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一、前言
在做虚拟仿真或数字孪生等项目中，常常会遇到需要自由移动视角的场景。最近在用unity制作一个有关3D打印机的数字孪生项目时遇到了这种情况，本文将结合unity和blender的视角移动功能，介绍一个类似这两个软件的视角移动的方法。
二、Transform基础
Unity3D中的Transform组件是每个GameObject对象都有的组件，它控制着对象的位置、旋转和缩放。 在介绍视角移动前，本文将先介绍transform的position、rotation两个属性和unity中的坐标系。
1、几种坐标系
在unity中常见的有两种坐标系，分别是全局坐标（World Space）和局部坐标（Local Space），在unity场景窗口（Scene）中可以切换这两种坐标系，如图所示：
全局坐标：也称为世界坐标，表示物体在场景中的绝对位置和方向。全局坐标是相对于场景的原点（0,0,0）而言的。
局部坐标：也称为相对坐标，表示物体相对于其父物体的位置和方向。局部坐标是相对于父物体的原点（0,0,0）而言的。
2、position和localPosition属性
position和localPosition都是三维向量（Vector3），前者用于描述物体在场景中的绝对位置，即相对于世界原点的位置；后者描述物体相对于其父级对象的位置，以父物体为原点。
在没有设置父物体时，Transform.position和Transform.localPosition的值相同，都等于物体的全局坐标。
当物体P被设为物体Q的子物体时，物体P的Transform.localPosition表示与父物体Q的相对位置，当只改变父物体Q的Transform.position时，子物体P将跟随父物体Q移动，因此子物体P的Transform.position随物体Q改变，然而子物体P相对于父物体Q的相对位置不变，所以子物体P的Transform.localPosition保持不变。
值得一提的是，在unity的检查器（Inspector）面板的Transform组件中，所显示的position为localPosition，对于无父物体的物体而言，其代表全局（世界）坐标，对于有父物体的物体而言，则表示两者的相对位置。
3、rotation属性
和描述位置的属性一样，描述旋转的属性也分为rotation和localRotation。它是一个四元数（Quaternion）。rotation与localRotation的关系和position与localPosition一样，这里就不多做赘述。不过值得注意的一点是，在unity中文文档中提到：
“请勿尝试编辑/修改 rotation。”
“要旋转 Transform，请使用 Transform.Rotate，它将使用欧拉角。”
三、摄像机的平移
在unity场景窗口中我们可以按住鼠标滚轮进行平移，而在blender中我们可以按住左Shift+鼠标滚轮平移视角，除此之外，在unity中也可以通过键盘上下左右键控制视角移动。而在项目中，我们将尝试控制摄像机平移模仿上述效果。
1、键盘控制平移
键盘控制平移的代码非常简单，不过在此之前应该在unity的项目设置（Project Setting）中设置好输入管理器（Input Manager）。如下图所示：
在脚本分别调用Input.GetAxis("Vertical")和Input.GetAxis("Horizontal")将返回一个float值，由于类型设置为“Key or Mouse Button”，则返回-1、0、1三个值。
当按下键盘W或者↑键时Input.GetAxis("Vertical")将返回1，按下S或者↓键时将返回-1，不按任何键将返回0；同理当按下D或→键时Input.GetAxis("Horizontal")将返回1，按下A或者←键时将返回-1，不按则返回0。
根据这个属性可得到控制平移的代码：
float moveZ = Input.GetAxis("Vertical") * moveSpeedWithKeyBoard * Time.deltaTime; float moveX = Input.GetAxis("Horizontal") * moveSpeedWithKeyBoard * Time.deltaTime; transform.position += transform.forward * moveZ + transform.right * moveX;
2、鼠标控制平移
我将用按下滚轮拖动鼠标的方式控制摄像机上下左右平移，滚动滚轮控制前后平移。
首先是前后移动，确保你的输入管理器（Input Manager）设置如图所示：
通过调用Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel")获取前后移动的值，同样这个函数将返回一个float值，滚轮向前滚为正，向后为负。代码如下：
float MouseScroll = Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") * moveSpeedWithScroll * Time.deltaTime; transform.position += transform.forward * MouseScroll;
然后是上下左右移动 ，当鼠标滚轮按下时获取鼠标在xy轴移动的值：
if (Input.GetMouseButton(2)) { float moveX = -Input.GetAxis("Mouse X") * moveSpeedWithMouse * Time.deltaTime; float moveY = -Input.GetAxis("Mouse Y") * moveSpeedWithMouse * Time.deltaTime; transform.position += transform.right * moveX + transform.up * moveY; }
3、整合
综合上述，不难发现这几段代码的相似之处：接收来自鼠标或键盘的输入并算出摄像机在forward、right、up三个方向上的移动值，再乘以对应的方向向量并加到相机的位置上，因此可以整合成以下函数：
/// <summary> /// 相机移动 /// </summary> public void Move() { float moveX = 0; float moveY = 0; float moveZ = 0; // 接收键盘输入 moveZ = Input.GetAxis("Vertical") * moveSpeedWithKeyBoard * Time.deltaTime; moveX = Input.GetAxis("Horizontal") * moveSpeedWithKeyBoard * Time.deltaTime; // 接收滚轮输入 moveZ = Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel") * moveSpeedWithScroll * Time.deltaTime; // 接收鼠标输入 if (Input.GetMouseButton(2)) { moveX = -Input.GetAxis("Mouse X") * moveSpeedWithMouse * Time.deltaTime; moveY = -Input.GetAxis("Mouse Y") * moveSpeedWithMouse * Time.deltaTime; } // 控制移动 transform.position += transform.forward * moveZ + transform.right * moveX + transform.up * moveY;}
四、摄像机的旋转
常见的摄像机旋转有两种，即摄像机自身旋转和摄像机绕目标物体旋转。在unity的场景窗口中按住鼠标滚轮为绕自身旋转，按住左Alt+鼠标左键时绕选中物体旋转。下面我们将尝试做出上述效果。
1、绕自身旋转
绕自身旋转的思路很简单，只需要获取鼠标输入并更改摄像机自身的旋转。代码如下：
if (Input.GetMouseButton(0)) { float rotateX = Input.GetAxis("Mouse X") * rotateSpeed * Time.deltaTime; float rotateY = Input.GetAxis("Mouse Y") * rotateSpeed * Time.deltaTime; Vector3 eulerAngles = transform.eulerAngles; eulerAngles.y += rotateX; eulerAngles.x -= rotateY; transform.eulerAngles = eulerAngles; }
2、绕目标物体旋转
绕目标物体转动较为复杂，需要同时改变position和rotation的值。首先确定目标物体，再改变position值，这个过程和上文的鼠标控制平移一样，接下来需要改变rotation的值确保摄像机始终面向目标物体，只需调用transform.LookAt()函数即可。
当然使用上述方法可以粗略实现围绕旋转，但是依旧有个小问题，就是摄像机会在旋转的过程中逐渐远离目标物体，原因是我们每次改变position的值都将增加一点二者之间的距离（根据三角形的斜边大于直角边的原理），而后面的步骤没有抵消掉这个距离变化。
所有在以上步骤之后还应矫正一下距离，将摄像机的位置在目标物体的方向上移动至距离不变的位置，最终的代码如下：
if (Input.GetMouseButton(1)) { float rotateX = Input.GetAxis("Mouse X") * rotateSpeed * Time.deltaTime; float rotateY = Input.GetAxis("Mouse Y") * rotateSpeed * Time.deltaTime; float distance = Vector3.Distance(target.transform.position, transform.position); transform.position += transform.right * -rotateX + transform.up * -rotateY; transform.LookAt(target.transform); transform.position = target.transform.position + -transform.forward * distance; }
3、整合
同样的，我们将以上两段代码整合封装成函数，可以得到以下代码：
/// <summary> /// 相机旋转 /// </summary> public void Rotate() { //接收输入 float rotateX = Input.GetAxis("Mouse X") * rotateSpeed * Time.deltaTime; float rotateY = Input.GetAxis("Mouse Y") * rotateSpeed * Time.deltaTime; // 绕自身旋转 if (Input.GetMouseButton(0)) { Vector3 eulerAngles = transform.eulerAngles; eulerAngles.y += rotateX; eulerAngles.x -= rotateY; transform.eulerAngles = eulerAngles; } // 绕喷头旋转 if (Input.GetMouseButton(1)) { float distance = Vector3.Distance(target.transform.position, transform.position); transform.position += transform.right * -rotateX + transform.up * -rotateY; transform.LookAt(target.transform); transform.position = target.transform.position + -transform.forward * distance; } }
五、优化功能
1、调整速率
上述方法中，移动的速率是不变的，这样可能会导致当摄像机离物体很远时会显得移动很慢，离物体很近时会显得太快，可以写一个函数，根据距离目标物体的远近自动调整速率或许可以获得更好的手感。
2、切换目标物体
上述方法中没有提到目标物体的切换与选择，可以添加一个功能，通过鼠标点击选中游戏中的对象作为目标物体围绕旋转，切换目标只需选择其他对象即可。
3、设置常用摄像机观察点
在实际项目中，可设置几个常用的摄像机机位，用户可通过快捷键快速切换到该位置观察。例如在3D打印机的仿真中，可以在打印机窗口前设置一个观察点来模拟实际中用户观察3D打印机的视角。
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