【Unity3D】缩放、平移、旋转场景

1 前言

        场景缩放、平移、旋转有两种实现方案，一种是对场景中所有物体进行同步变换，另一种方案是对相机的位置和姿态进行变换。

        对于方案一，如果所有物体都在同一个根对象下（其子对象或孙子对象），那么只需要对根对象施加变换就可以实现场景变换；如果有多个根对象，那就需要对所有根对象施加变换。该方案实现简单，但是会破坏场景中对象的尺寸、位置、姿态，不符合现实世界的规则。如：对场景施加缩放变换后，又新增了一个对象，但是该对象不是放在同一个根目录下，就会让用户感觉新增对象的尺寸超出意外；如果有多个根对象，就会存在多个参考系（每个根对象一个参考系），增加场景中对象的控制难度。

        对于方案二，通过变换相机的位置和姿态，让用户感觉场景中所有对象在同步缩放、平移、旋转。该方案实现较困难，但是不会破环场景中对象的尺寸、位置、姿态，更贴近真实世界的规则，也不需要将所有对象都放在同一个根对象下。

        方案二明显优于方案一，本文将详细介绍其原理和实现。原理如下：

        1）场景缩放原理

        利用相机的透视原理（详见→透视变换原理），即相机拍摄到的图片呈现近大远小的效果，将相机靠近和远离场景，从而实现放大和缩小场景的效果。

        2）场景平移原理

        相机成像是在近平面上，如果扩展近平面的范围，相机拍摄的范围也就越大，将近平面平移到相机位置上，记为平面 S，将相机在 S 平面上平移，就会实现场景平移效果。

        3）场景旋转原理

        在 Unity3D Scene 窗口，通过按 Alt 键 + 鼠标拖拽，可以旋转场景。场景旋转包含两种情况，鼠标沿水平方向拖拽、鼠标沿竖直方向拖拽。

        当鼠标沿水平方向拖拽时，笔者通过多次实验观察，发现如下规律：当场景缩放到某个值时，旋转场景时，屏幕中心位置的物体（在相机的正前方）在场景旋转过程中始终处在屏幕中心，并且旋转轴的方向始终是 Y 轴方向。因此可以得出结论：旋转中心在相机正前方（forward），旋转轴沿 Y 轴方向。

        旋转中心的 y 值最好与地图的 y 值相等，如果场景中没有地图，可以取旋转中心为：cam.position + cam.forward * (nearPlan + 1 / nearPlan)，当然，用户也可以取其他值。已知旋转中心的 y 值，可以按照以下公式推导出 x、z 值：

        当鼠标沿竖直方向拖拽时，旋转中心在相机位置，旋转轴沿相机的左边（-right）。

        本文代码资源见→缩放、平移、旋转场景。

2 代码实现

        SceneController.cs

using UnityEngine;
 
public class SceneController : MonoBehaviour {
    private Texture2D[] cursorTextures; // 鼠标样式: 箭头、小手、眼睛
    private Transform cam; // 相机
    private float nearPlan; // 近平面
    private Vector3 preMousePos; // 上一帧的鼠标坐标
    private int cursorStatus = 0; // 鼠标样式状态
    private bool isDraging = false; // 是否在拖拽中
 
    private void Awake() {
        string[] mouseIconPath = new string[]{"MouseIcon/0_arrow", "MouseIcon/1_hand", "MouseIcon/2_eye"};
        cursorTextures = new Texture2D[mouseIconPath.Length];
        for(int i = 0; i < mouseIconPath.Length; i++) {
            cursorTextures[i] = Resources.Load<Texture2D>(mouseIconPath[i]);
        }
        cam = Camera.main.transform;
        Vector3 angle = cam.eulerAngles;
        cam.eulerAngles = new Vector3(angle.x, angle.y, 0); // 使camp.right指向水平方向
        nearPlan = Camera.main.nearClipPlane;
    }
 
    private void Update() {
        cursorStatus = GetCursorStatus();
        // 更新鼠标样式, 第二个参数表示鼠标点击位置在图标中的位置, zero表示左上角
        Cursor.SetCursor(cursorTextures[cursorStatus], Vector2.zero, CursorMode.Auto);
        UpdateScene(); // 更新场景(Ctrl+Scroll: 缩放场景, Ctrl+Drag: 平移场景, Alt+Drag: 旋转场景)
    }
 
    private int GetCursorStatus() { // 获取鼠标状态(0: 箭头, 1: 小手, 2: 眼睛)
        if (isDraging) {
            return cursorStatus;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftControl) || Input.GetKey(KeyCode.LeftControl)) {
            return 1;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftAlt) || Input.GetKey(KeyCode.LeftAlt)) {
            return 2;
        }
        return 0;
    }
 
    private void UpdateScene() { // 更新场景(Ctrl+Scroll: 缩放场景, Ctrl+Drag: 平移场景, Alt+Drag: 旋转场景)
        float scroll = Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel");
        if (!isDraging && cursorStatus == 1 && Mathf.Abs(scroll) > 0) { // 缩放场景
            ScaleScene(scroll);
        } else if (Input.GetMouseButtonDown(0)) {
            preMousePos = Input.mousePosition;
            isDraging = true;
        } else if (Input.GetMouseButtonUp(0)) {
            isDraging = false;
        } else if (Input.GetMouseButton(0)) {
            Vector3 offset = Input.mousePosition - preMousePos;
            if (cursorStatus == 1) { // 移动场景
                MoveScene(offset);
            } else if (cursorStatus == 2) { // 旋转场景
                RotateScene(offset);
            }
            preMousePos = Input.mousePosition;
        }
    }
 
    private void ScaleScene(float scroll) { // 缩放场景
        cam.position += cam.forward * scroll;
    }
 
    private void MoveScene(Vector3 offset) { // 平移场景
        cam.position -= (cam.right * offset.x / 100 + cam.up * offset.y / 100);
    }
 
    private void RotateScene(Vector3 offset) { // 旋转场景
        Vector3 rotateCenter = GetRotateCenter(0);
        cam.RotateAround(rotateCenter, Vector3.up, offset.x / 3); // 水平拖拽分量
        cam.LookAt(rotateCenter);
        cam.RotateAround(rotateCenter, -cam.right, offset.y / 5); // 竖直拖拽分量
    }
 
    private Vector3 GetRotateCenter(float planeY) { // 获取旋转中心
        if (Mathf.Abs(cam.forward.y) < float.Epsilon || Mathf.Abs(cam.position.y) < float.Epsilon) {
            return cam.position + cam.forward * (nearPlan + 1 / nearPlan);
        }
        float t = (planeY - cam.position.y) / cam.forward.y;
        float x = cam.position.x + t * cam.forward.x;
        float z = cam.position.z + t * cam.forward.z;
        return new Vector3(x, planeY, z);
    }
}

        说明：SceneController 脚本组件挂在相机下，鼠标图标如下，需要放在 Resouses/MouseIcon 目录下， 并且需要在 Inspector 窗口将其 Texture Type 属性调整为 Cursor。

3 运行效果

         通过 Ctrl+Scroll 缩放场景，Ctrl+Drag 平移场景，Alt+Drag 旋转场景 ，效果如下：

4 优化

        第 2 节中场景变换存在以下问题，本节将对这些问题进行优化。

• 竖直方向平移场景时，会抬高或降低相机高度；
• 竖直方向旋转场景时，如果相机垂直朝向地面，就会出现窗口急速晃动问题，因为旋转中心出现了跳变。

        针对问题一，将相机的上方向量（camera.up）投影到水平面上，再用投影向量计算相机前后平移的偏移量。

        针对问题二，使用一个全局变量实时保存并更新旋转中心的位置，并通过相机周转和自传（两者旋转角度和方向相等）实现水平和竖直方向旋转场景，避免使用 LookAt，因为相机不一定一直朝向旋转中心（如：相机焦点不在地图里）。

        SceneController.cs

using UnityEngine;

public class SceneController : MonoBehaviour {
    private const float MAX_HALF_EDGE_X = 5f; // 地图x轴方向半边长
    private const float MAX_HALF_EDGE_Z = 5f; // 地图z轴方向半边长
    private Texture2D[] cursorTextures; // 鼠标样式: 箭头、小手、眼睛
    private Transform cam; // 相机
    private float planeY = 0f; // 地面高度
    private Vector3 rotateCenter; // 旋转中心
    private Vector3 focusCenter; // 相机在地面上的焦点中心
    private bool isFocusInMap; // 相机焦点是否在地图里
    private Vector3 preMousePos; // 上一帧的鼠标坐标
    private int cursorStatus = 0; // 鼠标样式状态
    private bool isDraging = false; // 是否在拖拽中

    private void Awake() {
        string[] mouseIconPath = new string[] { "MouseIcon/0_arrow", "MouseIcon/1_hand", "MouseIcon/2_eye" };
        cursorTextures = new Texture2D[mouseIconPath.Length];
        for (int i = 0; i < mouseIconPath.Length; i++) {
            cursorTextures[i] = Resources.Load<Texture2D>(mouseIconPath[i]);
        }
        cam = Camera.main.transform;
        Vector3 angle = cam.eulerAngles;
        cam.eulerAngles = new Vector3(angle.x, angle.y, 0); // 使camp.right指向水平方向
        rotateCenter = new Vector3(0, planeY, 0);
        focusCenter = new Vector3(0, planeY, 0);
    }

    private void Update() {
        cursorStatus = GetCursorStatus();
        // 更新鼠标样式, 第二个参数表示鼠标点击位置在图标中的位置, zero表示左上角
        Cursor.SetCursor(cursorTextures[cursorStatus], Vector2.zero, CursorMode.Auto);
        UpdateScene(); // 更新场景(Ctrl+Scroll: 缩放场景, Ctrl+Drag: 平移场景, Alt+Drag: 旋转场景)
    }

    private int GetCursorStatus() { // 获取鼠标状态(0: 箭头, 1: 小手, 2: 眼睛)
        if (isDraging)
        {
            return cursorStatus;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftControl) || Input.GetKey(KeyCode.LeftControl))
        {
            return 1;
        }
        if (Input.GetKey(KeyCode.LeftAlt) || Input.GetKey(KeyCode.LeftAlt))
        {
            return 2;
        }
        return 0;
    }

    private void UpdateScene() { // 更新场景(Ctrl+Scroll: 缩放场景, Ctrl+Drag: 平移场景, Alt+Drag: 旋转场景)
        float scroll = Input.GetAxis("Mouse ScrollWheel");
        if (!isDraging && cursorStatus == 1 && Mathf.Abs(scroll) > 0) { // 缩放场景
            ScaleScene(scroll);
        }
        else if (Input.GetMouseButtonDown(0)) {
            preMousePos = Input.mousePosition;
            UpdateRotateCenter();
            isDraging = true;
        }
        else if (Input.GetMouseButtonUp(0)) {
            isDraging = false;
        }
        else if (Input.GetMouseButton(0)) {
            Vector3 offset = Input.mousePosition - preMousePos;
            if (cursorStatus == 1) { // 移动场景
                MoveScene(offset);
            }
            else if (cursorStatus == 2) { // 旋转场景
                RotateScene(offset);
            }
            preMousePos = Input.mousePosition;
        }
    }

    private void ScaleScene(float scroll) { // 缩放场景
        cam.position += cam.forward * scroll;
    }

    private void MoveScene(Vector3 offset) { // 平移场景
        Vector3 horVec = Vector3.ProjectOnPlane(cam.right, Vector3.up).normalized;
        Vector3 verVec = Vector3.ProjectOnPlane(cam.up, Vector3.up).normalized;
        cam.position -= (horVec * offset.x / 100 + verVec * offset.y / 100);
    }

    private void RotateScene(Vector3 offset) { // 旋转场景
        float hor = offset.x / 3;
        float ver = -offset.y / 5;
        cam.RotateAround(rotateCenter, Vector3.up, hor); // 相机绕旋转中心水平旋转
        cam.RotateAround(rotateCenter, cam.right, ver); // 相机绕旋转中心竖直旋转
        // 由于transform.RotateAround方法中已经进行了物体姿态调整, 因此以下语句是多余的
        // cam.RotateAround(cam.position, Vector3.up, hor); // 相机自转, 使其朝向旋转中心
        // cam.RotateAround(cam.position, cam.right, ver); // 相机自转, 使其朝向旋转中心
    }

    private void UpdateRotateCenter() { // 更新旋转中心
        UpdateFocusStatus();
        if (!isFocusInMap) {
            return;
        }
        rotateCenter.x = Mathf.Clamp(focusCenter.x, -MAX_HALF_EDGE_X, MAX_HALF_EDGE_X);
        rotateCenter.z = Mathf.Clamp(focusCenter.z, -MAX_HALF_EDGE_Z, MAX_HALF_EDGE_Z);
    }

    private void UpdateFocusStatus() { // 更新焦点状态
        isFocusInMap = true;
        Vector3 vec1 = new Vector3(0, planeY - cam.position.y, 0);
        Vector3 vec2 = cam.forward;
        if (Mathf.Abs(vec1.y) < float.Epsilon || Mathf.Abs(vec2.y) < float.Epsilon) {
            isFocusInMap = false;
            return;
        }
        float angle = Vector3.Angle(vec1, vec2);
        if (angle >= 90) { // 相机在地面以上并且朝天, 或在地面以下并且朝下
            isFocusInMap = false;
            return;
        }
        float t = (planeY - cam.position.y) / vec2.y;
        focusCenter.x = cam.position.x + t * vec2.x;
        focusCenter.z = cam.position.z + t * vec2.z;
        if (Mathf.Abs(focusCenter.x) > MAX_HALF_EDGE_X || Mathf.Abs(focusCenter.z) > MAX_HALF_EDGE_Z) { // 相机焦点不在地图区域内
            isFocusInMap = false;
        }
    }
}