Unity 激光雷达的简单模拟

简介

在游戏开发和虚拟现实应用中，雷达系统常常被用于检测和追踪目标物体。通过模拟雷达的工作原理，我们可以为角色或车辆添加环境感知能力，增强交互性和沉浸感。本文将介绍如何在 Unity 中实现一个简单的雷达模拟系统，并重点探讨为什么选择 SphereCast 而非单纯的 Raycast 来实现这一功能。

一、雷达模拟的思路

雷达的基本原理是发射信号并接收反射信号，通过计算信号往返的时间来确定目标物体的距离。在 Unity 中，我们可以通过射线检测（Raycast）或球体检测（SphereCast）来模拟这一过程。虽然 Raycast 是一种常用的检测方法，但 SphereCast 在某些场景下具有独特的优势。

（一）Raycast 的局限性

Raycast 是一种直线检测方法，它从一个点向指定方向发射一条射线，检测射线路径上的第一个碰撞物体。虽然 Raycast 的计算效率很高，但它存在一些局限性：

1. 检测范围有限 ：Raycast 只能检测到射线路径上的物体，对于体积较小或形状不规则的物体，可能会出现检测不到的情况。
2. 容易被遮挡 ：如果射线路径上有多个物体，Raycast 只能检测到最近的一个物体，无法检测到被遮挡的物体。
3. 缺乏容错性 ：在复杂的场景中，物体可能会因为微小的位移或旋转而突然进入或离开射线路径，导致检测结果不稳定。

（二）SphereCast 的优势

SphereCast 一种基于球体的检测方法，它从一个点向指定方向发射一个球体，检测球体路径上的所有碰撞物体。

换句话说，就是 RayCast能够直接穿过围栏或者有空隙的地方，但是 SphereCast 依然能够碰到，就像皮球无法会撞上栏杆而不是从栏杆的缝隙中穿过一样，这样便可以简单抽象雷达的本质功能了。

与 Raycast 相比，SphereCast 具有以下优势：

1. 更宽的检测范围 ：SphereCast 的检测范围是一个球体，能够检测到路径上一定范围内的所有物体，而不是仅仅局限于一条直线。这使得雷达系统能够更全面地感知周围环境。
2. 更强的容错性 ：由于检测范围是一个球体，即使物体发生微小的位移或旋转，也更有可能被检测到。这使得雷达系统在复杂的场景中更加稳定。
3. 更符合物理直觉 ：在现实世界中，雷达信号的传播并非完全直线，而是有一定的扩散范围。SphereCast 更接近真实雷达的工作原理，能够更好地模拟雷达的检测效果。

（三）代码展示

using System;
using UnityEngine;

/// <summary>
/// Copyright (c) [2025] [Lizhenghe.Chen https://github.com/Lizhenghe-Chen]
/// </summary>
public class LidarScanner : MonoBehaviour
{
    public float range = 10f; // 最大射线长度
    public float emitOffset = 1f; // 发射射线的偏移量
    public float sphereRadius = 1f; // SphereCast 的半径
    public float dangerDistance = 5f; // 危险距离
    public Color safeColor = Color.green; // 安全颜色
    public Color dangerColor = Color.red; // 危险颜色
    public LidarData lidarData;

    [Serializable]
    public struct LidarData
    {
        public float xPositive;
        public float xNegative;
        public float yPositive;
        public float yNegative;
        public float zPositive;
        public float zNegative;
        public float firstQuadrant;
        public float secondQuadrant;
        public float thirdQuadrant;
        public float fourthQuadrant;
        public float fifthQuadrant;
        public float sixthQuadrant;
        public float seventhQuadrant;
        public float eighthQuadrant;
    }

    private readonly HitData[] _hitData = new HitData[14];

    [Serializable]
    // 用于保存所有射线的命中数据
    private struct HitData
    {
        public readonly Vector3 Point;
        public readonly Color Color;

        public HitData(Vector3 point, Color color)
        {
            Point = point;
            Color = color;
        }
    }

    private void Update()
    {
        // 6个主要方向 (X, Y, Z)
        lidarData.xPositive = CastSphere(Vector3.right, 0); // +X
        lidarData.xNegative = CastSphere(Vector3.left, 1); // -X
        lidarData.yPositive = CastSphere(Vector3.up, 2); // +Y
        lidarData.yNegative = CastSphere(Vector3.down, 3); // -Y
        lidarData.zPositive = CastSphere(Vector3.forward, 4); // +Z
        lidarData.zNegative = CastSphere(Vector3.back, 5); // -Z

        // 8个象限方向
        lidarData.firstQuadrant = CastSphere(new Vector3(1, 1, 1).normalized, 6);
        lidarData.secondQuadrant = CastSphere(new Vector3(1, 1, -1).normalized, 7);
        lidarData.thirdQuadrant = CastSphere(new Vector3(1, -1, 1).normalized, 8);
        lidarData.fourthQuadrant = CastSphere(new Vector3(1, -1, -1).normalized, 9);
        lidarData.fifthQuadrant = CastSphere(new Vector3(-1, 1, 1).normalized, 10);
        lidarData.sixthQuadrant = CastSphere(new Vector3(-1, 1, -1).normalized, 11);
        lidarData.seventhQuadrant = CastSphere(new Vector3(-1, -1, 1).normalized, 12);
        lidarData.eighthQuadrant = CastSphere(new Vector3(-1, -1, -1).normalized, 13);
    }

    // 使用 SphereCast 进行检测
    private float CastSphere(Vector3 direction, int index)
    {
        var ray = new Ray(transform.position + direction * emitOffset, direction);

        if (Physics.SphereCast(ray, sphereRadius, out var hit, range))
        {
            var distance = hit.distance;
            var t = Mathf.InverseLerp(dangerDistance, range, distance);
            var currentColor = Color.Lerp(dangerColor, safeColor, t);

            // // 在 Scene 视图中绘制射线和命中点
            // Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point, currentColor);
            Debug.DrawLine(ray.origin, ray.origin + direction * distance, currentColor);
            Debug.DrawRay(hit.point, Vector3.up * 0.2f, currentColor);

            // 保存命中数据
            _hitData[index] = new HitData(hit.point, currentColor);

            return distance;
        }

        // 没有命中时，清空命中数据
        _hitData[index] = new HitData(Vector3.zero, Color.clear);
        Debug.DrawRay(ray.origin, direction * range, safeColor);
        return range;
    }

    // 在 Scene 视图中绘制所有球体
    private void OnDrawGizmos()
    {
        for (var i = 0; i < _hitData.Length; i++)
        {
            if (_hitData[i].Point != Vector3.zero)
            {
                Gizmos.color = _hitData[i].Color;
                Gizmos.DrawWireSphere(_hitData[i].Point, sphereRadius);
            }
        }
    }
}

下图不难看出，当射线没有打在物体上时，球形检测变起到了作用：

评论