【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。

        在凸镜成像原理中，存在公式：，其中  分别为物距、相距、焦距，当焦距固定时，物距和相距近似反比。在 Unity3D 透视成像中，不存在焦距的概念，因此可以假设旋转中心到近平面的距离和相机到近平面的距离成反比。笔者通过多此实验，验证该结论近似正确。

        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

    void Start() {
        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(mouseIconPath[i]);
        }
        cam = Camera.main.transform;
        nearPlan = Camera.main.nearClipPlane;
    }

    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();
        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() { // 获取旋转中心
        return cam.position + cam.forward * (nearPlan + 1 / nearPlan);
    }
}

        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：