动态场景中的力反馈教程

基于基础力反馈教程，本指南将介绍如何在 Unity 中模拟动态交互，使用户能够从移动的物体上感受到力反馈。该场景表明，触觉反馈需要高频更新，其更新频率远高于 Unity 中视觉渲染的常规更新频率。

简介

特别是在动态场景中，若要提供令人信服的触觉体验，以1kHz以上的频率进行计算至关重要。这与通常以约60Hz运行的常规游戏更新循环形成了鲜明对比。面临的挑战在于，如何将这些高频更新与主游戏循环协同管理，并确保线程安全的数据交换，以维持一致且精确的力反馈。

扩展基本力反馈设置

基本力反馈请从本教程的场景设置开始。为了实现动态效果， SphereForceFeedback 我们将修改脚本，使其能够响应球体的运动，并模拟与动态移动物体的交互。

主要修改内容

动态对象移动：包含根据用户输入或预定义的运动模式更新 Sphere 位置和速度的逻辑。
线程安全的数据交换: ReaderWriterLockSlim用于管理主线程与触觉线程之间共享数据的并发访问。
力计算调整: SphereForceFeedback.ForceCalculation 修改该方法，使其考虑球体的速度，并根据位置和运动情况提供逼真的反馈。

动态交互

要模拟一个运动的球体， Update 您可以在方法中手动更新位置，或者使用单独的组件来根据键盘输入或其他交互来控制移动。在本示例中，球体游戏对象的名称 移动球更改为，教程样本中包含的 MovingObject 我将添加一个组件。

配合动作 `ForceCalculation` 调整

现在，在力反馈计算中需要考虑“移动球”的速度，并根据交互的位置和速度来调整力。这样可以提供更细腻、更逼真的触觉反馈，从而反映交互的动态特性。

Vector3 类型的 otherVelocity 请添加方法参数。
force -= cursorVelocity * damping을 force -= (cursorVelocity - otherVelocity) * damping请将其更改为。

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;
}

线程安全的数据交换

在物体移动并相互交互的实时动态场景中，确保触觉反馈的计算始终基于最新数据，同时避免因并发访问导致的数据损坏，这一点至关重要。正因如此，线程安全的数据交换必不可少。

线程安全数据交换的核心概念

线程安全机制: ReaderWriterLockSlim使用该机制来管理并发数据访问。这使得多次读取或单次写入操作成为可能，并确保了数据完整性。
数据读取与写入:
- 读取：触觉线程在读取锁定状态下读取对象的位置和速度，在此过程中不会干扰数据的更新。
- 写入：主线程对对象数据的更新是在写锁状态下进行的，因此可以防止因同时发生的读操作或写操作导致数据状态不一致。

在 Unity 中的实现

场景数据结构体：为了便于进行线程安全操作，定义了一个用于存储与场景相关的所有必要数据的结构体。该结构体包含移动球体和光标的各自位置、速度以及半径。该数据结构是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;
```
重置锁定: 为了管理对场景数据的访问， ReaderWriterLockSlim 初始化实例。通过此锁，多个线程可以同时读取数据，或者单个线程可以独占锁定数据以进行写入，从而在并发操作期间也能保证数据完整性。
```
private ReaderWriterLockSlim _lock = new ReaderWriterLockSlim();
```

利用写锁进行缓存写入: SaveSceneData 该方法在写锁的保护下更新场景数据。这样，当一个线程正在更新数据时，其他任何线程都无法读取或写入该数据，从而避免了数据竞争并确保了一致性。

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();
    }
}

利用读锁进行缓存读取: GetSceneData 该方法在读锁范围内获取场景数据。这样，多个线程就可以在不干扰写操作的情况下同时安全地读取数据，并确保触觉反馈的计算基于最新的场景数据进行。
```
private SceneData GetSceneData()
{
    _cacheLock.EnterReadLock();
    try
    {
        return _cachedSceneData;
    }
    finally
    {
        _cacheLock.ExitReadLock();
    }
}
```
主线程数据更新: FixedUpdate 该方法用于在主线程中定期更新场景数据。这样，触觉反馈的计算就能访问最新数据，从而反映场景的动态特性。
```
private void FixedUpdate()
{
    SaveSceneData();
}
```
基于线程安全数据的力计算应用: OnDeviceStateChanged 回调函数使用通过线程安全方法获取的最新场景数据来计算力。这确保了力反馈的准确性，并能对场景中的动态交互做出敏捷响应。
```
var sceneData = GetSceneData();

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

游戏体验

通过此脚本的改进，您可以在场景中与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进行动态调整，从而提供更具沉浸感且触觉体验更丰富的体验。

滚动的球

源文件

本示例的完整场景及相关文件可从 Unity 包管理器的“Tutorials”示例中获取。

教程在示例中，有多个示例展示了如何通过键盘输入来控制游戏对象的移动，其中使用的 MovableObject 其中包含脚本。

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);
        }
    }
}

简介​

扩展基本力反馈设置​

主要修改内容​

动态交互​

配合动作 ForceCalculation 调整​

线程安全的数据交换​

线程安全数据交换的核心概念​

在 Unity 中的实现​

游戏体验​

源文件​

SphereForceFeedback.cs​

简介