【Unity步步升】各类旋转逻辑的区别，如欧拉旋转、插值旋转、矢量朝向等...及游戏视角案例
在 Unity 中为物体旋转提供了各种 API ，例如 Rotate、RotateAround、LookAt 等方法。但为了避免万向节死锁的问题，一般使用四元数来表示物体的旋转。
而接下来的旋转方法我将不再区分Vector和Transform实现的区别，重点来看方法本身。
目录
一、基础旋转
①Rotate()
②RotateAround()
③LookAt()
二、四元数旋转
①Euler()
②Lerp()
③LookRotation()
三、应用案例
①第一人称相机旋转
②第三人称相机环绕
③第三人称平滑旋转缩放与跟随
一、基础旋转
图0-1 物体设置
①Rotate()
public void Rotate (Vector3 eulers, Space relativeTo= Space.Self);
应用一个围绕 Z 轴旋转 eulerAngles.z 度、围绕 X 轴旋转 eulerAngles.x 度、围绕 Y 轴旋转 eulerAngles.y 度（按此顺序）的旋转。
旋转采用欧拉角形式的 Vector3 参数。第二个参数是旋转轴，可以将其设置为本地轴 (Space.Self) 或全局轴 (Space.World)。旋转以欧拉角度数表示。
参数从左到右分别是，Vector类型的旋转角度和物体轴类设置。
知晓参数和使用方法后，我们将场景中的两个物体提前设置好，为了看出轴不同的设置带来的影响，把两个物体旋转一定的角度如图0-1。具体实现效果如图1-1~2，使用如下代码：
[Header("旋转参数")]public float rotationSpeed;public GameObject aroundPoint; //围绕中心点[Header("旋转对象")]public GameObject rotateObj1;public GameObject rotateObj2;void Update(){//SelfRotate1();SelfRotate2();}void SelfRotate1(){//rotateObj1.transform.Rotate(xAngle, yAngle, zAngle, Space.World); //直接赋值Transform变换//rotateObj2.transform.Rotate(xAngle, yAngle, zAngle, Space.Self);rotateObj1.transform.Rotate(Vector3.forward * rotationSpeed * Time.deltaTime, Space.World); //通过V3类特定某个轴rotateObj2.transform.Rotate(Vector3.forward * rotationSpeed * Time.deltaTime, Space.Self);}
图1-1 Space.World
Rotate方法中的Space.World坐标轴设置，世界坐标的设置让物体是围绕着世界坐标轴的Z轴旋转。
图1-2 Space.Self
Rotate方法中的Space.Self坐标轴设置，与前一种不同，可以看出来很明显的围绕自己的Z坐标轴旋转。
②RotateAround()
public void RotateAround (Vector3 point, Vector3 axis, float angle);
将变换围绕穿过世界坐标中的 point 的 axis 旋转 angle 度。
这会修改变换的位置和旋转。
参数从左到右分别为应围绕的点，围绕点的哪个轴，旋转多少度。
使用设置好的两个物体和一个围绕中心点看一下效果，见图2-1，及以下代码段：
public GameObject aroundPoint; //围绕中心点void SelfRotate2(){rotateObj1.transform.RotateAround(aroundPoint.transform.position, Vector3.up, rotationSpeed * Time.deltaTime);rotateObj2.transform.RotateAround(aroundPoint.transform.position, Vector3.up, rotationSpeed * Time.deltaTime);}
图2-1 RotateAround()
可以看到，两个物体都围绕着设置好的中心点旋转类似星球环绕的效果。
③LookAt()
public void LookAt (Transform target);
public void LookAt (Transform target, Vector3 worldUp= Vector3.up);
旋转变换，使向前矢量指向 target 的当前位置。
然后，它旋转变换以将其向上方向矢量指向 worldUp 矢量暗示的方向。 如果省略 worldUp 参数，该函数将使用世界空间的 Y 轴。 worldUp 只是一个提示矢量。如果向前方向垂直于 worldUp，则旋转的向上矢量将仅匹配 worldUp 矢量。
参数从左到右分别为看向目标，看向轴向。
我们让物体1以Z轴始终看向物体2，物体2保持环绕旋转，效果见图3-1，及以下代码段。
void SelfRotate3(){rotateObj1.transform.LookAt(rotateObj2.transform);//rotateObj1.transform.LookAt(rotateObj2.transform, rotateObj2.transform.up);rotateObj2.transform.RotateAround(aroundPoint.transform.position, Vector3.up, rotationSpeed * Time.deltaTime);}
图3-1 LookAt()
其中注意，无论如何都是物体的Z轴始终指向物体，而具体指向后物体想以怎么样的状态保持指向还需要看第二个参数，可以看到上图3-1中看向后是默认X轴向上的，但如果这里的worldUp设置为rotateObj2.transform.up，则意味着以物体Y轴作为世界Y轴朝向，其他轴向类似见下图3-2。
图3-2 worldUp设置
二、四元数旋转
①Euler()
public static Quaternion Euler (float x, float y, float z);
返回一个围绕 Z 轴旋转 z 度、围绕 X 轴旋转 x 度、围绕 Y 轴旋转 y 度的旋转。
我们将前次课的行为树用上，定义一个物体来回运动。效果见图1-1，及以下代码段。
/// <summary>/// Euler()/// </summary>void QuaternionRotate1() {eulerRotate.y += rotationSpeed * Time.deltaTime;rotateObj1.transform.rotation = Quaternion.Euler(eulerRotate);rotateObj2.transform.rotation = Quaternion.Euler(eulerRotate);}
图1-1 Euler()
②Lerp()
public static Quaternion Lerp (Quaternion a, Quaternion b, float t);
在 a 和 b 之间插入 t，然后对结果进行标准化处理。参数 t 被限制在 [0, 1] 范围内。
该方法比 Slerp 快，但如果旋转相距很远，其视觉效果也更糟糕。
参数从左到右分别为指定Z轴要对齐的物体，世界upwards方向的V3值。
效果见图2-1，及以下代码段。
/// <summary>/// Lerp()/// </summary>void QuaternionRotate2(){rotateObj1.transform.rotation = Quaternion.Lerp(from.rotation, to.rotation, rotationSpeed * Time.time);rotateObj2.transform.rotation = Quaternion.Lerp(from.rotation, to.rotation, rotationSpeed * Time.time);}
图2-1 Lerp()
③LookRotation()
public static Quaternion LookRotation (Vector3 forward, Vector3 upwards= Vector3.up);
使用指定的 forward 和 upwards 方向创建旋转。
Z 轴将与forward对齐，X 轴与 forward 和 upwards 之间的差积对齐，Y 轴与 Z 和 X 之间的差积对齐。如果 forward 或 upwards 量值为零，则返回恒等。 如果 forward 和 upwards 共线，则返回恒等。
参数从左到右分别为指定Z轴要对齐的物体，世界upwards方向的V3值。
定义两个物体来回运动，将应对齐的Z轴改为两物体间的位置Z值，upwards就设置默认的Y轴up。效果见图3-1，及以下代码段。
/// <summary>/// LookRotation()/// </summary>void QuaternionRotate3(){Vector3 relativePos = from.position - to.position; //相对位置rotateObj1.transform.rotation = Quaternion.LookRotation(relativePos, Vector3.up);rotateObj2.transform.rotation = Quaternion.LookRotation(relativePos, Vector3.up);}
图3-1 LookRotation()
三、应用案例
①第一人称相机旋转
[Header("第一人称")]public Camera firstCamera;public float mouseSensitivityX = 5.0f;public float mouseSensitivityY = 5.0f;public float minCameraY = -30.0f;public float maxCameraY = 30.0f;private float currentRotationY;private float currentRotationX;/// <summary>/// 第一人称角色视角/// </summary>private void FirstPlayerCameraRotate() {currentRotationX += Input.GetAxis("Mouse X") * mouseSensitivityX;currentRotationY += Input.GetAxis("Mouse Y") * mouseSensitivityY;currentRotationY = AngleLimit(currentRotationY, minCameraY, maxCameraY);firstCamera.transform.eulerAngles = new Vector3(-currentRotationY, currentRotationX, 0);}/// <summary>/// 视角角度限制/// </summary>/// <param name="rotationLimited">应限制的旋转轴</param>/// <param name="min">最小值</param>/// <param name="max">最大值</param>/// <returns>可到达的角度范围</returns>private float AngleLimit(float rotationLimited, float min, float max) {if (currentRotationY < min) {return min;}if (currentRotationY > max) {return max;}return rotationLimited;}代码段中可以看到分成了两个函数，第一人称视角主要控制函数FirstPlayerCameraRotate()及AngleLimit()视角角度限制函数。
FirstPlayerCameraRotate()控制函数就比较简单，通过对"Mouse X"和"Mouse Y"轴向的获取，乘以提前设置好的鼠标灵敏度赋值给最新旋转XY。如果好奇这里为什么是对-currentRotationY当作V3的x轴值，在Unity中去试一下Transfom Rotation的值看下效果就明白了。
AngleLimit()视角角度限制函数则是想实现对视角上下有限制，将当前最新旋转值currentRotationY与最大值和最小值比较，若大于最大值则不能继续旋转，小于最小值同样。具体实现效果如下图1
图1 第一人称视角
②第三人称相机环绕
[Header("第三人称")]public Camera thirdCamera;public GameObject followObj;public float rotateSpeedX = 10.0f;public float rotateSpeedY = 10.0f;private Quaternion curRotation;private float currentMouseX = 0.0f;private float currentMouseY = 0.0f;void Start(){currentRotationX = thirdCamera.transform.eulerAngles.x;currentRotationY = thirdCamera.transform.eulerAngles.y;} /// <summary>/// 第三人称角色视角/// </summary>private void ThirdPlayerCameraRotate(){try {if (followObj != null){currentMouseX += Input.GetAxis("Mouse X") * rotateSpeedX;currentMouseY += Input.GetAxis("Mouse Y") * rotateSpeedY;curRotation = Quaternion.Euler(currentMouseY, currentMouseX, 0); //将V3转化为QuaternionthirdCamera.transform.RotateAround(followObj.transform.position, Vector3.up, currentMouseX);}}catch {Debug.Log("出了点问题，可能是追随目标没设置");}}代码段中可以看到只有一个函数ThirdPlayerCameraRotate()第三人称控制函数。
首先函数需要对应的跟随物体followObj，其次同样是对"Mouse X"和"Mouse Y"轴向的获取，利用上述Euler函数将V3数值转化为四元素Quaternion数值，后就可以使用RotateAround这一类Transform四元素挂钩的函数了。具体效果见下图2
图2 第三人称环绕旋转
③第三人称平滑旋转缩放与跟随
[Header("相机")]public Camera thirdCamera;public GameObject target;[Header("相机缩放")]public float zoomSpeed = 2.0f;public float maxDistance = 15.0f;public float minDistance = 2.0f;private float cameraDistance;private Vector3 cameraPosition;[Header("相机旋转")]public float rotateSpeedX;public float rotateSpeedY;public float maxRotationY = 60.0f;public float minRotationY = -10.0f;private float rotateY;private float rotateX;private Quaternion cameraRotation;[Header("平滑设置")]public bool isDamping = false;public float damping = 5.0f;void Update(){ThirdCameraControll();}/// <summary>/// 第三相机控制/// </summary>void ThirdCameraControll() {//旋转rotateX += Input.GetAxis("Mouse X") * rotateSpeedX * Time.deltaTime;rotateY += Input.GetAxis("Mouse Y") * rotateSpeedY * Time.deltaTime;rotateY = AngleLimit(rotateY, minRotationY, maxRotationY);cameraRotation = Quaternion.Euler(rotateY, rotateX, 0);//缩放cameraDistance -= Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") * zoomSpeed;cameraDistance = Mathf.Clamp(cameraDistance, minDistance, maxDistance);//位置控制cameraPosition = cameraRotation * new Vector3(0.0f, 0.0f, -cameraDistance) + target.transform.position;//平滑处理if (isDamping){thirdCamera.transform.position = Vector3.Lerp(thirdCamera.transform.position ,cameraPosition, damping * Time.deltaTime);thirdCamera.transform.rotation = Quaternion.Lerp(thirdCamera.transform.rotation, cameraRotation, damping * Time.deltaTime);}else {thirdCamera.transform.position = cameraPosition;thirdCamera.transform.rotation = cameraRotation;}}/// <summary>/// 角度限制/// </summary>/// <param name="LimitedValue"></param>/// <param name="min"></param>/// <param name="max"></param>/// <returns></returns>private float AngleLimit(float LimitedValue, float min, float max) {if (LimitedValue < -360) return LimitedValue += 360;if (LimitedValue > 360) return LimitedValue -= 360;return Mathf.Clamp(LimitedValue, min, max);}最终效果入下图3
图3 线性插值和欧拉的处理
至于万向节死锁问题，我这不去讲述了感兴趣的小伙伴们可以自行学习。
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