吉林大学电子科学与工程学院 尹悦鑫 鲁 岳 王 珣

基于VR技术的实时交互平台的设计与实验

吉林大学电子科学与工程学院 尹悦鑫 鲁 岳 王 珣

随着科技进步与生活水平的提高，基于VR技术的产品已经以商品的形式进入千家万户。但事实上，其相关衍生品主要以旅游和视频 应用为主，种类单一，缺乏创新。同时，普通的VR产品不具备实时交互性，用户体验差。基于以上问题，本文基于VR技术，下位机以单片机为核心，上位机采用UNITY 3D游戏引擎的安卓开发平台，下位机利用蓝牙模块HC-05，实现与上位机的实时交互，从而实现虚拟现实中的实时操作。

VR技术；实时交互平台；设计与实验

1 设计原理

图 1 设计原理框图

如 图1设计原理框图所示，实时交互平台包括硬件系统和软件平台两部分。硬件系统由陀螺仪GY-25，按键，蓝牙模块HC-05和微控制器STC12C5A60S2组成。其中陀螺仪GY-25实时读取角度，按键实现特殊操作功能，HC-05与手机进行蓝牙通信，微控制器STC12C5A60S2进行数据的接收，处理和发送，处于整个硬件系统的核心地位。软件平台由手机的Android系统和Unity软件组成。同时，硬件系统和软件平台相互之间通过蓝牙进行通信，进而实现实时交互的功能。

1.1 产品调研

虚拟现实技术(VR)是一种可以建立虚拟世界的计算机仿真系统，它可以通过计算机技术来模拟现实的环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可以使用户沉浸到该环境中。

现如今，基于VR技术开发的产品已是种类繁多。但目前，大部分VR产品的应用仅仅停留在视觉接收阶段，例如，VR视频，VR旅游，VR购物等，并不具备实时交互功能，导致用户体验缺乏真实性。

本文研究的基于VR技术的实时交互平台，采用相对成本最低的STC12C5A60S2单片机，利用蓝牙模块HC-05向上位机实时传递信息，并且通过VR眼镜显示出相应的场景，从而实现设计要求。

1.2 原理图

图2 原理图

1.3 软件设计原理

图3 软件设计原理框图

如图3软件设计原理框图所示，Bluetooth部分采用蓝牙模块HC-05。通过蓝牙模块实现和手机安卓操作系统的通信，可以实时的将单片机接收到的采集数据，如角度，按键信息等发送到手机。事先，利用原生安卓开发编写接收蓝牙数据并解读数据的代码，然后将安卓工程导出为jar包，放在Unity工程相应目录下的文件夹中，在Unity端编写相应的代码调用jar包里准备好的方法，便可对手机蓝牙接收到的数据进行处理，实现用户在VR游戏界面中的移动，射击，空间视角切换等功能。

2 系统设计

2.1 硬件模块

硬件模块包括陀螺仪，微控制器，蓝牙模块和按键：

陀螺仪采用GY-25，一款低成本、低功耗的倾斜角度传感器模块。其工作原理是通过陀螺仪加速度传感器经过数据融合算法，最后直接得到角度数据。将其放置于操作手柄，如模型枪上，便可实时读取当前的三维角度。将数据发送给单片机进行处理，再利用蓝牙通信，便可以实现VR游戏界面中的视角切换功能。

微控制器采用的是宏晶科技生产的单片机STC12C5A60S2。具有优秀的工作性能，较高的数据处理速度。作为整个平台的核心控制模块，承担着数据的接收，处理，发送等一系列重要功能。

蓝牙模块采用HC-05，一款主从一体蓝牙串口模块。利用其蓝牙通信功能，实时的将数据发送给手机上的Unity端。Unity将数据处理结果反映到VR游戏界面当中，让用户有实时操作的游戏体验。

而按键则由三个简单的微动开关组成。其功能分别为前进，后退和射击。由单片机接收按键信息，通过蓝牙发送，Unity端接收。

2.2 软件平台

软件平台分为Android部分和Unity部分：

Android部分采用Eclipse软件编写蓝牙程序。Eclipse是一个开放源代码的，基于Java的可扩展开发平台。通过查阅蓝牙相关的API，参考范例，编写相关的蓝牙程序。由于数据发送以字节为单位，而一个角度信息要用两个字节记录。因此，在编写解读蓝牙接收数据的程序时，需要进行相应数据的整合，并依照顺序拼出正确的角度信息。而按键方面，将三个按键的信息存放在一个字节的第三位，并在安卓端将存放按键信息字节的第三位逐位读出。至此，数据的解读工作顺利完成。最后写好用于Unity调用的函数，便可使Unity获取相应的信息。至此，安卓方面的蓝牙相关的工作全部完成。

VR的实现则采用了Google公司的CardboardSDKForUnity。由于此SDK设定了专用的主Activity，因此，会与蓝牙的主Activity发生冲突。解决方案如下：导入Google的jar包到安卓工程，将蓝牙的主Activity继承Google的CardboardSDKForUnity的主Activity。至此，安卓方面的代码编写完成。确认好安卓端代码正确无误后，将工程导出为jar包，并在Unity工程目录下建立安卓插件专用的目录，并将jar包及相关安卓工程中的文件放到相应的目录下。

Unity部分主要是指Unity Technologies开发的多平台的综合型游戏开发工具——Unity，它是一个全面整合的专业游戏引擎。通过Unity的游戏开发功能，设计一个FPS（第一人称射击类）游戏的界面。其中，包括星空，天台，集装箱等环境模型，具有一定AI的怪兽，冲锋枪等游戏元素的加入，增添了本VR实时交互平台的可玩性。配合蓝牙通信，使用户拥有更为真实的体验。

在角色模型设计方面，我们采用状态机的方式进行编程，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的关键，可以有效地实现基本功能转换。状态机流程图如图4所示：

图4 状态机流程图

相关程序如下：

3 最终成果展示

3.1 硬件部分

图5 硬件 部分成果展示

如图5所示，将硬件系统焊接于电路板，装配于模型枪上，达到硬件和手柄一体化的目的。用户可以手持模型枪，通过按动按键，完成移动，射击等特殊功能。利用放置于VR眼镜中的手机，用户可以实时观察到游戏中的场景。

3.2 软件部分

图6 游戏界 面成果展示

如图6所示，为VR眼镜中的真实游戏场景。用户可以利用手中的模型枪进行射击，攻击敌人。利用模型枪上的按键在游戏场景中进行移动，以此躲避敌人的伤害。根据模型枪当前角度的变化，来决定用户的移动方向。通过用户头部的转动，实现游戏视角的切换。在游戏界面中，正上方显示得分（Score），正下方显示当前血量。当血量归零时，游戏结束。

[1]优美缔软件(上海)．Unity官方案例精讲[M]．北京:中国铁道出版社,2015．

[2]MingChaoSun．Cardboard 虚拟现实开发技巧(一)之放置一个固定在视野中的物体[EB/OL]．(2015-12-25)[2016-01-03]．

[3]程明智,江道远,韩超．Unity5．X游戏开发技术与实例[M]．电子工业出版社,2016．

尹悦鑫（1995—），大学本科，现就读于吉林大学微电子科学与工程专业。

鲁岳（1996—），大学本科，现就读于吉林大学电子信息科学与技术专业。

王珣（1996—），大学本科，现就读于吉林大学电子信息科学与技术专业。