Unity笔记：相机移动

基础知识

鼠标输入

在Unity中，开发者在“Edit” > “Project Settings” > “Input Manager”中设置输入，如下图所示：

在设置了Mouse X后，Input.GetAxis("Mouse X")返回的是鼠标在X轴上的增量值。这意味着它会返回鼠标在上一帧和当前帧之间的变化量。如果鼠标在X轴上向右移动，返回值将是正数；如果鼠标向左移动，返回值将是负数。

根据Unity官方文档 - Input.GetAxis的说明，这里要强调的是：Input.GetAxis返回由axisName标识的虚拟轴的值（没说是增量）

对于键盘和操纵杆输入设备，该值将在 $[- 1, 1]$ 的范围内。

如果将轴映射到鼠标，则值会有所不同，并且不会在 $[- 1, 1]$ 的范围内。相反，它将是当前鼠标增量乘以轴灵敏度。通常，正值表示鼠标向右/向下移动，负值表示鼠标向左/向上移动。

这与帧速率无关；使用此值时，不需要担心帧速率的变化。

相机代码及解析

基本代码

using UnityEngine;

public class CameraController: MonoBehaviour
{
    [Tooltip("the object that camera look at")]
    public Transform targetObject;  // 指定的物体
    public float distance = 5.0f;   // 相机距离

    public float rotationSpeed = 2.0f;  // 旋转速度

    private float currentRotationX = 0.0f;
    private float currentRotationY = 0.0f;

    void Start()
    {
        if (targetObject == null)
        {
            Debug.LogError("Please assign a target object to the CameraManager script.");
        }
    }

    void Update()
    {
        // 获取鼠标输入
        float mouseX = Input.GetAxis("Mouse X");
        float mouseY = Input.GetAxis("Mouse Y");

        // 计算旋转角度，单位是度
        currentRotationX -= mouseY * rotationSpeed;
        currentRotationY += mouseX * rotationSpeed;

        // 限制垂直旋转角度在-90到90度之间
        currentRotationX = Mathf.Clamp(currentRotationX, -90.0f, 90.0f);

        // 计算相机位置
        Vector3 direction = new Vector3(0, 0, -distance);
        Quaternion rotation = Quaternion.Euler(currentRotationX, currentRotationY, 0);
        Vector3 cameraPosition = targetObject.position + rotation * direction;

        // 应用相机位置和旋转
        transform.position = cameraPosition;
        transform.LookAt(targetObject.position);
    }
}

主要先旋转相机，再通过LookAt方法使之朝向人物就完事了。所以核心就是计算相机位置的三行代码（如下）。

// 计算相机位置
Vector3 direction = new Vector3(0, 0, -distance);
Quaternion rotation = Quaternion.Euler(currentRotationX, currentRotationY, 0);
Vector3 cameraPosition = targetObject.position + rotation * direction;

Quaternion×Vector3的意义：四元数×三维向量会得到一个新的Vector3，表示旋转后的新方向。

首先定义了一个叫做direction的三维向量，这里说实话我本身没想明白，困扰了很久。
在这里插入图片描述
（上图略去了y轴）

但是我查了一下，一个局部坐标系的Vector3变量乘以一个世界坐标系表示旋转操作的四元数，其结果是世界坐标系的Vector3变量。

那这样就好理解了，这个direction不是世界坐标系的（不是图中红色箭头），而是上图那个局部坐标系的，它代表了一个从相机朝向目标物体的一个向量，尽管相机是时刻移动的（相应地这个局部坐标系在全局坐标系的位置和方向也在变），但是乘完之后总是能得到一个全局的、经过旋转变换之后的量。

延伸1：Unity默认局部坐标系的Z轴是对象的前方（朝向），X轴是右方，Y轴是上方。

延伸2：在Quaternion乘法中，顺序很重要，因为乘法是不符合交换律的。

相比之下一种看似正确实则错误的写法是如下这种（显然是没理解direction到底是啥）：

// 计算相机位置
Vector3 direction = new Vector3(0, 0, -distance);
Quaternion rotation = Quaternion.Euler(currentRotationX, currentRotationY, 0);
Vector3 globalOffset = camTransform.TransformPoint(rotation * direction);
Vector3 cameraPosition = targetObject.position + globalOffset;

碰撞检测与SpringArm

碰撞检测和弹簧臂是相辅相成的。

如果游戏环境中有障碍物，就得考虑实现碰撞检测，以防止相机穿过物体。（通常需要使用Raycast来检查相机和目标之间的障碍物）。但是硬生生直接变化相机和人物的距离有些生硬，所以还要实现弹簧臂。

弹簧臂的基本原理是将相机连接到一个虚拟的弹簧臂结构上，这个结构允许相机在跟随目标的同时保持一定的弹性。弹簧臂可以有一定的长度，角度和阻尼参数，使相机能够在目标移动时更加平滑地跟随。

在Unity中，可以使用SpringJoint或编写自定义的弹簧臂逻辑来实现这一点。弹簧臂常见的实现及其优缺点如下：

Transform.Lerp:
- 优点：
  - 实现简单，易于理解。
  - 不需要额外的组件或配置。
- 缺点：
  - 在快速移动的情况下，可能会感觉到迟滞，因为它只是简单地进行线性插值，可能无法捕捉到加速和减速的变化。
SpringJoint组件:
- 优点：
  - 使用物理引擎，可以产生更真实的弹簧效果。
  - 不需要手动编写平滑插值逻辑。
- 缺点：
  - 对性能的影响较大，特别是在移动的物体较多的情况下。
  - 需要调整SpringJoint的参数来获取理想的效果，这可能需要一些调试工作。
Vector3.SmoothDamp:
- 优点：
  - 提供更高级的平滑插值算法，能够更好地处理加速和减速。
  - 相比Lerp，更适合处理相机跟随玩家运动的场景。
- 缺点：
  - 可能需要调整参数以适应不同的场景。
  - 对于初学者来说，可能需要一些时间来理解其工作原理。

有时候也可以结合多个方法，根据不同的情况使用不同的技术。例如，在高速移动时使用Vector3.SmoothDamp，在需要物理效果时使用SpringJoint。

碰撞检测实现

using UnityEngine;

public class CameraController: MonoBehaviour
{
    [Tooltip("the object that camera look at")]
    public Transform targetObject;  // 指定的物体
    [Tooltip("the distance that from the camera to the target")]
    public float distance = 5.0f;   // 相机距离
    [Tooltip("碰撞检测平滑过渡的时间")]
    public float smoothTime = 0.3f;
    [Tooltip("相机碰撞检测的层")]
    public LayerMask obstacleLayer;
    public float rotationSpeed = 2.0f;  // 旋转速度

    // camera rotate
    private float currentRotationX = 0.0f;
    private float currentRotationY = 0.0f;
    private Transform camTransform;
    // SpringArm
    private Vector3 velocity = Vector3.zero;

    void Start()
    {
        if (targetObject == null)
        {
            Debug.LogError("Please assign a target object to the CameraManager script.");
        }
        camTransform = GetComponent<Transform>();
    }

    void Update()
    {
        // 获取鼠标输入
        float mouseX = Input.GetAxis("Mouse X");
        float mouseY = Input.GetAxis("Mouse Y");

        // 计算旋转角度，单位是度
        currentRotationX -= mouseY * rotationSpeed;
        currentRotationY += mouseX * rotationSpeed;

        // 限制垂直旋转角度在-85到85度之间
        currentRotationX = Mathf.Clamp(currentRotationX, -85.0f, 85.0f);

        // 计算相机位置
        Vector3 direction = new Vector3(0, 0, -distance);
        Quaternion rotation = Quaternion.Euler(currentRotationX, currentRotationY, 0);
        Vector3 desiredCameraPosition = targetObject.position + rotation * direction;

        // 进行碰撞检测并调整相机位置
        RaycastHit hit;
        if (Physics.Raycast(targetObject.position, desiredCameraPosition - targetObject.position, out hit, distance, obstacleLayer))
        {
            // 如果碰撞到障碍物，调整相机位置
            Vector3 adjustedCameraPosition = hit.point;
            transform.position = Vector3.SmoothDamp(transform.position, adjustedCameraPosition, ref velocity, smoothTime);
        }
        else
        {
            // 如果没有碰撞，直接移动相机到目标位置
            // 这里也可以使用SmoothDamp，但是效果有些怪
            transform.position = desiredCameraPosition;
        }
        // 应用相机旋转
        transform.LookAt(targetObject.position);
    }
}