Unity三维数学总结

三维向量和三角函数

 

三维向量

向量是指一个同时具有大小和方向，且满足平行四边形法则的几何对象。

向量的模

po点相对于世界坐标原点的距离: po.magnitude。

标准向量，归一向量，指的是将向量的模变成1，方向不变。改变后的向量: po.normalized。

向量的方向

求向量的方向（求向量模的方向），先求向量的标准化向量（归一化向量），然后根据标准向量得到向量的方向。

// 向量的长度：求模的大小
void Update1()
{
    Vector3 po = this.transform.position;

    // 向量的模
    var l1 = Mathf.Sqrt(Mathf.Pow(po.x, 2) + Mathf.Pow(po.y, 2) + Mathf.Pow(po.z, 2));
    var l2 = Vector3.Distance(Vector3.zero, po);
    //po.magnitude: po向量的模，po点相对于世界坐标原点的距离
    var l3 = po.magnitude;
    Debug.LogFormat("{0}-{1}-{2}", l1, l2, l3);

    // 标准向量，归一向量，单位向量：模长度为1的向量
    //po.normalized: 标准向量，归一向量，指的是将向量的模变成1，方向不变。改变后的向量。
    //debug划线，从世界坐标系原点，到当前的坐标点
    Debug.DrawLine(Vector3.zero, po);
    Debug.DrawLine(Vector3.zero, po.normalized,Color.red);
}

// 向量的方向：求方向，求向量模的方向，求标准向量，归一化向量
private void Update2()
{
    Vector3 po = this.transform.position;

    //向量/向量模长 = 标准化向量
    Vector3 n1 = po / po.magnitude;
    //使用向量API 求的 标准化向量
    Vector3 n2 = po.normalized;

    Debug.DrawLine(Vector3.zero,po);
    Debug.DrawLine(Vector3.zero,n2,Color.blue);
}

向量的加、减运算

向量的加运算

两个向量相加，它的结果是这2个向量再加上它们对应的辅助向量（复制，平移）组成的平行四边形后，它们中间的连线。从开始指向结束。

向量的减运算

两个向量相减，它的结果是从被减数的箭头开始，指向减数的箭头结束。

public Transform t1, t2, t3;
private void Update3()
{
    //减 向量:结果是 结果向量从减数箭头点指向t1【被减数箭头点】+ 平移到t1和t2的起点交点处
    Vector3 n1 = t1.position - t2.position;

    if (Input.GetKey(KeyCode.A))
    {
        // 每次移动单位向量，这样距离越长，花费的时间就越长，能体现出距离感
        t3.Translate(n1.normalized);
    }

    // 加 向量：结果是 两个向量分别生成各自的辅助虚线向量，组成一个平行四边形，加向量的结果就是这个平行四边形的中间连线
    Vector3 n2 = t1.position + t2.position;
    if (Input.GetKey(KeyCode.B))
    {
        // 每次移动单位向量，这样距离越长，花费的时间就越长，能体现出距离感
        t3.Translate(n2.normalized);
    }

    Debug.DrawLine(Vector3.zero, n1);
    Debug.DrawLine(Vector3.zero, n2, Color.red);
}

向量的点乘与叉乘

使用向量的点乘可以求这2个向量的夹角，不过这个夹角是比较小的那个。

使用向量的叉乘可以求这2个向量的夹角是否大于180度，小于180时，结果向量的y是大于0的，大于180时，结果向量的y是小于0的。

public float dotDegValue;
private void Update()
{
    Debug.DrawLine(Vector3.zero, t1.position);
    Debug.DrawLine(Vector3.zero, t2.position);

    //根据向量的点乘，求夹角
    //注意：点乘求出来的夹角是2个单位向量的最小夹角，如果两个向量的夹角大于180，比如270，则求出来的结果是哪个小部分，90度。
    float dotValue = Vector3.Dot(t1.position.normalized, t2.position.normalized);
    dotDegValue = Mathf.Acos(dotValue) * Mathf.Rad2Deg;
    Debug.Log(dotDegValue);

    //根据2个向量的叉乘求夹角是否大于180,当小于180时，结果向量的y是大于0的，大于180时，结果向量的y是小于0的
    //2个向量叉乘的意义为：得出2个向量组成平面的垂直向量
    Vector3 crossValue = Vector3.Cross(t1.position, t2.position);
    Debug.DrawLine(this.transform.position, crossValue, Color.red);
    //y小于0，大于180
    if (crossValue.y < 0)
    {
        dotDegValue = 360 - dotDegValue;
    }
}

角度和弧度的转换：Degree角度 -> Radian弧度

弧度 = 角度数 * PI/180

private void Update4()
{
    //角度 -> 弧度： 弧度 = 角度数 * PI/180
    float d1 = 60;
    float r1 = d1 * Mathf.Deg2Rad;
    float r2 = d1 * Mathf.PI / 180;
    print("r1: "+r1 + "  r2:"+r2);

    //弧度 -> 角度： 角度 = 弧度数 * 180/PI
    float r02 = Mathf.PI / 3;
    float g02 = r02 * 180 / Mathf.PI;
    float g03 = r02 * Mathf.Rad2Deg;
    print("g02: "+g02+"  g03:"+g03);

}

三角函数

三角函数， 已知一个三角形里的2个部分（角度，边长），就能求出其他部分（角度，边长）

private void Update5()
{
    //列如：已知角度x, 边长b， 求边长a
    //根据公式：tanx = a/b
    float x = 50, b = 20;
    float a = Mathf.Tan(x * Mathf.Deg2Rad) * b;
    //Debug.Log(a);

    //已知:边长a, 边长b, 求角度 angle
    //公式：angle = arc tan(a/b)
    float angle = Mathf.Atan(a / b);
    float angle2gad = Mathf.Rad2Deg * angle;
    
    //Debug.Log(string.Format("{0}:{1}", angle, angle2gad));


    //三角函数在项目中的运用
    //TransformPoint将自身坐标系中的点转成世界坐标系中的点，
    //TransformPoint(0, 0, 10)的意思是延物体自身坐标向前(z轴)走10米，然后将这个点转到世界坐标系中对应的点
    Vector3 worldSpaceP = transform.TransformPoint(0, 0, 10);
    Debug.DrawLine(this.transform.position, worldSpaceP);

    //练习：计算物体右前方30度，10m远的坐标
    // 根据题目可知，是知道角度和斜边，求a,b边
    // 由公式：sinx = a/c, cosx = b/c 得：
    // x = a = c * sinx; z = b = c * cosx;
    float movX = 10 * Mathf.Sin(30 * Mathf.Deg2Rad);
    float movZ = 10 * Mathf.Cos(30 * Mathf.Deg2Rad);

    Vector3 worldSpaceP2 = transform.TransformPoint(movX, 0, movZ);
    Debug.DrawLine(this.transform.position, worldSpaceP2, Color.red);
}

 

欧拉角和四元数

欧拉角和四元数：用于表示在三维坐标系中的一个物体, 包括这个物体的位置，角度。

欧拉角采用Vector3三维坐标类型设置是因为Vector3中有对应x,y,z的值，这和欧拉角中设置x,y,z轴上的旋转角度虽然数值意义不同，但它们有相同的数据结构，这是欧拉角选择使用Vector3表示的原因。

四元数就是用来旋转用的，它是轴角模式的旋转,与欧拉角不同的是四元数的旋转全部是绕自己的x,y,z轴旋转。而欧拉角是x,z绕自身的轴y是绕世界坐标系的y，用来解决欧拉角的万向节死锁问题。

private void OnGUI()
{
    //欧拉角
    if (GUILayout.RepeatButton("欧拉角X轴"))
    {
        //欧拉角采用Vector3类型设置是因为Vector3中有对应x,y,z的值，这和欧拉角中设置x,y,z轴上的旋转角度虽然数值意义不同，但它们有相同的数据结构，这是
        //欧拉角选择使用Vector3表示的原因
        //两者的区别如下：

        //1.位置：有方向（从世界坐标系原点指向当前点），有大小（从世界坐标原点到当前点的位置）
        //向量的x,y,z分别表示当前点在各个轴向上的有向位移
        Vector3 pos = this.transform.position;

        //2.欧拉角，没有方向，大小的概念。它表示的是在x,y,z轴上转了多少度
        Vector3 euler = this.transform.eulerAngles;

        //各分量相加 
        this.transform.eulerAngles += new Vector3(1, 0,0);
    }

    if (GUILayout.RepeatButton("欧拉角Y轴"))
    {
        this.transform.eulerAngles += Vector3.up;
    }
    if (GUILayout.RepeatButton("欧拉角Z轴"))
    {
        this.transform.eulerAngles += Vector3.forward;
    }


    //四元数就是用来旋转用的，它是轴角模式的旋转,与欧拉角不同的是四元数的旋转全部是绕自己的x,y,z轴旋转。而欧拉角是x,z绕自身的轴y是绕世界坐标系的y，用来解决欧拉角的万向节死锁问题
    if (GUILayout.RepeatButton("四元数旋转"))
    {
        //四元数设置需要2个条件：1.绕哪个轴，2.转多少度

        //绕y轴
        Vector3 axis = Vector3.right;
        //旋转弧度
        float radValue = 60 * Mathf.Deg2Rad;

        //组建四元数
        Quaternion qt = new Quaternion();
        qt.x = axis.x * Mathf.Sin(radValue / 2);
        qt.y = axis.y * Mathf.Sin(radValue / 2);
        qt.z = axis.z * Mathf.Sin(radValue / 2);
        qt.w = Mathf.Cos(radValue / 2);
        //设置四元数
        //this.transform.rotation = qt;

        //使用系统便捷方式设置四元数。欧拉角转成四元数
        this.transform.rotation = Quaternion.Euler(60,0,0);
    }

    if (GUILayout.RepeatButton("四元数X轴旋转"))
    {
        this.transform.rotation *= Quaternion.Euler(1,0,0);
    }
    if (GUILayout.RepeatButton("四元数Y轴旋转"))
    {
        this.transform.rotation *= Quaternion.Euler(0, 1, 0);
    }
    if (GUILayout.RepeatButton("四元数Z轴旋转"))
    {
        this.transform.rotation *= Quaternion.Euler(0, 0, 1);
    }
}


void Update()
{
    //四元数应用：求当前坐标右前方30度，距离10的坐标
    if (Input.GetMouseButtonDown(1))
    {
        Vector3 v0 = new Vector3(0,0,10);

        // v0向量绕y轴旋转60度
        Vector3 v1 = Quaternion.Euler(0, 30, 0) * v0;
        // v1随自身四元数的旋转而旋转
        Vector3 v2 = this.transform.rotation * v1;
        // 两个向量相加，意义：将这个v0向量的起点移动到当前物体的位置上。
        target = this.transform.position + v2;
    }
    Debug.DrawLine(this.transform.position, target,Color.blue);
}

碰撞检测

碰撞条件

1.两者都有碰撞器

2.任一个有刚体（运动者，主动发起撞击的GO）

碰撞回调方法
// 碰撞开始时，接触的第一帧，触发回调
private void OnCollisionEnter(Collision collision)
//中间的每一帧
private void OnCollisionStay(Collision collision)
// 碰撞结束时，接触的最后一帧，触发回调
private void OnCollisionExit(Collision collision)

触发条件

1.两者都有碰撞器

2.任一个有刚体

3.任一个刚体的Is Trigger被勾选

public class ColisionDemo : MonoBehaviour
{

    public float speet = 300;

    // 碰撞开始时，接触的第一帧，触发回调
    private void OnCollisionEnter(Collision collision)
    {
        //通过collision.collider拿到了另一碰撞对象的碰撞器，那么就可以通过这个碰撞器获取这个对象上所有的其他组件。
        //collision.collider.GetComponent<MeshRenderer>();
        //Debug.Log(collision.collider.name);
        Debug.Log(string.Format("碰撞器碰撞了：{0}", collision.collider.name));

        //撞击的碰撞点
        ContactPoint cp = collision.contacts[0];
        //cp.point碰撞点的世界坐标
        //cp.normal碰撞点接触面的法线
    }
    //中间的每一帧
    private void OnCollisionStay(Collision collision)
    {
        
    }
    // 碰撞结束时，接触的最后一帧，触发回调
    private void OnCollisionExit(Collision collision)
    {
        
    }


    //触发回调，接触的第一帧，触发回调
    private void OnTriggerEnter(Collider other)
    {
        Debug.Log(string.Format("触发器触发了：{0}", other.name));
    }

    private void OnTriggerStay(Collider other)
    {
        
    }

    private void OnTriggerExit(Collider other)
    {
        
    }

    //当物体的移动速度非常快时可能检测不到触发和碰撞，情况是在接触前那一刻检测，等第二次检测时已经穿过去了，判断结果还是没有接触
    private void FixedUpdate()
    {
        Debug.Log(string.Format("frameCount: {0}", Time.frameCount));
        this.transform.Translate(Time.deltaTime * speet * -1, 0, 0);
    }


    private RaycastHit hit;
    public LayerMask layer;
    private Vector3 targetPos;
    // 使用射线解决移动速度过快，接触检查失效问题
    void Start()
    {
        //射线投射命中
        //射线投射：Raycast(起点坐标，方向，受击物体信息，距离，图层)
        var res = Physics.Raycast(this.transform.position, -this.transform.right, out hit, 500, layer);
        if (res)
        {
            //击中的位置
            targetPos = hit.point;
        }
        else
        {
            //没有命中目标
            //targetPos = this.transform.TransformPoint(0,0,500);
            targetPos = this.transform.position + (-this.transform.right * 100);
        }
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        transform.position = Vector3.MoveTowards(transform.position, targetPos, speet*Time.deltaTime);
        //子弹从发射位置走到击中的位置就停止了
        if ((transform.position - targetPos).sqrMagnitude < 0.1)
        {
            //击中: 击中的物体销毁，子弹也销毁
            Destroy(hit.collider.gameObject);
            Destroy(this.gameObject);
        }
    }  
}

三维向量Vector的常用API使用

模长：Vector3.Distance

标准化向量：Vector3.normalized;

反射向量：Vector3.Reflect

物体的运动

Vector3.Lerp：有快到慢，每次前进总长度的10%,无限接近目标点。

Vector3.MoveTowards：匀速前进,无限接近目标点。

Vector3.SmoothDamp：平滑阻尼,速度按固定的速率在减弱。

Vector3.LerpUnclamped：变速运动，与Lerp变速对比变速运动为：起点，终点不变，比例改变。

public class VectorAPIDemo : MonoBehaviour
{
    public Transform t1;
    private Vector3 tangent;
    private Vector3 binNormal;
    public Vector3 currentSpeed;

    public AnimationCurve curve;
    private float x;
    public float time = 5;

    //test
    private float speetScall = 1/30;

    // Start is called before the first frame update
    void Start1()
    {
        //属性设置注意,因为this.transform.position返回的是position的副本，无法真正修改position的值，所以会报错。
        //this.transform.position.z = 1;

        //解决方案：将position作为一个整体设置
        Vector3 p = this.transform.position;
        p.z = 2;
        this.transform.position = p;

        //Distance: 为模长。
        //sqrMagnitude: 为(位置1-位置2).模长平方。
        Vector3.Distance(tangent, binNormal);
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        Vector3 vect = new Vector3();
        Vector3 vect0 = vect.normalized;
        vect.Normalize();

        //计算垂直向量：在三维坐标系中，一个向量的垂直向量有2条
        //OrthoNormalize(ref Vector3 normal, ref Vector3 tangent);

        //计算t1物体在地面上的投影
        Vector3 norm = t1.position;
        Vector3 project = Vector3.ProjectOnPlane(norm, Vector3.up);
        Debug.DrawLine(Vector3.zero, norm);
        Debug.DrawLine(Vector3.zero, project, Color.red);

        //计算反射向量：Vector3.Reflect;

        //向量的加，减，点乘，差乘等。
    }

    private void OnGUI()
    {
        if (GUILayout.RepeatButton("Lerp"))
        {
            //Lerp有快到慢，每次前进总长度的10%,无限接近目标点；
            //每次都是起点改变，终点和比例不变。
            this.transform.position = Vector3.Lerp(transform.position, new Vector3(0, 0, 10), 0.1f*Time.deltaTime);
        }

        if (GUILayout.RepeatButton("MoveTowards---------------"))
        {
            //匀速前进,无限接近目标点；
            this.transform.position = Vector3.MoveTowards(transform.position, new Vector3(0, 0, 10), 0.1f);
        }

        if (GUILayout.RepeatButton("SmoothDamp"))
        {
            //平滑阻尼,速度按固定的速率在减弱
            this.transform.position = Vector3.SmoothDamp(transform.position, new Vector3(0,0,10),ref currentSpeed,2);
        }

        if (GUILayout.RepeatButton("变速运动"))
        {
            x += Time.deltaTime / time;
            Vector3 begin = Vector3.zero;

            //与Lerp变速对比变速运动为：起点，终点不变，比例改变
            //curve.Evaluate(x)：随着时间的变化，根据x值取y值。因为x值没有，这里自己造一个，通过x += Time.deltaTime累加法，每秒加一
            transform.position = Vector3.LerpUnclamped(begin, new Vector3(0,0,10),curve.Evaluate(x));
        }


    }
}

四元数-欧拉角常用API使用

四元数

Quaternion qt = transform.rotation;

1.四元数 -> 欧拉角

Vector3 euler = qt.eulerAngles;

2.欧拉角 -> 四元数

Quaternion qt02 = Quaternion.Euler(0, 90, 0);

3.轴、角转换

transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(30, Vector3.up);

4.注视旋转

transform.LookAt(target.position);

5.Lerp差值旋转，由快到慢

transform.rotation = Quaternion.Lerp(transform.rotation, dir, 0.1f);

6.RotateTowards: 匀速旋转

transform.rotation = Quaternion.RotateTowards(transform.rotation, dir, 0.1f);

public class QuaternionAPIDemo : MonoBehaviour
{
    public float moveSpeed = 1;
    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        //四元数
        Quaternion qt = transform.rotation;
        //1.四元数 -> 欧拉角
        Vector3 euler = qt.eulerAngles;
        //2.欧拉角 -> 四元数
        Quaternion qt02 = Quaternion.Euler(0, 90, 0);
        //3.轴、角转换
        //transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(30, Vector3.up);
        //transform.localRotation = Quaternion.AngleAxis(30,Vector3.up);

    }

    // Update is called once per frame
    public Transform target;
    
    private void OnGUI()
    {
        Quaternion dir = Quaternion.LookRotation(target.position - transform.position);
        if (GUILayout.RepeatButton("LookRotation+++++++++++++++++++"))
        {
            //4.注视旋转
            //方法1
            //Quaternion dir2 = Quaternion.LookRotation(target.position - transform.position);
            //transform.rotation = dir2;
            //方法2
            transform.LookAt(target.position);
        }
        if (GUILayout.RepeatButton("Lerp"))
        {
            //5.Lerp差值旋转，由快到慢
            //它与注视旋转的区别是：注视旋转是一帧设置完成，Lerp是多帧设置完成
            transform.rotation = Quaternion.Lerp(transform.rotation, dir, 0.1f);
        }
        if (GUILayout.RepeatButton("RotateTowards"))
        {
            //6.RotateTowards: 匀速旋转
            transform.rotation = Quaternion.RotateTowards(transform.rotation, dir, 0.1f);
        }
        if (GUILayout.RepeatButton("Angle角度判断"))
        {
            Quaternion dir2 = Quaternion.Euler(0, 180, 0);
            transform.rotation = Quaternion.Lerp(transform.rotation, dir2, 0.005f);
            //7.2个四元数角度差计算
            if (Quaternion.Angle(transform.rotation, dir2) < 30)
            {
                transform.rotation = dir2;
            }
        }
        
    }

    void Update()
    {
        //上面提供的方法默认的旋转轴是绕z轴，如果想绕x轴旋转,可通过下面的方式
        //this.transform.right = target.position - this.transform.position;
        //从x轴正方向 -> 注视目标位置的方向
        //8.从？到？的旋转
        //transform.rotation = Quaternion.FromToRotation(Vector3.right, target.position - transform.position);



        //课后作业：物体随ad/sw进行上下旋转
        var hRes = Input.GetAxis("Horizontal");
        var vRes = Input.GetAxis("Vertical");

        if (hRes != 0 || vRes != 0)
        {
            Debug.Log(string.Format("hRes:{0}- vRes:{1}", hRes, vRes));
            //transform.rotation = Quaternion.LookRotation(new Vector3(hRes, 0, vRes));

            //带旋转过程
            var targetRotation = Quaternion.LookRotation(new Vector3(hRes, 0, vRes));
            transform.rotation = Quaternion.Lerp(this.transform.rotation, targetRotation, moveSpeed *Time.deltaTime);
            

            transform.Translate(0, 0, moveSpeed * Time.deltaTime);
        }
    }

    
}