Unity引擎开发：VR渲染技术_（16）.VR中的运动与追踪

VR中的运动与追踪

在虚拟现实（VR）中，运动与追踪是实现沉浸式体验的关键技术之一。通过精确的头部追踪、手部追踪以及全身追踪，玩家可以在虚拟世界中自由移动和互动。本节将详细介绍如何在Unity引擎中实现这些追踪技术，并探讨常见的问题和解决方案。

头部追踪

头部追踪是VR中最基本的追踪技术，用于确定玩家的头部位置和方向。在Unity中，头部追踪通常通过VR设备的传感器来实现，例如Oculus Rift、HTC Vive或Valve Index等。

使用Unity的XR系统

Unity的XR系统（Experimental XR或XR Plug-in Management）提供了对多个VR平台的支持。要启用头部追踪，首先需要安装相应的XR插件。

1. 安装XR插件：

   • 打开Unity Hub，创建或打开一个项目。

   • 在Unity编辑器中，依次点击Window -> Package Manager。

   • 在Package Manager中，搜索并安装XR Plug-in Management和Oculus XR Plugin（或你使用的其他VR平台的插件）。

2. 配置XR设置：

   • 依次点击Edit -> Project Settings -> XR Plug-in Management。

   • 在XR Plug-in Management设置中，选择Android或Windows平台。

   • 启用相应的插件，例如Oculus。

3. 添加XR Rig：

   • 在Unity编辑器中，创建一个新的空物体，命名为XR Rig。

   • 将XR Rig物体作为玩家的根物体。

   • 为XR Rig添加XR Origin组件。

   • 在XR Origin组件中，设置Tracking Origin Mode为Floor或Eye Level，根据你的需求选择。

获取头部位置和方向

通过XR Rig，可以轻松获取玩家的头部位置和方向。

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class HeadTracker : MonoBehaviour

{

    // XR Rig的引用

    public Transform xrRig;



    void Update()

    {

        // 获取头部位置

        Vector3 headPosition = xrRig.position;

        // 获取头部方向

        Quaternion headRotation = xrRig.rotation;



        // 输出头部位置和方向

        Debug.Log("Head Position: " + headPosition);

        Debug.Log("Head Rotation: " + headRotation);

    }

}

平滑头部追踪

为了提高玩家的舒适度，可以对头部追踪进行平滑处理，减少突然的移动或旋转带来的眩晕感。

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class SmoothHeadTracker : MonoBehaviour

{

    // XR Rig的引用

    public Transform xrRig;

    // 平滑因子

    public float smoothFactor = 5.0f;



    private Vector3 currentHeadPosition;

    private Quaternion currentHeadRotation;



    void Start()

    {

        currentHeadPosition = xrRig.position;

        currentHeadRotation = xrRig.rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取头部位置

        Vector3 targetHeadPosition = xrRig.position;

        // 获取头部方向

        Quaternion targetHeadRotation = xrRig.rotation;



        // 平滑处理头部位置

        currentHeadPosition = Vector3.Lerp(currentHeadPosition, targetHeadPosition, Time.deltaTime * smoothFactor);

        // 平滑处理头部方向

        currentHeadRotation = Quaternion.Lerp(currentHeadRotation, targetHeadRotation, Time.deltaTime * smoothFactor);



        // 更新玩家物体的位置和方向

        transform.position = currentHeadPosition;

        transform.rotation = currentHeadRotation;

    }

}

手部追踪

手部追踪用于确定玩家手部的位置和方向，使玩家能够在虚拟世界中进行精确的交互。Unity支持多种手部追踪设备，例如Oculus Touch、HTC Vive controllers等。

使用Oculus Touch控制器

1. 安装Oculus XR插件：

   • 如前所述，确保已安装Oculus XR Plugin。

2. 添加Oculus Input组件：

   • 在Unity编辑器中，创建一个新的空物体，命名为LeftHand和RightHand。

   • 为每个手部物体添加Oculus Input组件。

3. 获取手部位置和方向：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;

using UnityEngine.XR.Oculus;



public class HandTracker : MonoBehaviour

{

    // 左手和右手的引用

    public Transform leftHand;

    public Transform rightHand;



    void Update()

    {

        // 获取左手位置

        Vector3 leftHandPosition = InputTracking.GetLocalPosition( XRNode.LeftHand );

        // 获取左手方向

        Quaternion leftHandRotation = InputTracking.GetLocalRotation( XRNode.LeftHand );



        // 获取右手位置

        Vector3 rightHandPosition = InputTracking.GetLocalPosition( XRNode.RightHand );

        // 获取右手方向

        Quaternion rightHandRotation = InputTracking.GetLocalRotation( XRNode.RightHand );



        // 更新手部物体的位置和方向

        leftHand.position = leftHandPosition;

        leftHand.rotation = leftHandRotation;

        rightHand.position = rightHandPosition;

        rightHand.rotation = rightHandRotation;

    }

}

平滑手部追踪

与头部追踪类似，手部追踪也可以进行平滑处理，以减少突然的移动或旋转带来的不舒适感。

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;

using UnityEngine.XR.Oculus;



public class SmoothHandTracker : MonoBehaviour

{

    // 左手和右手的引用

    public Transform leftHand;

    public Transform rightHand;

    // 平滑因子

    public float smoothFactor = 5.0f;



    private Vector3 currentLeftHandPosition;

    private Quaternion currentLeftHandRotation;

    private Vector3 currentRightHandPosition;

    private Quaternion currentRightHandRotation;



    void Start()

    {

        currentLeftHandPosition = leftHand.position;

        currentLeftHandRotation = leftHand.rotation;

        currentRightHandPosition = rightHand.position;

        currentRightHandRotation = rightHand.rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取左手位置

        Vector3 targetLeftHandPosition = InputTracking.GetLocalPosition( XRNode.LeftHand );

        // 获取左手方向

        Quaternion targetLeftHandRotation = InputTracking.GetLocalRotation( XRNode.LeftHand );



        // 获取右手位置

        Vector3 targetRightHandPosition = InputTracking.GetLocalPosition( XRNode.RightHand );

        // 获取右手方向

        Quaternion targetRightHandRotation = InputTracking.GetLocalRotation( XRNode.RightHand );



        // 平滑处理左手位置

        currentLeftHandPosition = Vector3.Lerp(currentLeftHandPosition, targetLeftHandPosition, Time.deltaTime * smoothFactor);

        // 平滑处理左手方向

        currentLeftHandRotation = Quaternion.Lerp(currentLeftHandRotation, targetLeftHandRotation, Time.deltaTime * smoothFactor);



        // 平滑处理右手位置

        currentRightHandPosition = Vector3.Lerp(currentRightHandPosition, targetRightHandPosition, Time.deltaTime * smoothFactor);

        // 平滑处理右手方向

        currentRightHandRotation = Quaternion.Lerp(currentRightHandRotation, targetRightHandRotation, Time.deltaTime * smoothFactor);



        // 更新手部物体的位置和方向

        leftHand.position = currentLeftHandPosition;

        leftHand.rotation = currentLeftHandRotation;

        rightHand.position = currentRightHandPosition;

        rightHand.rotation = currentRightHandRotation;

    }

}

全身追踪

全身追踪是指追踪玩家的全身动作，使虚拟角色的动作更加自然和真实。Unity支持多种全身追踪方案，例如Oculus Insight、Valve Index Tracker等。

使用Oculus Insight全身追踪

1. 安装Oculus Insight插件：

   • 确保已安装Oculus XR Plugin。

2. 添加全身追踪组件：

   • 在Unity编辑器中，创建一个新的空物体，命名为Avatar。

   • 为Avatar添加OvrAvatar组件。

3. 获取全身动作数据：

using UnityEngine;

using Oculus.Platform;

using Oculus.Platform.Models;

using Oculus.Avatar;

using Oculus.Avatar2;



public class FullBodyTracker : MonoBehaviour

{

    // 全身追踪的Avatar引用

    public OvrAvatar avatar;



    void Update()

    {

        // 获取全身动作数据

        OvrAvatar2Avatar avatar2 = avatar.GetComponent<OvrAvatar2Avatar>();

        if (avatar2 != null)

        {

            // 获取左腿位置

            Vector3 leftLegPosition = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.LeftUpperLeg).position;

            // 获取左腿方向

            Quaternion leftLegRotation = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.LeftUpperLeg).rotation;



            // 获取右腿位置

            Vector3 rightLegPosition = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.RightUpperLeg).position;

            // 获取右腿方向

            Quaternion rightLegRotation = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.RightUpperLeg).rotation;



            // 输出左腿和右腿的位置和方向

            Debug.Log("Left Leg Position: " + leftLegPosition);

            Debug.Log("Left Leg Rotation: " + leftLegRotation);

            Debug.Log("Right Leg Position: " + rightLegPosition);

            Debug.Log("Right Leg Rotation: " + rightLegRotation);

        }

    }

}

平滑全身追踪

为了使全身动作更加自然，可以对全身追踪数据进行平滑处理。

using UnityEngine;

using Oculus.Platform;

using Oculus.Platform.Models;

using Oculus.Avatar;

using Oculus.Avatar2;



public class SmoothFullBodyTracker : MonoBehaviour

{

    // 全身追踪的Avatar引用

    public OvrAvatar avatar;

    // 平滑因子

    public float smoothFactor = 5.0f;



    private Vector3 currentLeftLegPosition;

    private Quaternion currentLeftLegRotation;

    private Vector3 currentRightLegPosition;

    private Quaternion currentRightLegRotation;



    void Start()

    {

        currentLeftLegPosition = transform.Find("LeftUpperLeg").position;

        currentLeftLegRotation = transform.Find("LeftUpperLeg").rotation;

        currentRightLegPosition = transform.Find("RightUpperLeg").position;

        currentRightLegRotation = transform.Find("RightUpperLeg").rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取全身动作数据

        OvrAvatar2Avatar avatar2 = avatar.GetComponent<OvrAvatar2Avatar>();

        if (avatar2 != null)

        {

            // 获取左腿位置

            Vector3 targetLeftLegPosition = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.LeftUpperLeg).position;

            // 获取左腿方向

            Quaternion targetLeftLegRotation = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.LeftUpperLeg).rotation;



            // 获取右腿位置

            Vector3 targetRightLegPosition = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.RightUpperLeg).position;

            // 获取右腿方向

            Quaternion targetRightLegRotation = avatar2.GetJointPose(OvrAvatar2Joint.RightUpperLeg).rotation;



            // 平滑处理左腿位置

            currentLeftLegPosition = Vector3.Lerp(currentLeftLegPosition, targetLeftLegPosition, Time.deltaTime * smoothFactor);

            // 平滑处理左腿方向

            currentLeftLegRotation = Quaternion.Lerp(currentLeftLegRotation, targetLeftLegRotation, Time.deltaTime * smoothFactor);



            // 平滑处理右腿位置

            currentRightLegPosition = Vector3.Lerp(currentRightLegPosition, targetRightLegPosition, Time.deltaTime * smoothFactor);

            // 平滑处理右腿方向

            currentRightLegRotation = Quaternion.Lerp(currentRightLegRotation, targetRightLegRotation, Time.deltaTime * smoothFactor);



            // 更新左腿和右腿的位置和方向

            transform.Find("LeftUpperLeg").position = currentLeftLegPosition;

            transform.Find("LeftUpperLeg").rotation = currentLeftLegRotation;

            transform.Find("RightUpperLeg").position = currentRightLegPosition;

            transform.Find("RightUpperLeg").rotation = currentRightLegRotation;

        }

    }

}

运动模式

在VR中，不同的运动模式可以提供不同的沉浸体验。常见的运动模式包括瞬移（Teleportation）、传送（Teleportation with Fade）、连续移动（Continuous Movement）等。

瞬移

瞬移是一种常见的VR移动方式，玩家可以通过手部控制器选择一个目标位置，然后瞬间移动到该位置。

1. 创建瞬移目标：

   • 在Unity编辑器中，创建一个新的空物体，命名为TeleportTarget。

   • 为TeleportTarget添加一个Box Collider，设置其为触发器。

2. 实现瞬移功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class Teleportation : MonoBehaviour

{

    // 瞬移目标的引用

    public GameObject teleportTarget;

    // 瞬移距离

    public float teleportDistance = 5.0f;



    void Update()

    {

        // 检查玩家是否按下手部控制器的瞬移按钮

        if (IsTeleportButtonPressed())

        {

            // 获取手部控制器的射线

            Vector3 origin = InputTracking.GetLocalPosition(XRNode.RightHand);

            Vector3 direction = InputTracking.GetLocalRotation(XRNode.RightHand) * Vector3.forward;



            // 射线检测

            RaycastHit hit;

            if (Physics.Raycast(origin, direction, out hit, teleportDistance))

            {

                // 获取瞬移目标的位置

                Vector3 targetPosition = hit.point;



                // 瞬移玩家

                transform.position = targetPosition;

            }

        }

    }



    bool IsTeleportButtonPressed()

    {

        // 检查手部控制器的瞬移按钮是否被按下

        return Input.GetButton("Teleport");

    }

}

传送（带渐变）

传送带渐变是一种更平滑的瞬移方式，通过渐变效果减少突然移动带来的眩晕感。

1. 创建渐变效果：

   • 在Unity编辑器中，创建一个新的空物体，命名为FadeEffect。

   • 为FadeEffect添加一个Canvas和一个Image，设置Image的Color为黑色，Image Type为Filled。

2. 实现传送功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.UI;

using UnityEngine.XR;



public class TeleportationWithFade : MonoBehaviour

{

    // 瞬移目标的引用

    public GameObject teleportTarget;

    // 渐变效果的引用

    public Image fadeEffect;

    // 瞬移距离

    public float teleportDistance = 5.0f;

    // 渐变时间

    public float fadeTime = 0.5f;



    private bool isFading = false;

    private float fadeAlpha = 0.0f;



    void Update()

    {

        // 检查玩家是否按下手部控制器的瞬移按钮

        if (IsTeleportButtonPressed() && !isFading)

        {

            // 获取手部控制器的射线

            Vector3 origin = InputTracking.GetLocalPosition(XRNode.RightHand);

            Vector3 direction = InputTracking.GetLocalRotation(XRNode.RightHand) * Vector3.forward;



            // 射线检测

            RaycastHit hit;

            if (Physics.Raycast(origin, direction, out hit, teleportDistance))

            {

                // 获取瞬移目标的位置

                Vector3 targetPosition = hit.point;



                // 开始渐变效果

                StartCoroutine(FadeAndTeleport(targetPosition));

            }

        }

    }



    bool IsTeleportButtonPressed()

    {

        // 检查手部控制器的瞬移按钮是否被按下

        return Input.GetButton("Teleport");

    }



    IEnumerator FadeAndTeleport(Vector3 targetPosition)

    {

        isFading = true;



        // 渐变到黑色

        for (float t = 0.0f; t < 1.0f; t += Time.deltaTime / fadeTime)

        {

            fadeAlpha = Mathf.Lerp(0.0f, 1.0f, t);

            fadeEffect.color = new Color(0, 0, 0, fadeAlpha);

            yield return null;

        }



        // 瞬移玩家

        transform.position = targetPosition;



        // 渐变回透明

        for (float t = 0.0f; t < 1.0f; t += Time.deltaTime / fadeTime)

        {

            fadeAlpha = Mathf.Lerp(1.0f, 0.0f, t);

            fadeEffect.color = new Color(0, 0, 0, fadeAlpha);

            yield return null;

        }



        isFading = false;

    }

}

连续移动

连续移动是一种模拟真实步行的移动方式，玩家通过手部控制器或头部移动来控制虚拟角色的移动。

1. 实现连续移动功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class ContinuousMovement : MonoBehaviour

{

    // 移动速度

    public float moveSpeed = 5.0f;

    // 旋转速度

    public float rotateSpeed = 200.0f;



    void Update()

    {

        // 获取手部控制器的输入

        Vector2 moveInput = GetMoveInput();

        Vector2 rotateInput = GetRotateInput();



        // 计算移动方向

        Vector3 moveDirection = new Vector3(moveInput.x, 0, moveInput.y);

        moveDirection = transform.TransformDirection(moveDirection);



        // 移动玩家

        transform.position += moveDirection * moveSpeed * Time.deltaTime;



        // 旋转玩家

        float rotateAmount = rotateInput.x * rotateSpeed * Time.deltaTime;

        transform.Rotate(0, rotateAmount, 0);

    }



    Vector2 GetMoveInput()

    {

        // 获取手部控制器的移动输入

        return new Vector2(Input.GetAxis("Horizontal"), Input.GetAxis("Vertical"));

    }



    Vector2 GetRotateInput()

    {

        // 获取手部控制器的旋转输入

        return new Vector2(Input.GetAxis("Rotate"), 0);

    }

}

追踪数据的处理与优化

追踪数据的处理和优化是提高VR体验的重要环节。常见的优化方法包括数据滤波、预测追踪和延迟补偿等。

数据滤波

数据滤波可以减少追踪数据中的噪声，提高追踪的稳定性。通过应用滤波算法，可以平滑追踪数据，减少突然的抖动或不连贯的移动。

1. 实现数据滤波功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class DataFilter : MonoBehaviour

{

    // XR Rig的引用

    public Transform xrRig;

    // 滤波因子

    public float filterFactor = 0.5f;



    private Vector3 filteredHeadPosition;

    private Quaternion filteredHeadRotation;



    void Start()

    {

        filteredHeadPosition = xrRig.position;

        filteredHeadRotation = xrRig.rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取头部位置

        Vector3 headPosition = xrRig.position;

        // 获取头部方向

        Quaternion headRotation = xrRig.rotation;



        // 应用滤波因子

        filteredHeadPosition = Vector3.Lerp(filteredHeadPosition, headPosition, filterFactor);

        filteredHeadRotation = Quaternion.Lerp(filteredHeadRotation, headRotation, filterFactor);



        // 更新玩家物体的位置和方向

        transform.position = filteredHeadPosition;

        transform.rotation = filteredHeadRotation;

    }

}

预测追踪

预测追踪是一种通过预测玩家未来的动作来减少延迟的技术。这在高速移动或需要精确交互的场景中尤为重要。

1. 实现预测追踪功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class PredictiveTracking : MonoBehaviour

{

    // XR Rig的引用

    public Transform xrRig;

    // 预测时间

    public float predictionTime = 0.1f;

    // 预测因子

    public float predictionFactor = 1.0f;



    private Vector3 lastHeadPosition;

    private Quaternion lastHeadRotation;



    void Start()

    {

        lastHeadPosition = xrRig.position;

        lastHeadRotation = xrRig.rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取当前头部位置和方向

        Vector3 currentHeadPosition = xrRig.position;

        Quaternion currentHeadRotation = xrRig.rotation;



        // 计算头部速度和角速度

        Vector3 headVelocity = (currentHeadPosition - lastHeadPosition) / Time.deltaTime;

        Vector3 headAngularVelocity = (currentHeadRotation.eulerAngles - lastHeadRotation.eulerAngles) / Time.deltaTime;



        // 预测未来的头部位置和方向

        Vector3 predictedHeadPosition = currentHeadPosition + headVelocity * predictionTime * predictionFactor;

        Quaternion predictedHeadRotation = Quaternion.Euler(currentHeadRotation.eulerAngles + headAngularVelocity * predictionTime * predictionFactor);



        // 更新玩家物体的位置和方向

        transform.position = predictedHeadPosition;

        transform.rotation = predictedHeadRotation;



        // 更新上一帧的数据

        lastHeadPosition = currentHeadPosition;

        lastHeadRotation = currentHeadRotation;

    }

}

延迟补偿

延迟补偿是一种通过调整追踪数据来减少输入延迟的技术。这可以通过在服务器和客户端之间同步数据来实现，或者通过本地算法来调整。

1. 实现延迟补偿功能：

using UnityEngine;

using UnityEngine.XR;



public class LatencyCompensation : MonoBehaviour

{

    // XR Rig的引用

    public Transform xrRig;

    // 延迟时间

    public float latencyTime = 0.05f;



    private Vector3 lastHeadPosition;

    private Quaternion lastHeadRotation;



    void Start()

    {

        lastHeadPosition = xrRig.position;

        lastHeadRotation = xrRig.rotation;

    }



    void Update()

    {

        // 获取当前头部位置和方向

        Vector3 currentHeadPosition = xrRig.position;

        Quaternion currentHeadRotation = xrRig.rotation;



        // 计算头部速度和角速度

        Vector3 headVelocity = (currentHeadPosition - lastHeadPosition) / Time.deltaTime;

        Vector3 headAngularVelocity = (currentHeadRotation.eulerAngles - lastHeadRotation.eulerAngles) / Time.deltaTime;



        // 应用延迟补偿

        Vector3 compensatedHeadPosition = currentHeadPosition - headVelocity * latencyTime;

        Quaternion compensatedHeadRotation = Quaternion.Euler(currentHeadRotation.eulerAngles - headAngularVelocity * latencyTime);



        // 更新玩家物体的位置和方向

        transform.position = compensatedHeadPosition;

        transform.rotation = compensatedHeadRotation;



        // 更新上一帧的数据

        lastHeadPosition = currentHeadPosition;

        lastHeadRotation = currentHeadRotation;

    }

}

常见问题与解决方案

在实现VR中的运动与追踪时，可能会遇到一些常见的问题。以下是一些常见问题及其解决方案：

问题1：追踪数据不稳定

解决方案：

• 数据滤波：使用滤波算法（如上述的DataFilter）来平滑追踪数据。

• 校准设备：确保VR设备的传感器校准正确，减少噪声和误差。

• 优化代码：减少不必要的计算和更新，提高性能。

问题2：瞬移时的眩晕感

解解方案：

• 渐变效果：使用渐变效果（如上述的TeleportationWithFade）来平滑瞬移过程。

• 视觉提示：在瞬移前提供视觉提示，例如地面标记或瞬移目标的高亮显示，帮助玩家理解移动的方向和距离。

• 限制瞬移频率：设置瞬移的冷却时间，避免频繁瞬移。

问题3：手部追踪不准确

解决方案：

• 校准控制器：确保手部控制器的校准正确，减少位置和方向的误差。

• 使用手部模型：在手部物体上使用手部模型，提高视觉反馈的准确性。

• 平滑处理：使用平滑算法（如上述的SmoothHandTracker）来减少手部追踪的抖动。

问题4：全身追踪延迟高

解决方案：

• 预测追踪：使用预测算法（如上述的PredictiveTracking）来补偿延迟。

• 优化网络传输：如果使用网络同步全身数据，优化网络传输协议，减少数据传输延迟。

• 减少骨骼数量：优化全身追踪的骨骼数量，减少计算负担。

总结

在Unity中实现VR的运动与追踪技术是提高虚拟现实体验的关键。通过头部追踪、手部追踪和全身追踪，玩家可以在虚拟世界中自由移动和互动。此外，通过对追踪数据进行平滑处理、预测追踪和延迟补偿，可以进一步提高追踪的稳定性和舒适度。希望本节的内容能够帮助你更好地理解和实现这些技术，为你的VR项目带来更好的用户体验。