吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 尹悅鑫 魯 岳 王 珣

基于VR技術(shù)的實(shí)時(shí)交互平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 尹悅鑫 魯 岳 王 珣

隨著科技進(jìn)步與生活水平的提高，基于VR技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)以商品的形式進(jìn)入千家萬(wàn)戶。但事實(shí)上，其相關(guān)衍生品主要以旅游和視頻 應(yīng)用為主，種類單一，缺乏創(chuàng)新。同時(shí)，普通的VR產(chǎn)品不具備實(shí)時(shí)交互性，用戶體驗(yàn)差?；谝陨蠁?wèn)題，本文基于VR技術(shù)，下位機(jī)以單片機(jī)為核心，上位機(jī)采用UNITY 3D游戲引擎的安卓開發(fā)平臺(tái)，下位機(jī)利用藍(lán)牙模塊HC-05，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)交互，從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)時(shí)操作。

VR技術(shù)；實(shí)時(shí)交互平臺(tái)；設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1 設(shè)計(jì)原理

圖 1 設(shè)計(jì)原理框圖

如 圖1設(shè)計(jì)原理框圖所示，實(shí)時(shí)交互平臺(tái)包括硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)兩部分。硬件系統(tǒng)由陀螺儀GY-25，按鍵，藍(lán)牙模塊HC-05和微控制器STC12C5A60S2組成。其中陀螺儀GY-25實(shí)時(shí)讀取角度，按鍵實(shí)現(xiàn)特殊操作功能，HC-05與手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信，微控制器STC12C5A60S2進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，處理和發(fā)送，處于整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心地位。軟件平臺(tái)由手機(jī)的Android系統(tǒng)和Unity軟件組成。同時(shí)，硬件系統(tǒng)和軟件平臺(tái)相互之間通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互的功能。

1.1 產(chǎn)品調(diào)研

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)是一種可以建立虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，可以使用戶沉浸到該環(huán)境中。

現(xiàn)如今，基于VR技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品已是種類繁多。但目前，大部分VR產(chǎn)品的應(yīng)用僅僅停留在視覺(jué)接收階段，例如，VR視頻，VR旅游，VR購(gòu)物等，并不具備實(shí)時(shí)交互功能，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)缺乏真實(shí)性。

本文研究的基于VR技術(shù)的實(shí)時(shí)交互平臺(tái)，采用相對(duì)成本最低的STC12C5A60S2單片機(jī)，利用藍(lán)牙模塊HC-05向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳遞信息，并且通過(guò)VR眼鏡顯示出相應(yīng)的場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

1.2 原理圖

圖2 原理圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)原理

圖3 軟件設(shè)計(jì)原理框圖

如圖3軟件設(shè)計(jì)原理框圖所示，Bluetooth部分采用藍(lán)牙模塊HC-05。通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)和手機(jī)安卓操作系統(tǒng)的通信，可以實(shí)時(shí)的將單片機(jī)接收到的采集數(shù)據(jù)，如角度，按鍵信息等發(fā)送到手機(jī)。事先，利用原生安卓開發(fā)編寫接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)并解讀數(shù)據(jù)的代碼，然后將安卓工程導(dǎo)出為jar包，放在Unity工程相應(yīng)目錄下的文件夾中，在Unity端編寫相應(yīng)的代碼調(diào)用jar包里準(zhǔn)備好的方法，便可對(duì)手機(jī)藍(lán)牙接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)用戶在VR游戲界面中的移動(dòng)，射擊，空間視角切換等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊

硬件模塊包括陀螺儀，微控制器，藍(lán)牙模塊和按鍵：

陀螺儀采用GY-25，一款低成本、低功耗的傾斜角度傳感器模塊。其工作原理是通過(guò)陀螺儀加速度傳感器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合算法，最后直接得到角度數(shù)據(jù)。將其放置于操作手柄，如模型槍上，便可實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的三維角度。將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，再利用藍(lán)牙通信，便可以實(shí)現(xiàn)VR游戲界面中的視角切換功能。

微控制器采用的是宏晶科技生產(chǎn)的單片機(jī)STC12C5A60S2。具有優(yōu)秀的工作性能，較高的數(shù)據(jù)處理速度。作為整個(gè)平臺(tái)的核心控制模塊，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的接收，處理，發(fā)送等一系列重要功能。

藍(lán)牙模塊采用HC-05，一款主從一體藍(lán)牙串口模塊。利用其藍(lán)牙通信功能，實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)上的Unity端。Unity將數(shù)據(jù)處理結(jié)果反映到VR游戲界面當(dāng)中，讓用戶有實(shí)時(shí)操作的游戲體驗(yàn)。

而按鍵則由三個(gè)簡(jiǎn)單的微動(dòng)開關(guān)組成。其功能分別為前進(jìn)，后退和射擊。由單片機(jī)接收按鍵信息，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送，Unity端接收。

2.2 軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)分為Android部分和Unity部分：

Android部分采用Eclipse軟件編寫藍(lán)牙程序。Eclipse是一個(gè)開放源代碼的，基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)。通過(guò)查閱藍(lán)牙相關(guān)的API，參考范例，編寫相關(guān)的藍(lán)牙程序。由于數(shù)據(jù)發(fā)送以字節(jié)為單位，而一個(gè)角度信息要用兩個(gè)字節(jié)記錄。因此，在編寫解讀藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)的程序時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的整合，并依照順序拼出正確的角度信息。而按鍵方面，將三個(gè)按鍵的信息存放在一個(gè)字節(jié)的第三位，并在安卓端將存放按鍵信息字節(jié)的第三位逐位讀出。至此，數(shù)據(jù)的解讀工作順利完成。最后寫好用于Unity調(diào)用的函數(shù)，便可使Unity獲取相應(yīng)的信息。至此，安卓方面的藍(lán)牙相關(guān)的工作全部完成。

VR的實(shí)現(xiàn)則采用了Google公司的CardboardSDKForUnity。由于此SDK設(shè)定了專用的主Activity，因此，會(huì)與藍(lán)牙的主Activity發(fā)生沖突。解決方案如下：導(dǎo)入Google的jar包到安卓工程，將藍(lán)牙的主Activity繼承Google的CardboardSDKForUnity的主Activity。至此，安卓方面的代碼編寫完成。確認(rèn)好安卓端代碼正確無(wú)誤后，將工程導(dǎo)出為jar包，并在Unity工程目錄下建立安卓插件專用的目錄，并將jar包及相關(guān)安卓工程中的文件放到相應(yīng)的目錄下。

Unity部分主要是指Unity Technologies開發(fā)的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具——Unity，它是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。通過(guò)Unity的游戲開發(fā)功能，設(shè)計(jì)一個(gè)FPS（第一人稱射擊類）游戲的界面。其中，包括星空，天臺(tái)，集裝箱等環(huán)境模型，具有一定AI的怪獸，沖鋒槍等游戲元素的加入，增添了本VR實(shí)時(shí)交互平臺(tái)的可玩性。配合藍(lán)牙通信，使用戶擁有更為真實(shí)的體驗(yàn)。

在角色模型設(shè)計(jì)方面，我們采用狀態(tài)機(jī)的方式進(jìn)行編程，能夠根據(jù)控制信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，是協(xié)調(diào)相關(guān)信號(hào)動(dòng)作、完成特定操作的關(guān)鍵，可以有效地實(shí)現(xiàn)基本功能轉(zhuǎn)換。狀態(tài)機(jī)流程圖如圖4所示：

圖4 狀態(tài)機(jī)流程圖

相關(guān)程序如下：

3 最終成果展示

3.1 硬件部分

圖5 硬件 部分成果展示

如圖5所示，將硬件系統(tǒng)焊接于電路板，裝配于模型槍上，達(dá)到硬件和手柄一體化的目的。用戶可以手持模型槍，通過(guò)按動(dòng)按鍵，完成移動(dòng)，射擊等特殊功能。利用放置于VR眼鏡中的手機(jī)，用戶可以實(shí)時(shí)觀察到游戲中的場(chǎng)景。

3.2 軟件部分

圖6 游戲界 面成果展示

如圖6所示，為VR眼鏡中的真實(shí)游戲場(chǎng)景。用戶可以利用手中的模型槍進(jìn)行射擊，攻擊敵人。利用模型槍上的按鍵在游戲場(chǎng)景中進(jìn)行移動(dòng)，以此躲避敵人的傷害。根據(jù)模型槍當(dāng)前角度的變化，來(lái)決定用戶的移動(dòng)方向。通過(guò)用戶頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)游戲視角的切換。在游戲界面中，正上方顯示得分（Score），正下方顯示當(dāng)前血量。當(dāng)血量歸零時(shí)，游戲結(jié)束。

[1]優(yōu)美締軟件(上海)．Unity官方案例精講[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社,2015．

[2]MingChaoSun．Cardboard 虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技巧(一)之放置一個(gè)固定在視野中的物體[EB/OL]．(2015-12-25)[2016-01-03]．

[3]程明智,江道遠(yuǎn),韓超．Unity5．X游戲開發(fā)技術(shù)與實(shí)例[M]．電子工業(yè)出版社,2016．

尹悅鑫（1995—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于吉林大學(xué)微電子科學(xué)與工程專業(yè)。

魯岳（1996—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于吉林大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

王珣（1996—），大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于吉林大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。