动态场景中的力反馈教程

在《基础力反馈》教程的基础上，本指南介绍了如何在 Unity 中模拟动态交互，使用户能够感受到来自运动物体的力反馈。该场景突显了触觉反馈对高频更新的需求，其更新频率远高于 Unity 中视觉渲染的典型更新频率。

简介

要获得引人入胜的触觉体验，特别是在动态场景中，以高于 1kHz 的频率进行计算至关重要。这与通常以约 60Hz 运行的游戏更新循环形成了鲜明对比。挑战在于如何在主游戏循环之外并行管理这些高频更新，并确保线程安全的数据交换，以保持力反馈的一致性和准确性。

扩展基础力反馈设置

从基础力反馈教程中的场景设置开始。为了添加动态效果，我们将修改 SphereForceFeedback 脚本，使其能够响应球体的运动，并模拟与动态移动物体之间的交互。

主要修改

动态物体运动：添加逻辑，根据用户输入或预定义的运动模式更新 Sphere 的位置和速度。
线程安全的数据交换：使用 ReaderWriterLockSlim 管理主线程与触觉线程之间对共享数据的并发访问。
力调整计算：修改 SphereForceFeedback.ForceCalculation 一种方法，使其能够考虑球体的速度，从而根据位置和运动提供逼真的反馈。

动态交互

要模拟运动中的球体，您可以在 Update 可以在代码中手动更新其位置，也可以使用独立的组件，根据键盘输入或其他交互来控制其运动。在本示例中，我们将球体将游戏对象重命名为 移动球，并添加教程示例中提供的 MovingObject 组件。

为运动做准备 `ForceCalculation`

力反馈计算现在需要考虑“移动球体”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、更逼真的触觉感受，体现交互的动态特性。

添加一个 Vector3 类型的 otherVelocity 方法参数
将 force -= cursorVelocity * damping 替换为 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;
}

线程安全的数据交换

在物体能够移动并进行实时交互的动态场景中，确保触觉反馈的计算基于最新数据，同时避免并发访问导致数据损坏，这一点至关重要。这正是线程安全数据交换变得不可或缺的原因。

线程安全数据交换的核心概念

线程安全机制：使用 ReaderWriterLockSlim 管理并发数据访问。它允许多个读取操作或单个写入操作同时进行，从而确保数据完整性。
数据读取与写入：
- 读取：触觉线程在读锁的保护下读取物体的位置和速度，以确保不会干扰数据更新。
- 写入：主线程对对象数据的更新是在写锁的保护下进行的，以防止同时发生的读写操作导致数据状态不一致。

在 Unity 中实现

场景数据结构体：为了便于执行线程安全操作，我们定义了一个结构体，用于保存与场景相关的所有必要数据。该结构体包含“移动球”和光标的位置与速度，以及它们各自的半径。这一数据结构是我们实现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：初始化一个 ReaderWriterLockSlim 实例，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，或由单个线程独占加锁进行写入，从而在并发操作期间确保数据完整性。
```
private ReaderWriterLockSlim _lock = new ReaderWriterLockSlim();
```

使用写锁写入缓存：SaveSceneData 该方法在写锁内更新场景数据。这可确保当一个线程更新数据时，其他线程无法进行读取或写入，从而防止数据竞争并保证一致性。

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();
    }
}

使用读锁读取缓存：GetSceneData 该方法在读锁保护下获取场景数据。这使得多个线程能够安全地并发读取数据，同时不会干扰写入操作，从而确保触觉反馈的计算基于最新的场景数据。
```
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。这确保了触觉反馈计算能够获取最新数据，从而反映场景的动态变化。
```
private void FixedUpdate()
{
    SaveSceneData();
}
```
使用更新后的数据进行力计算：在 OnDeviceStateChanged 在回调过程中，力计算使用通过线程安全方法获取的最新场景数据进行。这确保了力反馈的准确性，并能及时响应场景中的动态交互。
```
var sceneData = GetSceneData();

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

游戏体验

这些脚本增强功能使您能够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进行动态调整，带来更具沉浸感、触感更丰富的体验。

移动的小球

源文件

本示例的完整场景及相关文件可从 Unity 包管理器中的“Tutorials”示例导入。

教程示例包含 MovableObject 脚本，该脚本在多个示例中均有使用，用于通过键盘输入控制关联的游戏对象的移动。

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);
        }
    }
}

简介​

扩展基础力反馈设置​

主要修改​

动态交互​

为运动做准备 ForceCalculation​

线程安全的数据交换​

线程安全数据交换的核心概念​

在 Unity 中实现​

游戏体验​

源文件​

SphereForceFeedback.cs​

简介