Unity基础（10）-坐标系统

孙寅

发布于 2020-06-02 15:20:26

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发布于 2020-06-02 15:20:26

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01-3D坐标系统

什么是3D坐标系?

3D坐标系是3D游戏开发与VR开发中的基础概念。一般而言3D坐标系都是使用的笛卡尔坐标系来描述物体的坐标信息，笛卡尔坐标系：分为左手坐标系与右手坐标系

笛卡尔坐标

02-Unity中的坐标系统

Unity中使用的是左手坐标系，X轴代表水平方向 horizontal, Y轴代表垂直方向vertical ，Z轴代表深度。Vector3(x,y,z) Unity中坐标系分类：

word Space （世界坐标系）
local Space （局部坐标系）
Screen Space（屏幕坐标系）
viewport （视口坐标）
GUI界面的坐标系

2-1 世界坐标系

世界坐标系：用来描述游戏场景内所有物体位置和方向的基准，Unity场景中创建的物体都是以全局坐标系中的坐标原点（0，0，0）来确定各自的位置。

别名：全局坐标系

全局坐标系

怎么获取游戏对象的世界坐标?

transform.position可以获得该坐标

2-2 局部坐标系

局部坐标系：是相对于父物体来说也就是当两个游戏对象互为父子关系，那么子物体会以父物体的坐标点为自身的坐标原点。如果游戏对象没有父物体,那么会以这个世界的0,0为自身的坐标原点.

别名：物体坐标系，模型坐标系？（有的模型软件并不是如此）

物体坐标系

以父物体为坐标原点

怎么获取游戏对象的局部坐标?

transform.LocalPosition可以获得该局部坐标

2-3 屏幕坐标系

屏幕坐标系：以像素为单位，左下角是（0，0），右上角为（screen.width, screen.height），Z的位置是以相机的世界单位来衡量及物体离相机远近。

怎么获取屏幕坐标系

Input.mousePosition;
Input.GetTouch(0).position;

public Vector3 screenPos;
void Update () {
        screenPos = Input.mousePosition; 
 }

注意点

相机如何渲染物体摄像机对游戏世界的渲染范围是一个平截头体，渲染边界是一个矩形，用与near clippingplane或者far clippingplane平行的平面截取这个平截头体，可以获得无数个平行的矩形面，也就是我们看到的屏幕矩形。离摄像机越远，矩形越大，离摄像机越近，矩形越小。所以，同样大小的物体，随着离摄像机越来越远，相对于对应屏幕矩形就越来越小，所看起来就越来越小。
ScreenToWorldPoint：首先截取一个垂直于摄像机Z轴的，距离为Z的平面P，这样不管X，Y怎么变化，返回的点都只能在这个平面上，参数是一个三维坐标，而实际上，屏幕坐标只能是二维坐标。参数中的z坐标的作用就是：用来表示上述平面离摄像机的距离。X，Y表示像素坐标，根据（X，Y）相对于屏幕的位置，得到游戏世界中的点相对于截面P的位置，也就将屏幕坐标转换为了世界坐标。

2-4 viewport （视口坐标）

视口坐标：视口坐标是标准的和相对于相机的。相机的左下角为（0，0）点，右上角为（1，1）点， Z的位置是以相机的世界单位来衡量的。摄像机分为两种，一种是正交摄像机还有一种是透视摄像机。正交摄像机无论远近它的视口范围永远是固定的，但是透视摄像机是由原点向外扩散性发射，也就是距离越远它的视口区域也就越大。那么我们如何获取距离摄像机任意距离的视口区域呢？如下图所示，分别用红色和黄色两种颜色将计算出来的视口区域标记了出来。

视口坐标

视口坐标的转换

        // 视口坐标到屏幕坐标
        screenPos = Camera.main.ViewportToScreenPoint(cube.transform.position);
        // 屏幕坐标到视口坐标
        viewPos1 = Camera.main.ScreenToViewportPoint(screenPos);
        
        // 视口坐标到世界坐标
        worldPos = Camera.main.ViewportToWorldPoint(cube.transform.position);
        // 世界坐标到视口坐标
        viewPos =Camera.main.WorldToViewportPoint(cube.transform.position);

2-5 GUI界面坐标系

GUI界面坐标系：这个坐标系与屏幕坐标系相似，不同的是该坐标系以屏幕的左上角为（0，0）点，右下角为（Screen.width，Screen.height）。

 private void OnGUI()
    {
        GUILayout.TextArea("顶部框" );
        GUILayout.TextArea("第二个框" );
        GUILayout.TextArea("第三个框：" );
        GUILayout.TextArea("第四个框：" );

        GUI.TextArea(new Rect(0, 400, Screen.width, Screen.height / 5), "整个屏幕宽度与整个屏幕高度为5分之一的框，");
    }

03-局部坐标与世界坐标的转换

局部坐标系转换到全局坐标系：
Transform.TransformPoint()
全局坐标系转换到局部坐标系：
Transform.InVerseTransformPoint()

        Vector3 worldPos = GameObject.Find("Cube").transform.position;
        Vector3 localPos = GameObject.Find("Cube").transform.localPosition;
        Debug.Log("物体的世界坐标" + worldPos);
        Debug.Log("物体的局部坐标" + localPos);

        Vector3 SpWorldPos = GameObject.Find("Cube").transform.Find("Sphere").transform.position;
        Vector3 SpLocalPos = GameObject.Find("Cube").transform.Find("Sphere").transform.localPosition;
        Debug.Log("子物体的世界坐标" + SpWorldPos);
        Debug.Log("子物体的局部坐标" + SpLocalPos);

        // 世界坐标与局部坐标的转换  注意点：关于坐标的转换，使用父类对象Transform进行
        // 从局部坐标转世界坐标
        Vector3 SpWorldPos1 = GameObject.Find("Cube").transform.TransformPoint(SpLocalPos);
        // 从世界坐标转局部坐标
        Vector3 SpLocalPos1 = GameObject.Find("Cube").transform.InverseTransformPoint(SpWorldPos);
        Debug.Log("子物体的世界坐标转换" + SpWorldPos1);
        Debug.Log("子物体的局部坐标转换" + SpLocalPos1);

         // 局部向量转换到全局向量
       Transform.TransformDirection
        // 全局向量转换到局部向量
       Transform. InVerseTransformDirection

04-屏幕坐标与世界坐标的转换

 public Vector3 screenPos;
 public Vector3 worldPos;
 // 将世界坐标转换成屏幕坐标
 screenPos = Camera.main.WorldToScreenPoint(cube.transform.position);

 // 如何将屏幕坐标转换成世界坐标(得到的是相机坐标)  ,注意：首先截取一个垂直于摄像机Z轴的，距离为Z的平面P，这样不管X，Y怎么变化，返回的点都只能在这个平面上，参数是一个三维坐标，而实际上，屏幕坐标只能是二维坐标。参数中的z坐标的作用就是：用来表示上述平面离摄像机的距离。X，Y表示像素坐标，根据（X，Y）相对于屏幕的位置，得到游戏世界中的点相对于截面P的位置，也就将屏幕坐标转换为了世界坐标。
 worldPos = Camera.main.ScreenToWorldPoint(Vector3.zero); 

 private void OnGUI()
    {
        GUILayout.TextArea("屏幕坐标：" + screenPos);
        GUILayout.TextArea("世界坐标：" + worldPos);
    }

05-视口坐标与屏幕、世界坐标的转换

    public Vector3 screenPos;
    public Vector3 worldPos;
    public Vector3 viewPos;
    public Vector3 viewPos1;
    private GameObject cube;
    void Start() {
        cube = GameObject.Find("Cube");

        // 视口坐标到屏幕坐标
        screenPos = Camera.main.ViewportToScreenPoint(cube.transform.position);
        // 屏幕坐标到视口坐标
        viewPos1 = Camera.main.ScreenToViewportPoint(screenPos);
        
        // 视口坐标到世界坐标
        worldPos = Camera.main.ViewportToWorldPoint(cube.transform.position);
        // 世界坐标到视口坐标
        viewPos =Camera.main.WorldToViewportPoint(cube.transform.position);

    }
    private void OnGUI()
    {
        GUILayout.TextArea("屏幕坐标：" + screenPos);
        GUILayout.TextArea("世界坐标：" + worldPos);
        GUILayout.TextArea("视口坐标：" + viewPos);
        GUILayout.TextArea("视口坐标：" + viewPos1);
    }

06-视口坐标绘制图像代码

拷贝代码做成脚本挂载到相机就可以。

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class CameraView : MonoBehaviour
{


    private Camera theCamera;

    //距离摄像机8.5米 用黄色表示
    public float upperDistance = 8.5f;
    //距离摄像机12米 用红色表示
    public float lowerDistance = 12.0f;

    private Transform tx;


    void Start()
    {
        if (!theCamera)
        {
            theCamera = Camera.main;
        }
        tx = theCamera.transform;
    }


    void Update()
    {
        FindUpperCorners();
        FindLowerCorners();
    }


    void FindUpperCorners()
    {
        Vector3[] corners = GetCorners(upperDistance);

        // for debugging
        Debug.DrawLine(corners[0], corners[1], Color.yellow); // UpperLeft -> UpperRight
        Debug.DrawLine(corners[1], corners[3], Color.yellow); // UpperRight -> LowerRight
        Debug.DrawLine(corners[3], corners[2], Color.yellow); // LowerRight -> LowerLeft
        Debug.DrawLine(corners[2], corners[0], Color.yellow); // LowerLeft -> UpperLeft
    }


    void FindLowerCorners()
    {
        Vector3[] corners = GetCorners(lowerDistance);

        // for debugging
        Debug.DrawLine(corners[0], corners[1], Color.red);
        Debug.DrawLine(corners[1], corners[3], Color.red);
        Debug.DrawLine(corners[3], corners[2], Color.red);
        Debug.DrawLine(corners[2], corners[0], Color.red);
    }


    Vector3[] GetCorners(float distance)
    {
        Vector3[] corners = new Vector3[4];

        float halfFOV = (theCamera.fieldOfView * 0.5f) * Mathf.Deg2Rad;
        float aspect = theCamera.aspect;

        float height = distance * Mathf.Tan(halfFOV);
        float width = height * aspect;

        // UpperLeft
        corners[0] = tx.position - (tx.right * width);
        corners[0] += tx.up * height;
        corners[0] += tx.forward * distance;

        // UpperRight
        corners[1] = tx.position + (tx.right * width);
        corners[1] += tx.up * height;
        corners[1] += tx.forward * distance;

        // LowerLeft
        corners[2] = tx.position - (tx.right * width);
        corners[2] -= tx.up * height;
        corners[2] += tx.forward * distance;

        // LowerRight
        corners[3] = tx.position + (tx.right * width);
        corners[3] -= tx.up * height;
        corners[3] += tx.forward * distance;

        return corners;
    }
}

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