【案例设计】Free Camera 设计与实现思路
开发平台：Unity 2020
编程平台：Visual Studio 2020
前言
在游戏世界中，摄像机作为最常见、最常使用的 Component 或 GameObject 对象。经常因为项目开发类型，在原基础上进行二次开发。例如 RTS建造游戏、即时战略、模拟现实等需要第三人称摄像机（TP）。枪战对抗、恐怖解密等需要第一人称摄像机（FP）。必须时，如《坦克世界》、《战地风云》等经典游戏需要 TP、FP 两者的结合。本文主要探究 Camera Component 的基础上实现 TP 效果。
注意：Unity 在如今的版本中推广 Ciniemachine 工具包。强化了 Camera 的使用效率、呈现效果。本文不使用该工具包实现。
思考：Transform 与 Vector 的关系与区别
摄像机的移动 关联 Unity 编辑器中的 Transform 组件信息。该组件用于定义与管理 GameObject 在世空间的位置信息。在游戏中，寄希望于通过不同角度获取虚拟世界中不同角度下的视觉体验。对 Transform 必须有较好的理解与认知。如下示意图所示：
通过上视图，可以总结出以下几点：
1）世界空间是以 Vector 系组建而成。且方向固定，各轴面互垂直。
2）Transform 定义的前后左右方向在世界空间下不固定。即以所见方向为前向。
思考：Quaternion 与 EulerAngles 的关系与区别
四元数（Quaternion）：在 Unity 引擎中，统一使用四元数（Quaternion）实现对 GameObject 的旋转。
特点：四元数具备不受 万向锁 影响的特点。
备注：默认下面板中 Rotation 使用的是 Quaternion数据类型变量。
相关API：Unity 建议使用 *= 方式实现旋转方式。（四元数值累加与 + 无关）
欧拉角（EulerAngle）：围绕固定的 X Y Z 轴进行旋转移动。
特点：各轴值变化互不影响。但同时变化多轴值出现 万向锁 情况影响。
备注：默认为面板上具体的数值信息。（非归一化 Quaternion）使用transform.eulerAngles获取关于 X Y Z 轴轴值。
相关API：transform.Rotate() - Unity 封装的基于 EulerAngles 实现的旋转方式。
◼ 关于 EulerAngles 轴值限定范围问题的分析与解决方案
值得注意的是 EulerAngles 的范围区间在 [0, 360]。即超过或低于范围内的数据将转换至范围内的相对数据值。例如 470° = 110°、-60° = 300°等情况。对 Inspector 面板有所了解的会注意到，任意的改变 Rotation 变量值均不会出现被处理至 [0, 360] 区间的范围。即是多少 = 值多少（这里值不为度数）。
有时候为限制 EulerAngles 中具体某个轴值范围易出现问题，例如 限制 [-60, 60]，实际上做不到区间 [-60, 0) 的限制。于是在 Inspector 面板上虽然显示数值 -50。但实际其欧拉角大小为（- 50 + 360）= 310。在实际操作中，其度数的变化是基于X正半轴顺时针开始计算角度值。为实现负数角度的限制，使用以下示例代码逻辑：
public float ClampEulerAngles(float eulerAnglesValue)
{
var value = eulerAnglesValue <= 180 ? eulerAnglesValue : enlerAnglesValue - 360;
return value;
}
使用该方法对EulerAngles数值检测负数范围，再通过Mathf.Clamp()对值域范围进行限制，并重新赋值至EulerAngles或Rotation属性上。
思考：Global 与 Local 两种环境下的数据差异
全局坐标：基于世界坐标轴（世界正前方、正右方、正上方）
局部坐标：基于自身坐标轴（自身正前方、正右方、正上方）
辅助理解：Transform 与 Vector3 = 世界坐标 与 自身坐标
◼ 其他
在 Unity 中，为区别 Global 与 Local 两个环境下的数据。提供 position/localPositon、eularAngles/localEulerAngles等变量加以区别使用。 更多参考 Unity 官方中文文档对 API 的介绍。
思考：固定平面 与 自由平面 的区别
问：什么是固定平面？
答：锁定 X Y Z 任意轴组合下的相机自由移动。其锁轴组合方式分为 单锁 与 组合锁 供两种方式。（可理解为在固定平面上移动，任何移动都无法离开限定的平面上）
问：什么是自由平面？
答：跨维度变换（2D - 3D）。允许 XYZ 轴值任意组合或单个变换。（无轴平面限制）
public enum LockAxisMode {
None,
OnlyX, OnlyY, OnlyZ,
OnlyXY, OnlyXZ, OnlyYZ,
All,
}
在程序设计上，为区别各类型采取 Enum（枚举）作出限定与锁轴设计。用于在执行 Translate / Rotate / Scale 前的判断。即若使用自由平面使用 LockAxisMode.None，若禁用 Free Camera 的使用，选择 LockAxisMode.All 或禁用该逻辑组件即可。
实践：空间移动 Translate
Free Camera 移动是实现的首要。前后左右上下共计6个方向的位置偏移。根据期望效果方式，其大致的移动效果可总结为3种移动模式。
- 固定平面移动：例如在同一面上的水平面移动。
参考游戏：《模拟城市》、《红色警戒》、《王者荣耀》 - 基于水平面的自由向移动：在固定平面移动基础上，添加垂直平面上的自由移动方式。
参考游戏：《Battlefiled》、《CSOL》、《CSGO》 中死亡玩家的自由活动相机模式。 - 全自由度移动：没有固定的平面方向，以自我为中心的前后左右上下。
参考案例：太空失重环境下的宇航员。
◼ 关联参数
- 按键绑定：前进、后进、左进、右进、上升、下降。
问题原因：
1）用户操作习惯上不同，需要对按键进行调整。
2）避免或快速解决 “一绑键，多响应” 的问题。 - 移动速度：世界空间下 XYZ轴（Vector3） 移动速度
问题原因：客户需求某一操作的速度变快。
解决方法：参考 Unity 在 2019版本后提供的 可调节变速 与 过渡移速补值。（描述或不准确） - 轴向固定：不期望于部分行为操作可用。例如 仅禁用、禁用部分或全禁用 前后移动 左右移动 上升下降。
◼ 固定平面移动
public void DoTranslate()
{
//transform.position += moveDir * Time.deltaTime;
transform.Translate(moveDir * Time.deltaTime, Space.World);
}
- Unity API 提供了
transform.Translate()，其原理等价于transform.position += ...。
唯一区别点在于Space空间不同。上图两行代码的运行效果是相同的。 - Free Camera 运动方向完全按照世界空间下的 Vector3 前后左右上下方向移动。为避免出现 90°横向 所导致的移动轨迹与按钮反馈的体验度差问题。通常选择基于 Free Camera 朝向进行水平面方向计算，以让用户前后左右的移动与画面呈现相匹配。
- 在进行水平运动方向的计算中，按照公式：
前进/后退 方向 = 相机朝向（transform.forward）至Local水平坐标系方向前进的公式（该过程称为 “投影”）
其他说明：在 Unity API 中分别提供 Project()、ProjectOnPlane() 两种投影计算方式。其中三维世界中，向量至水平面的投影方向多使用第二种方式。经过 投影 + 归一化 的处理过程。得到 Free Camera 的运动方向。
public Vector3 GetForward(Vector3 forward)
{
return Vector3.ProjectOnPlane(forward, Vector3.up).normalized;
}
◼ 基于水平面的自由向移动
- 与 固定平面移动 大同小异。其主要不同之处在于 运动方向（前后）是按照自身
transform.forward方向进行。
可理解为 头脑转动到任意角度下，双眼正视前方的方向轨迹运动。（这类设计在 FP 上具有相当程度的体现）
◼ 全自由移动
- 无固定平面，其运动方向完全基于自身（
transform） 前后左右。仅从移动上，无法体现出其自由度。于是加入Rotation后，其三者的表现就清晰明了。
实践：空间旋转 Rotate
在 Unity 中，实现物体的旋转通常是依赖于 Inspector 面板直接修改Rotation属性，或程序中调用transform.eulerAngles或transform.rotation进行重赋值行为。转动方向有助于改变 Translate 运动方向。按照其实现思路大致可有以下两种方式：
- 欧拉角：围绕固定的X Y Z轴进行旋转（该轴可是 世界坐标轴 或是 局部坐标轴）
- 四元数：按照 X Y Z W 共四个参数值进行计算。Unity 统一使用该类型实现旋转（见前文）。
◼ 关联参数
- 旋转水平面：基于世界水平面 or 自身视线水平面
- 旋转角度限制：垂直方向上仰角、俯角
- 旋转灵敏度：即 X Y轴鼠标灵敏度
◼ 基于 四元数 的旋转
四元数按照 d + ai + bj + ck（a、b、c、d 均为常数）存在。
public void DoRotate() => transform.rotation *= Quaternion.Euler(new Vector3(x, y ,z));
Quaternion.Euler()：将Vector3类型转换为Quaternion类型。- 在 全自由移动 下的表现，是完全基于自身方向进行。如果刻意控制其左右转向围绕水平面方向进行，则其最后需添加
transform.rotation = Quaternion.Euler(new Vector3(transform.rotation.x, transform.rotation.y, 0f))进行坐标处理即可。
◼ 基于 欧拉角 的旋转
public void DoRotate()
{
//transform.eulerAngles += new Vector3(x, y, z);
transform.Rotate(new Vector3(x, y, z));
}
- 实质上该方法即 Unity API 中
transform.Rotate()方法原理。即可使用transform.Rotate(new Vector3(x, y, z))进行表示。 - 同理于 四元数 实现左右转向围绕水平面方向进行，应使用
transform.enlerAngles = new Vector3(tranform.eulerAngles.x, transform.eulerAngles.y, 0f);进行角度重置。即使传入的值为负数，在 EulerAngles 中会处理至[0, 360]值范围内。
特别的：transform.enlerAngles.x 这类具体到特定值上，在开发过程中无法直接修改该值以实现角度限制。则应追溯至上一层级进行数据类型赋值。
实践：视距缩放 Scale
实现画面的放大与缩小效果，类似放大镜的作用。在 Unity 中这类实现方法无疑是将 Free Camera 沿 transform.forward 方向进行偏移。 当然，在一定范围内，使用 Camera.fieldOfView 属性进行值修改可达到同样的效果。其原理即是降低视野范围。
◼ 关联参数
- 缩放阻尼：过渡效果（在移动、旋转中 亦可考虑添加）
关联词Lerp() - 缩放速率：同距离下的最快移动速度。
◼ 基于 fieldOfView 的缩放
public void DoScale()
{
var valueEnd = Input.mouseScrollDelta.y >=0f ? 20f : 60f;
_Camera.fielfOfView = Mathf.Lerp(_Camera.fieldOfView, valueEnd, 1f);
}
Mathf.Lerp()：插值过程，此处描述为1s内完成当前值至valueEnd值的变化。- 弊端：当值变化过于极端的情况下，画面视野扭曲程度较高，与实际放大缩小充满违和感。
◼ 基于 位置变化 的缩放
public void DoScale()
{
var moveDir = transform.forward * Input.mouseScrollDelta.y * Time.deltaTime;
_Camera.transfrom.position += moveDir;
//_Camera.transform.Translate(moveDir);
}
其他实现层面：
- 添加
Aim模式，修改缩放策略。有时候期望于仅放大观察物体表面内容，则可使用Physics.RayCasst()物理射线检测对象（或由点击行为绑定的 GameObject 信息）。
按照 （目标 至 主摄像机 的距离）* 0.5f 进行移动效果（或使用插值），以达到无限接近目标位置。但未穿过目标。
小结
Free Camera 的应用环境广泛，也是入门级学习的典型案例。理解与深析是认识三维虚拟世界的重要点。
◼ 可优化措施
- 使用
ScriptableObject创建配置参数。 - 推荐配合 Cinemachine 工具包拓展 Free Camera 功能设计。
- 代码结构上，划分 主逻辑（移动 旋转 缩放）、助理（转换方法、枚举）、可配置（持久化数据）。切忌整合在同一脚本下，增加阅读难度。
- 扩展设计 Free Camera 的三维空间运动范围，限制其在某些区域内的移动。