为什么3D游戏相机会抖动？详解Gimbal Lock

当大家在玩3D自由视角的游戏时，如果你向上或者向下看，有时会出现相机突然向某个方向抽搐了一下的情况，这种现象在图形学中有个专有称谓，叫Gimbal Lock （万向节死锁，或叫 环向锁节）
参考视频：Euler (gimbal lock) Explained

首先，我们知道在三维坐标系下，相机可以沿着X, Y, Z三个轴转动，也就是传统的欧拉坐标系旋转。

如图，绿色代表Y轴转动轴，红色代表X轴转动轴，蓝色代表Z轴转动轴

然后，我们转一下Y轴，让箭头朝右

再转一下X轴，让箭头朝上

这时候你会发现Z轴和Y轴的转动轴重合了，你丧失了一个转动轴的自由度。
即：没有一个轴能让箭头直接转向你了。

我们找不到那个灰色的轴，能让箭头直接转向你！
但这并不意味着箭头不能转向你，只是我们需要多个轴同时转，才能让箭头朝向你

X, Y, Z轴同时转动，将箭头朝向你之后，我们发现它的转动轨迹实际上是那个黄色的线。
这个黄色的线并不是让箭头转向你的最短路径，相反，它很绕很扭曲。

这就是为什么3D视角下有时候会出现镜头抽搐的原因：
你想让相机向上看，但它会向左绕一下再朝上。

但有的读者可能会说，我从没遇到过这种情况！
是的，这种情况是可以避免的。
那么，如何解决Gimbal Lock？
答：再加一个维度，即4维的转动。
而这种4维的转动量，我们称其为四元数（Quaternion）

在目前主流的游戏引擎中，都提供了四元数的操作，而且也推荐制作者使用四元数来进行旋转。
四元数可以实现平滑插值，并避免Gimbal Lock，唯一的缺点就是大概有点难理解吧(苦笑
关于它的具体用法，大家可以参考这篇文章