所连接的游戏对象的移动。

SphereForceFeedback.cs

/*
 * Copyright 2024 Haply Robotics Inc. All rights reserved.
 */

using System.Threading;
using Haply.Inverse.DeviceControllers;
using Haply.Inverse.DeviceData;
using Haply.Samples.Tutorials.Utils;
using UnityEngine;

namespace Haply.Samples.Tutorials._4A_DynamicForceFeedback
{
    public class SphereForceFeedback : MonoBehaviour
    {
        // must assign in inspector
        public Inverse3Controller inverse3;

        [Range(0, 800)]
        // Stiffness of the force feedback.
        public float stiffness = 500f;

        [Range(0, 3)]
        public float damping = 1f;

        #region Thread-safe cached data

        /// <summary>
        /// Represents scene data that can be updated in the Update() call.
        /// </summary>
        private struct SceneData
        {
            public Vector3 ballPosition;
            public Vector3 ballVelocity;
            public float ballRadius;
            public float cursorRadius;
        }

        /// <summary>
        /// Cached version of the scene data.
        /// </summary>
        private SceneData _cachedSceneData;

        private MovableObject _movableObject;

        /// <summary>
        /// Lock to ensure thread safety when reading or writing to the cache.
        /// </summary>
        private readonly ReaderWriterLockSlim _cacheLock = new();

        /// <summary>
        /// Safely reads the cached data.
        /// </summary>
        /// <returns>The cached scene data.</returns>
        private SceneData GetSceneData()
        {
            _cacheLock.EnterReadLock();
            try
            {
                return _cachedSceneData;
            }
            finally
            {
                _cacheLock.ExitReadLock();
            }
        }

        /// <summary>
        /// Safely updates the cached data.
        /// </summary>
        private void SaveSceneData()
        {
            _cacheLock.EnterWriteLock();
            try
            {
                var t = transform;
                _cachedSceneData.ballPosition = t.position;
                _cachedSceneData.ballRadius = t.lossyScale.x / 2f;

                _cachedSceneData.cursorRadius = inverse3.Cursor.Radius;

                _cachedSceneData.ballVelocity = _movableObject.Velocity;
            }
            finally
            {
                _cacheLock.ExitWriteLock();
            }
        }

        #endregion

        /// <summary>
        /// Saves the initial scene data cache.
        /// </summary>
        private void Start()
        {
            inverse3 ??= FindFirstObjectByType<Inverse3Controller>();
            inverse3.Ready.AddListener((device, args) => SaveSceneData());
            _movableObject = GetComponent<MovableObject>();
        }

        /// <summary>
        /// Update scene data cache.
        /// </summary>
        private void FixedUpdate()
        {
            if (inverse3.IsReady)
            {
                SaveSceneData();
            }
        }

        /// <summary>
        /// Subscribes to the DeviceStateChanged event.
        /// </summary>
        private void OnEnable()
        {
            inverse3.DeviceStateChanged += OnDeviceStateChanged;
        }

        /// <summary>
        /// Unsubscribes from the DeviceStateChanged event.
        /// </summary>
        private void OnDisable()
        {
            inverse3.DeviceStateChanged -= OnDeviceStateChanged;
            inverse3.Release();
        }

        /// <summary>
        /// Calculates the force based on the cursor's position and another sphere position.
        /// </summary>
        /// <param name="cursorPosition">The position of the cursor.</param>
        /// <param name="cursorVelocity">The velocity of the cursor.</param>
        /// <param name="cursorRadius">The radius of the cursor.</param>
        /// <param name="otherPosition">The position of the other sphere (e.g., ball).</param>
        /// <param name="otherVelocity">The velocity of the other sphere (e.g., ball).</param>
        /// <param name="otherRadius">The radius of the other sphere.</param>
        /// <returns>The calculated force vector.</returns>
        private Vector3 ForceCalculation(Vector3 cursorPosition, Vector3 cursorVelocity, float cursorRadius,
            Vector3 otherPosition, Vector3 otherVelocity, float otherRadius)
        {
            var force = Vector3.zero;

            var distanceVector = cursorPosition - otherPosition;
            var distance = distanceVector.magnitude;
            var penetration = otherRadius + cursorRadius - distance;

            if (penetration > 0)
            {
                // Normalize the distance vector to get the direction of the force
                var normal = distanceVector.normalized;

                // Calculate the force based on penetration
                force = normal * penetration * stiffness;

                // Calculate the relative velocity
                var relativeVelocity = cursorVelocity - otherVelocity;

                // Apply damping based on the relative velocity
                force -= relativeVelocity * damping;
            }

            return force;
        }

        /// <summary>
        /// Event handler that calculates and send the force to the device when the cursor's position changes.
        /// </summary>
        /// <param name="sender">The Inverse3 data object.</param>
        /// <param name="args">The event arguments containing the device data.</param>
        private void OnDeviceStateChanged(object sender, Inverse3EventArgs args)
        {
            var inverse3 = args.DeviceController;
            var sceneData = GetSceneData();

            // Calculate the moving ball force.
            var force = ForceCalculation(inverse3.CursorLocalPosition, inverse3.CursorLocalVelocity, sceneData.cursorRadius,
                sceneData.ballPosition, sceneData.ballVelocity, sceneData.ballRadius);

            // Apply the force to the cursor.
            inverse3.SetCursorLocalForce(force);
        }
    }
}

导言​

基础力反馈配置的扩展​

主要修改内容​

动态交互​

改编自 ForceCalculation 为了运动​

线程间安全的数据交换​

线程间安全数据交换的关键概念​

在 Unity 中的实现​

游戏体验​

源文件​

SphereForceFeedback.cs​

导言