求教一个关于游戏中相机绕原点固定旋转的问题

我最近想用 Bevy 开发一个小游戏（不过考虑到这个游戏引擎比较小众，下面的讨论还是基于的 Unity 的左手坐标系），里面有一个地球，用户可以简单地通过移动鼠标来旋转地球（不过实际上你是在移动相机，使得地球看起来像是在旋转）。同时，这里还有几个隐含条件：

地球是静止的，且球心是坐标系原点 (0, 0, 0)，赤道面即 XZ 平面
相机始终正对地球中心，且距离为已知变量 d
为了确保相机视角不倾斜，相机的 local X 轴始终平行于赤道平面，即 XZ 平面

一开始，我将地球自转速度和鼠标速度设置为成正比（就像在 Blender 里一样）。换句话说，如果鼠标向右移动 x 个像素，那么地球就会从西向东旋转 k * x 弧度。但后来我发现一个问题，如果我放大相机，然后移动地球，地球的自转速度看起来就会太快，因为相机离地球太近了。所以我意识到这个解决方案不可行。

然后我想到了另一个想法：使用拖动的方式而非线性旋转。例如，我单击球面上的 A 点，然后将鼠标移动到视窗坐标（ x ，y ），地球将跟随鼠标光标旋转，直到确保 A 点正好移动到视窗位置（ x ，y ）。这有点像谷歌地球的做法，不过也存在一些细微差异，比如这里相机的 local X 轴是始终平行于 XZ 平面，这样可以确保答案的唯一性。

不过后面我就没有具体的实现思路了。假如说我有一个来自空间中的坐标点 P ，我可以用 Unity 的 API Camera.WorldToScreenPoint 将其简单地转换为屏幕上的坐标。但是目前似乎没有这样的正好符合我要求的 API ，而我自己昨天想了一天也没想到啥思路。所以过来想问下各位大佬有没有什么办法。

antonius

52 天前

“如果鼠标向右移动 x 个像素，那么地球就会从西向东旋转 k * x 弧度。”
“如果我放大相机，然后移动地球，地球的自转速度看起来就会太快”

如果看起来快，那么为何不把相机与观察目标的距离 S 作为参数？让每一帧的旋转弧度和距离 S 成反比？

观察矩阵的计算和变换，具体相关的实现可以参考： https://learnopengl-cn.github.io/01%20Getting%20started/09%20Camera/

mirus

52 天前

@antonius 不这样做主要是因为后面感觉采取类 Google Earth 的这种拖动式方案更加符合直觉一点，我是希望当放大到一定程度，即相机中的画面接近平面地图的程度时，用户能够采取一种像是移动端拖动图片/2D 地图的体验进行旋转地球。而如果采用的线性旋转方案，虽说在近处能达到类似拖动的效果，但在这种情况下再拉远相机，将地球整个纳入相机，而旋转逻辑不变的话，用户这时就不能使用近处时的操作逻辑进行旋转了（因为这时拖动地球中心和边缘所引起的转动弧度本应是不同的），感觉相对比较割裂。

mirus

52 天前

@LaTero 首先感谢解答，这个思路应该可行。不过其次我还想再问一下，考虑到在旋转的过程中，我们对相机的朝向、以及其距原点的距离、相机当前帧的光标所对应的 ray 、一开始选定的球面（/世界）坐标都是已知的，这也就意味着，即使我们不获取前帧的数据，理论上也是可以求出唯一解的，这也是我一开始想到的思路，但却没有进一步的推导思路了。在游戏领域中（因为我主业是做前端的，对游戏开发相对不太熟悉），像这种“根据前一帧与当前帧的差值进行计算”和“根据起始状态和当前状态进行计算”这两种方案或者说思维方式，是前者应用更多吗？因为这里看起来前者的思路确实简洁明了，但是不清楚大量帧累计下是否会产生一定误差。

LaTero

52 天前

@mirus 是可以，会更准确。把 P1 换成起始点会更好。用前一帧的好处是状态更少，不用保存起始数据，而鼠标坐标的 delta 可以直接从引擎获取。实际应用误差其实是不会很大的，除非是一次拖动会很久很久。“根据前一帧与当前帧的差值进行计算”和“根据起始状态和当前状态进行计算”我不敢说哪个多，但是用差值一般更简单。比如俯视角拖动画面，还有缩放时保持鼠标所指的点在屏幕上不动之类经常是这样做，大部分情况精度是够的。