unity中camera摄像头控制详解

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unity中camera摄像头控制详解

2023-06-14 11:40| 来源: 网络整理| 查看: 265

1. 缘起2. 开发 2.1. 建立项目2.2. 旋转 2.2.1. 四元数2.3. 移动 2.3.1. 向量操作2.4. 镜头拉伸2.5. 复位2.6. 优化1 缘起

我们的产品是使用unity开发水利BIM(水利建筑信息模型)，项目中需要控制摄像头对模型进行360度查看，请注意所有操作都是移动摄像头，不是移动模型。摄像头能进行移动、旋转、改变焦距操作，类似于SketchUp的控制操作：

摄像头移动时，根据当前旋转方向(Rotation)进行移动摄像头距离模型越远，摄像头移动速度越快，距离越近，移动速度越慢摄像头最初放置在距离模型中心点正前方distance距离(即z轴)，摄像头旋转方向(Rotaion) 改变后，再根据旋转方向(Rotation)在z轴移动distance距离；用户看到的就是模型围绕自己得中心点进行 360度旋转摄像头移动后，比如向左平移了left距离(即x轴)，那么摄像头旋转时，摄像头旋转方向(Rotaion),再根据旋转方向(Rotation)在x轴移动left距离，z轴distance 移动距离；用户看到的就是模型围绕旋转的中心点是：模型中心点向左平移left距离的那个点如果摄像头移动后，摄像头在旋转过程中，移动距离会逐步减小，最终摄像头会回到最初位置；用户看到的就是随着旋转，模型回到屏幕中心

这些需求其实挺简单，本想在网上找到一个现成的例子，但是发现网上关于摄像头的资料要么太简单，要么有错误，关键地方含糊其词，代码也写得不规范，因此自己研究了下，把摄像头这种控制搞清楚了，在这里分享一下。

这里使用的unity版本是2018.2.6f1，使用mac系统，编译环境使用Rider2018.2，但是摄像头没有特殊功能，估计unity5以上，windows或mac下都可以适用。 2 开发

2.1 建立项目

首先建立一个名为FreeCamera的空项目，在右上角的Layout下拉框中把布局改为 "2 by 3"，在中间名为Project的tab右上角Column Layout下拉框把Project布局改为"Two Column Layout"，这是我常用的布局方式。

two column layout

在Hierarchy的tab内点击右键，按右键在3D Object中建立一个Cube作为模型；在Project的tab内Assets上点击右键，建立一个文件夹Scripts，在文件夹上点击右键建立一个FreeCameraController.cs的脚本。

FreeCameraController

打开脚本，现在脚本只有Start()和Update()两个空函数，首先明确脚本是挂载在摄像头上的，模型(Cube)位置未知，那么摄像头的初始位置如何定在距离模型中心点正前方呢，脚本必须知道模型的位置，因此脚本定义Transform属性，就是模型，属性名为model，public类型，我们实现一下。

using UnityEngine; /** * 自由摄像头 * 2018-10-03 by flysic, [email protected] */ public class FreeCameraController : MonoBehaviour { // 模型 public Transform model; // 默认距离 private const float default_distance = 5f; // Use this for initialization void Start () { // 旋转归零 transform.rotation = Quaternion.identity; // 初始位置是模型 Vector3 position = model.position; position.z -= default_distance; transform.position = position; } // Update is called once per frame void Update () { } }

代码里default_distance是默认摄像头和模型的距离，首先旋转Rotation归零，位置Position是模型的位置基础上在z轴减去默认距离，即在模型正前方 default_distance距离。

我们在unity中设置一下，在Hierarchy的tab中选中Main Camera，在Inspector 的tab中最后位置点击Add Component按钮，选择"Free Camera Controller"脚本；在Hierarchy的tab中选中Cube，拖拽到脚本的Model属性上；在Hierarchy的tab 中选中Cube，把Cube的Positon改为(128,64,64)。

Position

现在，我们运行一下看看效果，摄像头果然移动到了模型的正前方，仔细观察现在摄像头Positon，x,y轴位置和模型一样，z轴位置果然减去了 default_distance。

default_distance

2.2 旋转

我们现在需要让摄像头围着模型进行360度旋转，先尝试一下，使用鼠标右键移动时，让摄像头的随着鼠标方向旋转。

为什么摄像头没有针对模型进行360度旋转？因为我们只是改变了摄像头的本身的旋转方向，但是摄像头和模型的朝向发生了改变，原来是正对着模型，旋转后改变了朝向；和模型距离也发生了改变，选来和模型距离是defaule_distance，旋转后，距离发生了改变。要达到360度旋转，要保证摄像头在旋转时，和模型朝向不变，距离不变。

我们把Update函数改变一下：

// Update is called once per frame void Update() { float dx = Input.GetAxis("Mouse X"); float dy = Input.GetAxis("Mouse Y"); // 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 设置摄像头旋转 Quaternion rotation = Quaternion.identity; rotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); transform.rotation = rotation; // 重新设置摄像头位置 Vector3 position = model.position; Vector3 distance = rotation * new Vector3(0, 0, default_distance); transform.position = position - distance; } }

看最后两句，摄像头最终的位置由模型位置、摄像头旋转角度、距离共同决定，摄像头位置(transform.position)就是在模型位置(model.position)上朝着摄像头旋转方向(transform.rotation)后退默认距离(default_distance)，注意不是在z轴方向回退！怎么达到这个目的呢，就是使用了旋转方向(rotation)和向量(Vector3(0,0,default_distance))相乘，相当于在z轴后退了 default_disatnce距离后，又进行了旋转。

transform.position = position - rotation * new Vector3(0, 0, default_distance);

position减去这个旋转后的向量，相当于摄像头位置在模型位置(model.position)上朝着摄像头旋转方向(transform.rotation)后退默认距离(default_distance)。要说清楚详情，要介绍一下两个概念：

2.2.1 四元数

在Unity的Transform的Rotation对应的就是欧拉角，一共分为3个轴，x、 y和z，而每一个数值对应的是绕对应的轴旋转的度数。

如上图所示，表示按照坐标顺序旋转，X轴旋转30°，Y轴旋转90°，Z轴旋转 10°。欧拉角的优点：只需使用3个值，即三个坐标轴的旋转角度；缺点：必须严格按照顺序进行旋转（顺序不同结果就不同；容易造成“万向节锁”现象，造成这个现象的原因是因为欧拉旋转是按顺序先后旋转坐标轴的，并非同时旋转，所以当旋转中某些坐标重合就会发生万向节锁，这时就会丢失一个方向上的选择能力，除非打破原来的旋转顺序或者三个坐标轴同时旋转；由于万向节锁的存在，欧拉旋转无法实现球面平滑插值。

四元数是用于表示旋转的一种方式，而且transform中的rotation属性的数据类型就是四元数，那么四元数该如何表示呢？从本质上来讲，四元数就是一个高阶复数，也就是一个四维空间。话说当时十九世纪的时候，爱尔兰的数学家 Hamilton一直在研究如何将复数从2D扩展至3D，他一直以为扩展至3D应该有两个虚部（可是他错了，哈哈）。有一天他在路上突发奇想，我们搞搞三个虚部的试试！结果他就成功了，于是乎他就把答案刻在了Broome桥上。说到这里，也就明白了，四元数其实就是定义了一个有三个虚部的复数w xi yj zk。记法 [w,(x,y,z)]。四元数优点:可以避免万向节锁现象；只需要一个4维的四元数就可以执行绕任意过原点的向量的旋转，方便快捷，在某些实现下比旋转矩阵效率更高；可以提供平滑插值；缺点:比欧拉旋转稍微复杂了一点点，因为多了一个维度；理解更困难，不直观。四元数与欧拉角转换：

// 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.eulerAngles; // 设置摄像头欧拉角 targetRotation.eulerAngles = new Vector3(euler.y, euler.x, 0);

现在让我们再看Update里的旋转代码：

if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 设置摄像头旋转 Quaternion rotation = Quaternion.identity; rotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); transform.rotation = rotation; // 重新设置摄像头位置 Vector3 position = model.position; Vector3 distance = rotation * new Vector3(0, 0, default_distance); transform.position = position - distance; }

首先我们从四元数(transform.rotation)取得欧拉角angles，由于欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起欧拉角的 x轴的变化，所以angles.y+=dx，然后再设置摄像头旋转，即设置摄像头四元数 rotation，现在明白了设置旋转的写法了吧。

下面是重点，重新设置摄像头位置，我们看到rotation*new Vector3(0,0,default_distance)这句，一个Quaternion实例和一个Vector3相乘的运算，作用是对参数坐标点进行rotation变换，也就是说对 Vector3(0,0,default_distance)进行rotation旋转，最后一句 transform.position = position - distance，进行一个Vector3的向量计算，最终结果就是摄像头沿着选中后的方向移动-distance的距离，就是我们要的结果。

如果对向量计算不清楚，请看下面的向量计算这节

在进行下面开发之前我们把程序西安优化一下，我们不在Update函数里直接修改摄像头旋转和位置，而是记录旋转变化，在FixUpdate函数里设置摄像头最终的旋转和位置，Update和FixedUpdate的区别：Update跟当前平台的帧数有关，而 FixedUpdate是真实时间，所以处理物理逻辑的时候要把代码放在FixedUpdate而不是Update。

using UnityEngine; /** * 自由摄像头 * 2018-10-03 by flysic, [email protected] */ public class FreeCameraController : MonoBehaviour { // 模型 public Transform model; // 默认距离 private const float default_distance = 5f; // 计算移动 private Vector3 position; // 计算旋转 private Quaternion rotation; // Use this for initialization void Start () { // 旋转归零 transform.rotation = Quaternion.identity; // 初始位置是模型 position = model.position; } // Update is called once per frame void Update() { float dx = Input.GetAxis("Mouse X"); float dy = Input.GetAxis("Mouse Y"); // 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 计算摄像头旋转 rotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); } } } private void FixedUpdate() { // 设置摄像头旋转 transform.rotation = rotation; // 设置摄像头位置 transform.position = position - rotation * new Vector3(0, 0, default_distance); } }

最上面定义了两个私有属性，private Vector positon，private Quaternion rotation，position在Start函数里记录模型的位置(目前不变化，后面移动时要变化)，rotation用于记录Update里计算的旋转，FixedUpdate函数里根据 rotation、position、default_distance计算摄像头最终的位置。

我们操作一下发现，虽然旋转达到要求，但是操作感觉很生硬，现在给旋转加上速度和阻尼，效果就会好很多。

using UnityEngine; /** * 自由摄像头 * 2018-10-03 by flysic, [email protected] */ public class FreeCameraController : MonoBehaviour { // 模型 public Transform model; // 旋转速度 public float rotateSpeed = 32f; public float rotateLerp = 8; // 计算移动 private Vector3 position; // 计算旋转 private Quaternion rotation, targetRotation; // 默认距离 private const float default_distance = 5f; // Use this for initialization void Start () { // 旋转归零 transform.rotation = Quaternion.identity; // 初始位置是模型 position = model.position; } // Update is called once per frame void Update() { float dx = Input.GetAxis("Mouse X"); float dy = Input.GetAxis("Mouse Y"); // 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { dx *= rotateSpeed; dy *= rotateSpeed; if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 计算摄像头旋转 targetRotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); } } } private void FixedUpdate() { rotation = Quaternion.Slerp(rotation, targetRotation, Time.deltaTime * rotateLerp); // 设置摄像头旋转 transform.rotation = rotation; // 设置摄像头位置 transform.position = position - rotation * new Vector3(0, 0, default_distance); } }

最上面增加了旋转速度(rotateSpeed)和苏尼(rotateLerp)，rotateSpeed越高旋转越快，rotateLerp越高阻尼越小，阻尼使用了四元数的球面差值(前面说过，只有四元数能做到球面差值)，使旋转有个渐变过程，大家可以在Inspector的 tabFree Camera Controller脚本处修改参数尝试最佳的设置；定义了新的变量 targetRotation，用于计算最终旋转，配合rotation实现阻尼效果；positon目前只是记录模型位置，后面移动时就会改变。

2.3 移动

前面我们定义了变量position，记录了模型的初始位置，可以假设position是一个虚拟物体的位置，初始位置恰好和模型(model)位置重合，随着鼠标左键的操作，虚拟物体位置发生变化，摄像头的位置根据虚拟物体位置计算得来见代码。

注意，模型(model)本身不移动，只是虚拟物体位置(position)发生变化，positon既不是模型位置，也不是摄像头位置 using UnityEngine; /** * 自由摄像头 * 2018-10-03 by flysic, [email protected] */ public class FreeCameraController : MonoBehaviour { // 模型 public Transform model; // 旋转速度 public float rotateSpeed = 32f; public float rotateLerp = 8; // 移动速度 public float moveSpeed = 1f; public float moveLerp = 10f; // 计算移动 private Vector3 position, targetPosition; // 计算旋转 private Quaternion rotation, targetRotation; // 默认距离 private const float default_distance = 5f; // Use this for initialization void Start () { // 旋转归零 targetRotation = Quaternion.identity; // 初始位置是模型 targetPosition = model.position; } // Update is called once per frame void Update() { float dx = Input.GetAxis("Mouse X"); float dy = Input.GetAxis("Mouse Y"); // 鼠标左键移动 if (Input.GetMouseButton(0)) { dx *= moveSpeed; dy *= moveSpeed; targetPosition -= transform.up * dy + transform.right * dx; } // 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { dx *= rotateSpeed; dy *= rotateSpeed; if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 计算摄像头旋转 targetRotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); } } } private void FixedUpdate() { rotation = Quaternion.Slerp(rotation, targetRotation, Time.deltaTime * rotateLerp); position = Vector3.Lerp(position, targetPosition, Time.deltaTime * moveLerp); // 设置摄像头旋转 transform.rotation = rotation; // 设置摄像头位置 transform.position = position - rotation * new Vector3(0, 0, default_distance); } }

位置也定义了新的变量targetPosition，和position配合实现阻尼效果，鼠标左键点击移动会产生移动效果，注意看这句：targetPosition -= transform.up * dy + transform.right * dx，使用一连串的Vecor3向量操作实现了完美的移动操作，首先，这里使用的是transform.up和dy相乘，而不是Vector3.up， transform.up是世界坐标系的，Vector3.up是本地坐标系的，对transform.up进行移动时附加了摄像头的旋转信息，所以摄像头旋转后，移动也是正确的； Vector3.up移动方向是固定的，旋转后移动方向就错了。

2.3.1 向量操作

Unity中得Vector3实际上是向量，在数学中向量的定义是：既有大小又有方向的量叫作向量。在空间中，向量可以用一段有方向的线段来表示。向量在Unity中的应用十分广泛，可用于描述具有大小和方向两个属性的物理量。

向量相关概念模(magnitude)：向量的长度,简单的说就是这条线有多长，就是你用尺子量出来的数据标准化(normalizing)：保持方向不变，将向量的模变为1向量的运算加减：向量的加法(减法)为各分量分别相加(相减)，表示位置变化叠加，这里transform.up * dy + transform.right * dx就是将y轴和x轴的移动向量相加，最后在targetPositon减去这个结果数乘：向量与一个标量相乘称为数乘。数乘可以对向量的长度进行缩放，如果标量大于0，那么向量的方向不变；若标量小于0，则向量的方向会变为反方向，程序中例子是transform.up*dy2.4 镜头拉伸

下面就是改变镜头拉伸了，也就是改变摄像头和模型的距离，这个比较简单，通过中间的滚轮改变。

也是定义两个变量distance、targetDistance，还有拉伸速度，拉伸阻尼。

2.5 复位

观察SketchUp操作，发现当模型被移动的比较远时，旋转时模型位置会很快复位移到中间，这个功能会有用，帮助找到移出屏幕的模型，我们尝试制作一下。在鼠标右键代码逻辑里，增加两句。

// 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { dx *= rotateSpeed; dy *= rotateSpeed; if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; // 计算摄像头旋转 targetRotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); // 随着旋转，摄像头位置自动恢复 Vector3 temp_position = Vector3.Lerp(targetPosition, model.position, Time.deltaTime * moveLerp); targetPosition = Vector3.Lerp(targetPosition, temp_position, Time.deltaTime * moveLerp); } }

随着旋转，虚拟的物体位置会逐步变成模型初始位置。

2.6 优化

摄像头基本功能就实现完了，但是还有几点细节需要优化：

y轴旋转需要控制一下，旋转范围应在-89度至89度，这样模型会在Y轴被翻转超过360度，会产生异常情况Input.GetAxis("Mouse X")，Input.GetAxis("Mouse Y")的异常波动需要处理，当使用alt+tab切换程序时这个问题非常明显模型移动不仅需要鼠标左键控制，还需要键盘控制移动速度应该和模型距离有关系，距离越远，移动速度越快，距离越近，移动速度越慢

最终程序如下，我觉得这是摄像头控制比较详尽的文章了，大家有什么问题意见欢迎沟通！

using UnityEngine; /** * 自由摄像头 * 2018-10-03 by flysic, [email protected] */ public class FreeCameraController : MonoBehaviour { // 模型 public Transform model; // 旋转速度 public float rotateSpeed = 32f; public float rotateLerp = 8; // 移动速度 public float moveSpeed = 1f; public float moveLerp = 10f; // 镜头拉伸速度 public float zoomSpeed = 10f; public float zoomLerp = 4f; // 计算移动 private Vector3 position, targetPosition; // 计算旋转 private Quaternion rotation, targetRotation; // 计算距离 private float distance, targetDistance; // 默认距离 private const float default_distance = 5f; // y轴旋转范围 private const float min_angle_y = -89f; private const float max_angle_y = 89f; // Use this for initialization void Start () { // 旋转归零 targetRotation = Quaternion.identity; // 初始位置是模型 targetPosition = model.position; // 初始镜头拉伸 targetDistance = default_distance; } // Update is called once per frame void Update() { float dx = Input.GetAxis("Mouse X"); float dy = Input.GetAxis("Mouse Y"); // 异常波动 if (Mathf.Abs(dx) > 5f || Mathf.Abs(dy) > 5f) { return; } float d_target_distance = targetDistance; if (d_target_distance < 2f) { d_target_distance = 2f; } // 鼠标左键移动 if (Input.GetMouseButton(0)) { dx *= moveSpeed * d_target_distance / default_distance; dy *= moveSpeed * d_target_distance / default_distance; targetPosition -= transform.up * dy + transform.right * dx; } // 鼠标右键旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { dx *= rotateSpeed; dy *= rotateSpeed; if (Mathf.Abs(dx) > 0 || Mathf.Abs(dy) > 0) { // 获取摄像机欧拉角 Vector3 angles = transform.rotation.eulerAngles; // 欧拉角表示按照坐标顺序旋转，比如angles.x=30，表示按x轴旋转30°，dy改变引起x轴的变化 angles.x = Mathf.Repeat(angles.x + 180f, 360f) - 180f; angles.y += dx; angles.x -= dy; angles.x = ClampAngle(angles.x, min_angle_y, max_angle_y); // 计算摄像头旋转 targetRotation.eulerAngles = new Vector3(angles.x, angles.y, 0); // 随着旋转，摄像头位置自动恢复 Vector3 temp_position = Vector3.Lerp(targetPosition, model.position, Time.deltaTime * moveLerp); targetPosition = Vector3.Lerp(targetPosition, temp_position, Time.deltaTime * moveLerp); } } // 上移 if (Input.GetKey(KeyCode.UpArrow) || Input.GetKey(KeyCode.W)) { targetPosition -= transform.up * d_target_distance / (2f * default_distance); } // 下移 if (Input.GetKey(KeyCode.DownArrow) || Input.GetKey(KeyCode.S)) { targetPosition += transform.up * d_target_distance / (2f * default_distance); } // 左移 if (Input.GetKey(KeyCode.LeftArrow) || Input.GetKey(KeyCode.A)) { targetPosition += transform.right * d_target_distance / (2f * default_distance); } // 右移 if (Input.GetKey(KeyCode.RightArrow) || Input.GetKey(KeyCode.D)) { targetPosition -= transform.right * d_target_distance / (2f * default_distance); } // 鼠标滚轮拉伸 targetDistance -= Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") * zoomSpeed; } // 控制旋转角度范围：min max float ClampAngle(float angle, float min, float max) { // 控制旋转角度不超过360 if (angle < -360f) angle += 360f; if (angle > 360f) angle -= 360f; return Mathf.Clamp(angle, min, max); } private void FixedUpdate() { rotation = Quaternion.Slerp(rotation, targetRotation, Time.deltaTime * rotateLerp); position = Vector3.Lerp(position, targetPosition, Time.deltaTime * moveLerp); distance = Mathf.Lerp(distance, targetDistance, Time.deltaTime * zoomLerp); // 设置摄像头旋转 transform.rotation = rotation; // 设置摄像头位置 transform.position = position - rotation * new Vector3(0, 0, distance); } }

Author: flysic

Created: 2018-10-05 Fri 17:00

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分类: csharp, unity

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