16、探索Unity与移动传感器的融合应用

探索Unity与移动传感器的融合应用

在当今的游戏开发和交互设计领域，将Unity与移动设备的传感器相结合，能够为用户带来更加沉浸式和互动性的体验。本文将详细介绍如何在Unity中使用移动设备的加速度计、陀螺仪传感器，并通过一个简单的赛车游戏示例展示其实际应用。

1. Unity Remote简介

Unity Remote是一款可下载的应用程序，旨在帮助进行Android、iOS和tvOS开发。当在Unity编辑器中以播放模式运行项目时，该应用程序会与Unity建立连接。编辑器的视觉输出会发送到设备屏幕，而设备的实时输入则会反馈回正在运行的Unity项目。这使得开发者无需为每次测试进行完整构建，就能直观了解游戏在目标设备上的外观和操作效果。

目前，Unity Remote支持通过USB连接在Windows和OS X上的Android设备，以及通过USB和iTunes在OS X和Windows上的iOS设备（包括iPhone、iPad、iPod touch和Apple TV）。运行中的Unity项目的游戏视图会在设备屏幕上复制显示，但帧率会有所降低。

设备的以下输入数据也会流式传输回编辑器：触摸和手写笔输入、加速度计、陀螺仪、设备摄像头、流、指南针、GPS、操纵杆名称和输入。需要注意的是，远程应用程序仅在设备上显示视觉输出并获取输入，而游戏的实际处理仍在桌面计算机上的编辑器中进行，因此其性能并不能完全反映已构建应用的情况。

要下载Unity Remote，可通过以下链接：
- Android Play Store： https://play.google.com/store/apps/details?id=com.unity3d.mobileremote
- iOS App Store： https://itunes.apple.com/us/app/unity-remote-4/id871767552

2. 通用步骤

在使用移动传感器之前，需要完成以下通用步骤：
1. 初始设置 ：从 unity.com 安装Unity 3D，并在安装时根据安装选项相应地设置Visual Studio和Android Build Support（包括SDK和NDK）。如果之前已经完成此步骤，则可忽略。然后从设备的应用商店安装Unity Remote 5到Android或iOS设备上。
2. 配置Unity Remote ：下载并安装应用程序后，在设备上运行它，然后使用USB电缆将设备连接到计算机。
3. 创建新的Unity项目并设置Unity Remote ：从Unity Hub开始创建一个新项目。为了使Unity能够与设备协同工作，打开Unity中的编辑器设置，路径为：菜单 → 编辑 → 项目设置，然后选择编辑器类别。接着从Unity Remote部分选择要使用的设备，再从设备选择中选择任何Android设备。在Windows系统中，若要指定Android SDK的位置，应前往编辑 → 首选项；在Mac系统中，则应遵循Unity → 首选项的路径。如果已经完成Android SDK和NDK的安装，会看到相应的窗口；否则，可能需要手动安装并在设置部分设置SDK和NDK的位置或路径。需要注意的是，如果在安装Unity 3D时选择了Android支持，Unity Hub会自动完成此操作。
4. 创建示例场景 ：打开新项目后，会看到一个示例场景可供编辑。首先，通过路径：GameObject → 3D Object → Plane创建一个平面，并根据以下表格修改其在检查器 → 变换 → 缩放部分的属性：
| 属性 | X | Y | Z |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 位置 | 0 | 0 | 0 |
| 旋转 | 0 | 0 | 0 |
| 缩放 | 100 | 100 | 100 |

接着，创建一个新文件夹，在资产面板上右键单击 → 创建 → 文件夹，将文件夹重命名为Materials。双击进入该文件夹，创建一个新材质，再次在资产面板上右键单击 → 创建 → 材质，将材质重命名为SkyBlue。点击SkyBlue材质，在检查器中点击反照率，选择合适的天蓝色。将该材质拖放到平面上，并以同样的方式创建另外两种材质Red和Light Green，并相应地设置它们的反照率。

然后，通过菜单GameObject → 3D Object → Sphere创建一个新的游戏对象球体，将其重命名为ControlObject，并根据以下表格修改其在检查器窗口中的属性：
| 属性 | X | Y | Z |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 位置 | 0 | 2.27 | -4.35 |
| 旋转 | 0 | 0 | 0 |
| 缩放 | 3 | 3 | 3 |

之后，从游戏对象选项中创建一个立方体，将其重命名为Platform，并根据以下表格修改其属性：
| 属性 | X | Y | Z |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 位置 | 0 | 0 | -4.35 |
| 旋转 | 0 | 0 | 0 |
| 缩放 | 20 | 1 | 15 |

最后，根据以下表格设置主摄像头的属性：
| 属性 | X | Y | Z |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 位置 | 0 | 8.32 | -18.26 |
| 旋转 | 31.945 | 0 | 0 |
| 缩放 | 1 | 1 | 1 |

到这一步，最终场景将如预期所示。
5. 对场景游戏对象进行进一步修改 ：为了对场景游戏对象进行更多修改，选择球体ControlObject，并从检查器面板的“添加组件”选项中为其添加刚体组件。

3. 示例1：在Unity中使用移动加速度计

完成通用步骤后，若要实现加速度计示例，可按以下步骤操作：
1. C#脚本和游戏对象控制 ：为了使用加速度计数据控制对象，创建一个控制游戏对象的C#脚本。首先，从资产面板创建一个名为Script的新文件夹，在该文件夹内创建一个新的C#脚本并命名为Accelerometer。双击该脚本以打开Visual Studio，编辑脚本并粘贴以下代码，然后保存：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Accelerometer: MonoBehaviour
{
    public bool isFlat = true;
    private Rigidbody rigid;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        rigid = GetComponent<Rigidbody>();
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        Vector3 tilt = Input.acceleration;
        if (isFlat)
        {
            tilt = Quaternion.Euler(90, 0, 0) * tilt;
        }
        rigid.AddForce(tilt);
        Debug.DrawRay(transform.position + Vector3.up, tilt, Color.magenta);
    }
}

此代码逻辑较为清晰，其中关键部分是四元数部分。四元数旋转由四个数字组成，其值的范围均在 -1 到 1 之间，例如(0, 0, 0, 1)表示没有旋转或绕所有轴旋转 0 度。在代码中，通过设置布尔值isFlat来判断表面是否平坦。如果平坦，则将对象的倾斜运动方向设置为加速度计的加速度方向，即倾斜角度。然后将通过四元数旋转计算得到的力添加到刚体属性中。最后，为了调试方便，在对象上方添加一条不同颜色的射线。

完成脚本编写后，将脚本通过拖放的方式添加到球体上。
2. 运行项目 ：使用USB电缆将手机连接到计算机，并确保在手机的开发者设置中启用了调试选项。然后打开Unity Remote应用程序并运行项目。如果项目无法运行或对手机移动无响应，请关闭项目，并在Unity Hub中将项目的当前平台设置为Android。

当项目演示运行时，移动手机的不同方向，Unity 3D软件将通过Unity Remote应用程序获取手机的不同倾斜角度，并将这些数据应用到项目中。如果要在手机上运行项目，需要从Unity软件中将其导出为APK格式，可在Unity Hub中通过将构建平台更改为Android来实现。

4. 示例2：在Unity中使用移动陀螺仪

与示例1类似，在完成通用初始步骤后，可以让项目与移动陀螺仪传感器进行交互。具体步骤如下：
1. 创建C#脚本 ：选择主摄像头，在检查器窗口中点击“添加组件”，选择“新脚本”，将文件命名为CamGyro。双击该脚本打开Visual Studio并粘贴以下代码：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class CamGyro : MonoBehaviour
{
    GameObject camParent;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        camParent = new GameObject("camParent");
        camParent.transform.position = this.transform.position;
        this.transform.parent = camParent.transform;
        Input.gyro.enabled = true;
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        camParent.transform.Rotate(0, -Input.gyro.rotationRateUnbiased.y, 0);
        this.transform.Rotate(-Input.gyro.rotationRateUnbiased.x, 0, 0);
    }
}

在这段代码中，首先创建了一个父对象，因为该对象在场景中原本并不存在，所以需要创建并将其附加到相机上。在Start函数中，创建父相机并将其定位在与相机相同的位置，然后将相机设置为父相机的子对象。接着，在Start函数中启用陀螺仪。在Update函数中，父相机绕y轴旋转，相机绕x轴旋转。这里使用负号是因为示例中返回的值是反转的，如果需要不同的移动方式，可能不需要这些负号。

2. 运行项目 ：将手机通过USB连接到计算机，并确保在手机的开发者设置中启用了USB调试选项。打开Unity Remote应用程序并运行项目。如果项目无法运行或对手机移动无响应，关闭项目并在Unity Hub中将项目的当前平台设置为Android。

当移动连接到计算机的移动设备时，由于陀螺仪的运动变化，相机角度也会相应改变，从而展示场景的不同方面。

5. 示例3：使用加速度计的赛车游戏（Unity）

为了进一步展示加速度计的应用，下面将介绍一个简单的赛车游戏示例，该游戏借助库存资产和Unity进行设计。

以下是实现该赛车游戏的具体步骤：
1. 初始步骤：插入资产 ：首先，在Unity Hub中创建一个新项目。然后，访问资产商店，从以下链接添加资产： https://assetstore.unity.com/packages/3d/vehicles/land/arcade-free-racing-car-161085#description 。接着，通过Unity内部的包管理器将资产添加到项目中。
2. 创建场景 ：从资产文件夹的路径ARCADE 8 → FREE Racing Car → Meshes中，将Road Prefab通过拖放的方式添加到场景中。然后，从资产的Materials文件夹中选择道路纹理，并将其拖放到场景中的道路上。从项目的层次结构菜单中复制道路并重新定位，重复此操作几次以延长道路。从导入资产的带有碰撞器的预制件文件夹中选择一辆汽车并拖放到场景中，将汽车的所有坐标设置为X:0, Y:0, Z:0以重新定位汽车。最后，将汽车拖动到道路左侧的起点位置，同时相应地调整主摄像头的位置，确保用户能够看到汽车。
3. 编写脚本 ：在项目根目录下创建一个名为Scripts的新文件夹。在Scripts文件夹内，创建一个名为CarController的新脚本。双击该脚本，在Visual Studio中打开并编辑，粘贴以下代码以使用加速度计：

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class CarController : MonoBehaviour
{
    private const string HORIZONTAL = "Horizontal";
    private const string VERTICAL = "Vertical";
    private float horizontalInput;
    private float verticalInput;
    private float currentSteerAngle;
    private float currentbreakForce;
    private bool isBreaking;
    private Vector3 zeroAc;
    private Vector3 curAc;
    private float sensH = 10;
    private float sensV = 10;
    private float smooth = 10;
    private float GetAxisH = 0;
    private float GetAxisV = 0;
    [SerializeField] private float motorForce;
    [SerializeField] private float breakForce;
    [SerializeField] private float maxSteerAngle;
    [SerializeField] private WheelCollider frontLeftWheelCollider;
    [SerializeField] private WheelCollider frontRightWheelCollider;
    [SerializeField] private WheelCollider rearLeftWheelCollider;
    [SerializeField] private WheelCollider rearRightWheelCollider;
    [SerializeField] private Transform frontLeftWheelTransform;
    [SerializeField] private Transform frontRightWheeTransform;
    [SerializeField] private Transform rearLeftWheelTransform;
    [SerializeField] private Transform rearRightWheelTransform;

    private void ResetAxes()
    {
        zeroAc = Input.acceleration;
        curAc = Vector3.zero;
    }

    private void Start()
    {
        ResetAxes();
    }

    private void FixedUpdate()
    {
        GetInput();
        HandleMotor();
        HandleSteering();
        UpdateWheels();
    }

    private void GetInput()
    {
        Debug.Log(horizontalInput);
        curAc = Vector3.Lerp(curAc, Input.acceleration - zeroAc, Time.deltaTime / smooth);

        GetAxisV = Mathf.Clamp(curAc.y * sensV, -1, 1);
        GetAxisH = Mathf.Clamp(curAc.x * sensH, -1, 1);
        // now use GetAxisV and GetAxisH instead of Input.GetAxis vertical and horizontal
        // If the horizontal and vertical directions are swapped, swap curAc.y and curAc.x
        // in the above equations. If some axis is going in the wrong direction, invert the
        // signal (use -curAc.x or -curAc.y)
        horizontalInput = GetAxisH;
        verticalInput = GetAxisV;
        isBreaking = Input.GetKey(KeyCode.Space);
    }

    private void HandleMotor()
    {
        frontLeftWheelCollider.motorTorque = verticalInput * motorForce;
        frontRightWheelCollider.motorTorque = verticalInput * motorForce;
        currentbreakForce = isBreaking? breakForce : 0f;
        ApplyBreaking();
    }

    private void ApplyBreaking()
    {
        frontRightWheelCollider.brakeTorque = currentbreakForce;
        frontLeftWheelCollider.brakeTorque = currentbreakForce;
        rearLeftWheelCollider.brakeTorque = currentbreakForce;
        rearRightWheelCollider.brakeTorque = currentbreakForce;
    }

    private void HandleSteering()
    {
        currentSteerAngle = maxSteerAngle * horizontalInput;
        frontLeftWheelCollider.steerAngle = currentSteerAngle;
        frontRightWheelCollider.steerAngle = currentSteerAngle;
    }

    private void UpdateWheels()
    {
        UpdateSingleWheel(frontLeftWheelCollider, frontLeftWheelTransform);
        UpdateSingleWheel(frontRightWheelCollider, frontRightWheeTransform);
        UpdateSingleWheel(rearRightWheelCollider, rearRightWheelTransform);
        UpdateSingleWheel(rearLeftWheelCollider, rearLeftWheelTransform);
    }

    private void UpdateSingleWheel(WheelCollider wheelCollider, Transform wheelTransform)
    {
        Vector3 pos;
        Quaternion rot;
        wheelCollider.GetWorldPose(out pos, out rot);
        wheelTransform.rotation = rot;
        wheelTransform.position = pos;
    }
}

完成脚本编写后，将Car Controller脚本拖放到汽车游戏对象上，并根据检查器窗口中的选项编辑脚本值。选择每个选项后，会打开一个包含所有可用选项的窗口，用于选择相应的变量。也可以通过将层次结构窗口中的相应组件拖放到脚本变量的方式来完成变换部分的设置。

通过以上步骤，你可以在Unity中成功实现与移动传感器的交互，并开发出具有丰富交互性的应用和游戏。希望这些示例能够为你的开发工作提供有益的参考和启发。

探索Unity与移动传感器的融合应用

6. 总结与拓展

上述三个示例详细展示了在Unity中如何利用移动设备的加速度计和陀螺仪传感器，实现了不同场景下的交互功能。从简单的物体控制到复杂的赛车游戏，移动传感器为Unity项目带来了更加丰富和真实的交互体验。

6.1 示例总结

• 加速度计示例 ：通过获取加速度计数据，实现了对球体的运动控制。用户可以通过倾斜手机来改变球体的运动方向，为游戏或应用增添了动态交互性。
• 陀螺仪示例 ：利用陀螺仪的旋转数据，实现了相机视角的动态变化。随着手机的转动，相机视角相应改变，让用户能够以不同的角度观察场景，增强了沉浸感。
• 赛车游戏示例 ：结合加速度计数据，实现了赛车的操控。玩家可以通过倾斜手机来控制赛车的转向和前进，模拟了真实赛车的驾驶体验。

6.2 拓展思路

在实际开发中，可以基于这些示例进行更多的拓展和创新：
- 增加更多传感器支持 ：除了加速度计和陀螺仪，还可以结合其他传感器，如磁力计、环境光传感器等，实现更加多样化的交互效果。例如，利用磁力计实现指南针功能，根据环境光传感器调整游戏亮度。
- 优化用户体验 ：可以对现有示例进行优化，提高性能和稳定性。例如，在赛车游戏中，可以增加碰撞检测、音效反馈等功能，提升游戏的趣味性和真实感。
- 跨平台开发 ：Unity支持多平台开发，可以将这些示例移植到不同的移动设备和操作系统上，扩大应用的受众范围。

7. 流程图回顾

为了更清晰地展示整个开发过程，下面给出示例3（赛车游戏）的流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(创建新项目):::process
    B --> C(插入资产):::process
    C --> D(创建场景):::process
    D --> E(编写脚本):::process
    E --> F(运行项目):::process
    F --> G{项目是否正常运行?}:::decision
    G -->|是| H([结束]):::startend
    G -->|否| I(检查平台设置):::process
    I --> F

这个流程图展示了赛车游戏开发的主要步骤，包括项目创建、资产插入、场景搭建、脚本编写和项目运行等。如果项目运行出现问题，会进行平台设置检查，确保项目能够正常运行。

8. 常见问题及解决方法

在开发过程中，可能会遇到一些常见问题，下面给出相应的解决方法：
| 问题描述 | 解决方法 |
| ---- | ---- |
| 项目无法运行或对手机移动无响应 | 关闭项目，在Unity Hub中将项目的当前平台设置为Android，并确保手机的开发者设置中启用了调试选项。 |
| 脚本代码报错 | 检查代码语法错误，确保引用的命名空间和类名正确。可以参考Unity官方文档和相关教程进行调试。 |
| 场景显示异常 | 检查场景中对象的属性设置，确保位置、旋转和缩放等参数正确。同时，检查材质和纹理的导入是否正常。 |

9. 结论

通过本文的介绍，我们了解了如何在Unity中使用移动设备的加速度计和陀螺仪传感器，实现了不同场景下的交互功能。这些示例不仅展示了移动传感器在游戏开发中的应用潜力，也为开发者提供了一个良好的起点。在实际开发中，开发者可以根据自己的需求和创意，对这些示例进行拓展和优化，开发出更加丰富和有趣的应用和游戏。同时，要注意解决开发过程中遇到的问题，不断提高开发技能和经验。希望本文能够对大家的开发工作有所帮助。