PyBullet 物理仿真图形界面视觉延时,感官体验差问题解决方案


测试平台: Windows 10

测试对象:PyBullet 机器人仿真环境

测试时间:2022年5月26日


1 问题描述

​ 在进行 PyBullet 学习时,首先遇到的第一个官方的案例就是导入地面模型与 r2d2 的机器人模型仿真一段时间,仿真演示了模型的导入以及 r2d2 机器人从高度为 1 米的空中坠落。

​ 在进行上述仿真时,不难发现有些人在运行上述案例时,会发现机器人自由落体的图形仿真的视觉感受与实际的自由落体感觉上存在很大的差异,并且在不同的电脑上运行看到的效果也存在差异。特别是在看过较为真实的仿真模拟后,看到缓慢的图形刷新会让人在视觉上有一定的抵触。

​ 本文主要针对上述情况,并根据一些参考资料(在文章末尾列出)给出参考解决方案。


2 仿真例程介绍

PyBullet 物理仿真图形界面视觉延时,感官体验差问题解决方案

​ 在 PyBullet Quickstart Guide 指导手册中,给出的第一个案例的仿真代码如下所示

import pybullet as p
import time
import pybullet_data

physicsClient = p.connect(p.GUI)
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
p.setGravity(0,0,-9.8)
planeId = p.loadURDF("plane.urdf")
startpos = [0,0,1]
startOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0,0,0])
boxId = p.loadURDF("r2d2.urdf",startpos,startOrientation)
p.resetBasePositionAndOrientation(boxId,startpos,startOrientation)

for i in range(10000):
    p.stepSimulation()
 	time.sleep(1./240.)
cubePos, cubeOrn = p.getBasePositionAndOrientation(boxId)
print(cubePos,cubeOrn)
p.disconnect()

上述代码的主要内容如下

  1. 加载相关模块库
  2. 连接仿真环境,GUI 模式
  3. 添加资源路径
  4. 设置场景重力加速度
  5. 加载地面模型
  6. 加载 r2d2 机器人模型
  7. 重置机器人模型位置
  8. 循环
    1. 仿真步进
    2. 延时
  9. 获取机器人位姿
  10. 打印位姿
  11. 断开与仿真环境的连接

3 仿真函数分析


其中对于整个仿真更新的主要部分为上述的仿真步进部分,接口函数为 stepSimulation()

官方给出的接口函数说明如下

stepSimulation will perform all the actions in a single forward dynamics simulation step such as
collision detection, constraint solving and integration. The default timestep is 1/240 second, it
can be changed using the setTimeStep or setPhysicsEngineParameter API.

从上述描述我们可以得知,该函数将在单个正向动力学仿真步骤中执行所有动作,默认的时间步长为1/240秒,也就是说调用该函数使得仿真场景中的物理更新以 1/240 秒的时间进行刷新,也就是世界前进了 1/240 秒。

4 问题分析


那么代码段中,接在 stepSimulation 函数后面的 time.sleep 延时是为什么呢?

在该仿真的开头,我们在连接仿真环境的模式中选择了 GUI 模式,即启动仿真的图形化界面。而在进行仿真的循环迭代中,我们使用了接口函数 stepSimulation 以默认 1/240 秒的时间间隔更新仿真场景,对于计算机的运算速度来说,他可以很快就完成了 10000 次的迭代计算,并快速的刷新仿真环境,如果将 time.sleep 的延时注释掉,你会看到机器人飞快的掉落到地面,类似发生了瞬移。

那么 time.sleep 延时的作用就是为了让图形化界面的场景延时,从而制造出与仿真更新的 1/240 秒相近的视觉效果。那在代码中我们也是给出了对应的延时,为什么仿真刷新的视觉效果还是不能让人感官较为舒适呢?

5 解决方案


参考文中末尾给出的参考资料,Python time 模块的 sleep 函数给用户提供毫秒级延时,其自小延时精度为 0.001秒,也就是 1ms 的延时,而上述仿真环境中 1/240 秒约等于 0.0041,也就是大约 4 ms 的延时效果,按照上述分辨率,应该能够满足要求。在参考资料 3 中,作者通过逻辑分析仪对上述函数接口进行了测试,发现 time.sleep(0.001) 这一延时 1ms 的延时代码对程序造成了 13 ms 的延时,那么对于我们自己的电脑来说,是不是也出现作者描述的问题。

根据作者给出的解决方案,构建如下更加准确的延时函数

def blsleep(timer:float):
    delay_mark = time.time()
    while True:
        offset = time.time() - delay_mark
        if offset > timer:
            break

并更新仿真环境代码如下所示

import pybullet as p
import time
import pybullet_data

physicsClient = p.connect(p.GUI)
p.setAdditionalSearchPath(pybullet_data.getDataPath())
p.setGravity(0,0,-9.8)
planeId = p.loadURDF("plane.urdf")
startpos = [0,0,1]
startOrientation = p.getQuaternionFromEuler([0,0,0])
boxId = p.loadURDF("r2d2.urdf",startpos,startOrientation)
p.resetBasePositionAndOrientation(boxId,startpos,startOrientation)

for i in range(10000):
    p.stepSimulation()
    blsleep(0.005)
cubePos, cubeOrn = p.getBasePositionAndOrientation(boxId)
print(cubePos,cubeOrn)
p.disconnect()

仿真结果表明,通过使用更加准确的延时函数,图形化仿真的视觉效果有了很大的提升。


写在最后

由于笔者水平有限,文中若存在错误,还请不吝指出。




Reference

PyBullet Quickstart Guide

Python time sleep()方法

python实现亚毫秒(微秒)级延时

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