如何实现类Unity3D层级游戏对象
发表于2016-11-14
如何实现类Unity3D层级游戏对象
在游戏引擎中，一般都会把游戏对象按父子关系组织起来，子对象相对于父对象坐标而动，非常方便，比如在Unity3D中：
那么如何实现一个类似的结构：可以获得、设置各个层级在本地、世界坐标的位置和旋转呢？本文将从代码层面实际构建一个这样层级结构，并对照Unity3D为例子分析其对应函数的性能和实现。
首先，和Unity3D一样，我们选用相对于父坐标系的本地位置(localPosition)，本地旋转(localRotation)和本地缩放(localScale)做为我们游戏对象的基本数据结构，其他比如世界位置、世界旋转通过计算来获取和设置。
那么，我们能否缓存世界位置，世界旋转，以加快访问呢？这个需要看情况，如果游戏对象是静态的，那么是可以缓存世界位置，世界旋转，但如果游戏对象经常运动，缓存失效很快，那么是不合适的，具体我们可以参考Unity3D是怎么做的，为此我设计了一个具有四个Cube的层级结构，disable掉每个Cube的BoxCollider，如上图所示，然后写了一个简单的脚本，测试获取、设置这些Cube的世界位置效率，脚本如下图所示：
测试得到获取世界位置的耗时是：
设置世界位置的耗时是：
从实验结果分析，Unity3D的世界位置的设置和获取是没有缓存的。这也提示我们，在Unity3D中游戏对象层级不要太深。当然如果子对象很多的话，猜想是有优化的（比如人物骨骼），没有测试。
对于后台程序来说，我们就简单的使用相对坐标系就好了。
于是我们的Transform类大概就这样了：
class Transform
{
Vector3 local_position;
Quaternion local_rotation;
Vector3 local_scale;
};
获取或者设置本地位置、旋转很容易，直接操作变量就可以了，这里不再赘述。下面讲讲如何操作世界位置、世界旋转。
如何把本地位置变换到世界位置，原理大家都比较懂了：通过矩阵乗一下。但我们的Transform里只有local_position,local_rotation和local_scale，难道还要构造一个变换矩阵吗？其实想想是不需要的，游戏行业矩阵所做的无非只是做缩放、旋转和位移3种操作，别的不会（比如把一个正方形变成平行四边形？）那么我们有没有办法跳过矩阵，直接对游戏对象做这3种变换呢？答案肯定是肯定的:)
注意到在Unity3D中的Transform里的local_position,local_rotation和local_scale都是相对于父游戏对象坐标系的位置，旋转和缩放的（如果父游戏对象是世界，那么就是世界位置、世界旋转）。也就是说一个在子坐标系中的物体，经过local_scale，local_rotation和local_position的变换，可以变换到父坐标系中，这样递归到顶层，就到了世界坐标系，于是我们有了一个把本地位置变换到世界位置的函数以及其逆函数：
注意变换的顺序是先缩放、再旋转，最后位移，至于为什么这样，大概是人们觉得这样更符合习惯，于是就这样定下来了。
有了这两个函数，我们操作世界位置就方便多了，前面说过local_position是游戏对象相对于父对象的位置，把位置变换到父对象坐标系就可以了：
那么世界旋转怎么做呢？这个比世界位置要简单一点，世界旋转是不用考虑缩放和位移的（想想为什么？其实我有时也迷糊），那就直接旋转叠加好了：
当然，这里有些函数的实现没有贴出来，不过意思大家都懂。
另外在Unity3D的Transform实现中还有和TransformPoint类似的两个函数TransformVector和TransformDirection，很多人分不清楚这几个函数的用途，向量和点比较是没有原点的概念的，对位移变换保持不变，因此去掉TransformPoint里的位移变换就可以了：
方向是在向量的基础上再去掉缩放变换，实现如下：
可以看到，TransformVector和TransformDirection比TransformPoint要高效，不然Unity3D可以简单的使用TransformPoint模拟这两个函数。
在本文中，始终没有提及游戏对象在世界坐标系中的世界缩放，为什么呢？因为世界缩放不能精确的用一个Vector3表示（简单的在2维坐标系中，单位正方形沿X轴拉伸到2，再旋转45度，这个拉伸变换在世界坐标系不能用一个Vector2表示）。所以Unity3D用了一个lossyScale代表世界缩放，lossy，大家应该知道不精确，具体可以看看其文档。