動的なシーンにおけるフォースフィードバック：チュートリアル
フォースフィードバックに関する基礎チュートリアルを踏まえ、このガイドでは、Unity内で動的な相互作用をシミュレートし、ユーザーが動くオブジェクトからのフォースフィードバックを感じられるようにする方法について説明します。 このシナリオから、ハプティックフィードバックには、Unityにおける視覚表示の一般的な更新レートを大幅に上回る高頻度の更新が必要であることがわかります。
はじめに
特にダイナミックなシーンにおいて、説得力のある触覚体験を実現するには、1kHzを超える周波数での計算を行うことが不可欠です。 これは、約60Hzで動作する一般的なゲームの更新ループとは大きく対照的です。 課題は、一貫性があり正確なフォースフィードバックを実現するために、これらの高周波数の更新をゲームのメインループと並行して管理し、スレッドセーフなデータ交換を確保することにあります。
基本フォースフィードバックセットアップの拡張
まず、以下のシーンの構成から始めましょう。 フォースフィードバックの基礎チュートリアル. 動的な動作を実装するために、スクリプトを調整します SphereForceFeedback これにより、球体の動きに反応し、動的に動くオブジェクトとの相互作用をシミュレートできるようになります。
主な変更点
- 動的オブジェクトの動き：ユーザー入力やあらかじめ定義された動きのパターンに基づいて、ボールの位置や速度を更新するロジックを組み込みます。
- セキュリティが確保されたデータ交換: 以下のものを使用してください
ReaderWriterLockSlim、メインスレッドとハプティックスレッド間で共有されるデータへの同時アクセスを管理するため。 - 力計算の調整: メソッドを調整してください
SphereForceFeedback.ForceCalculationこれにより、ボールの速度が考慮され、位置や動きに基づいたリアルなフィードバックが得られるようにする。
動的な相互作用
動く球体をシミュレートするには、メソッド内でその位置を手動で指定するか、 Update 更新するか、キーボード入力やその他の操作に基づいてその動きを制御する別のコンポーネントを使用します。
この例では、GameObjectに名前を付けます スフィア で ムービング・ボール えーと、例にあるものを追加して チュートリアル 含まれる成分 MovingObject hinzu。
の調整 ForceCalculation 運動のために
フォースフィードバックの計算では、動くボールの速度を考慮し、インタラクションの位置と速度の両方に基づいて力を調整する必要があります。 これにより、インタラクションの動的な特性を反映した、より繊細で現実的な触覚体験が生まれます。
- メソッドにパラメータを追加してください
Vector3otherVelocityhinzu - 「」を置き換えてください
force -= cursorVelocity * dampingdurchforce -= (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;
}
スレッドに耐性のあるデータ交換
オブジェクトが動き、リアルタイムで相互に作用し合う動的なシーンでは、データへの同時アクセスによってデータが破損することなく、ハプティックフィードバックの計算が最新のデータに基づいて行われることが極めて重要です。 ここで、スレッドセーフなデータ交換が不可欠となります。
スレッドセーフなデータ交換の基本概念
- スレッドセーフなメカニズム: 以下の方法を使用してください
ReaderWriterLockSlim、同時データアクセスを管理するためです。これにより、複数の読み取り操作や単一の書き込み操作が可能となり、データの整合性が確保されます。 - データの読み取りと書き込み:
- 読み取り：ハプティックスレッドは、読み取りロック下でも、データの更新に影響を与えることなく、オブジェクトの位置や速度を読み取ります。
- 書き込み：メインスレッドによるオブジェクトデータの更新は、書き込みロック下で行われます。これにより、データの不整合を招く可能性のある同時読み取りや書き込みが防止されます。
Unityでの実装
-
シーンデータ用の構造体：スレッドセーフな操作を可能にするため、シーンに関する必要なデータをすべて含む構造体を定義します。 この構造体には、移動するボールとカーソルの位置、速度、および半径が含まれます。 このデータ構造は、スレッドセーフなデータ交換の基盤となります。
private struct SceneData{public Vector3 ballPosition;public Vector3 ballVelocity;public float ballRadius;public float cursorRadius;}private SceneData _cachedSceneData; -
ロックの初期化: のインスタンス
ReaderWriterLockSlimシーンデータへのアクセスを管理するために初期化されます。 このロックにより、複数のスレッドが同時にデータを読み取ることを許可したり、単一のスレッドが書き込みを行う際にデータを排他的にロックしたりすることができます。これにより、同時実行時のデータの整合性が確保されます。private ReaderWriterLockSlim _lock = new ReaderWriterLockSlim(); -
書き込みロックを適用したキャッシュへの書き込み: その方法
SaveSceneData書き込みロック中にシーンデータを更新します。 これにより、あるスレッドがデータを更新している間、他のスレッドが読み取りや書き込みを行えないようにします。これにより、データ競合（Data Races）を防ぎ、一貫性を確保します。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();}} -
読み取りロックを適用してキャッシュから読み込む: その方法
GetSceneDataシーンデータを読み取りロックをかけて取得します。 これにより、複数のスレッドが書き込み処理に影響を与えることなく、データを同時にかつ安全に読み取ることができます。これにより、ハプティックフィードバックの計算が最新のシーンデータに基づいて行われることが保証されます。private SceneData GetSceneData(){_cacheLock.EnterReadLock();try{return _cachedSceneData;}finally{_cacheLock.ExitReadLock();}} -
メインスレッドでのデータの更新: その方法
FixedUpdateメインスレッドでシーンデータを定期的に更新するために使用されます。 これにより、ハプティックフィードバックの計算では最新のデータが利用可能となり、シーンのダイナミックな性質が反映されます。private void FixedUpdate(){SaveSceneData();} -
更新されたデータを用いた力計算の適用: コールバック中
OnDeviceStateChangedスレッドセーフなメソッドを通じて取得された最新のシーンデータを用いて、力の計算が行われます。これにより、力フィードバックは高精度であり、シーン内の動的な相互作用に即座に反応します。var sceneData = GetSceneData();var force = ForceCalculation(device.CursorLocalPosition, device.CursorLocalVelocity, sceneData.cursorRadius,sceneData.ballPosition, sceneData.ballVelocity, sceneData.ballRadius);
ゲーム体験
これらのスクリプト拡張機能により、シーン内を能動的に移動するボールとインタラクションを行うことが可能になります。 ハプティックフィードバックはボールの軌道に合わせて動的に調整されるため、より没入感があり、触覚的な豊かさを増した体験を提供します。
ソースファイル
この例の完全なシーンおよび関連ファイルは、Unityのパッケージマネージャーにある「サンプルチュートリアル」からインポートできます。
例 チュートリアル このスクリプトには以下が含まれています
MovableObject、これはいくつかの例で、キーボード入力によって接続されたGameObjectの動きを制御するために使用されています。
スフィアフォースフィードバック.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);
}
}
}