【Overload游戏引擎细节分析】鼠标键盘控制摄像机原理

在上文中分析了摄像机类的实现，在计算投影视图矩阵时需要给摄像机输入其位置及转动四元数。这两个量一般通过鼠标键盘来控制，从而达到控制摄像机的目的。本文分析一下其控制原理。

Overload的摄像机控制实现在类CameraController中，其有三个个方法HandleCameraPanning、HandleCameraFPSMouse、HandleCameraOrbit、HandleCameraZoom是鼠标控制摄像机的平移、绕自身转动、绕特定点转动、缩放。还有一个方法，HandleCameraFPSKeyboard是键盘控制摄像机。其头文件如下，已删除本文不关注的代码及字段。

namespace OvEditor::Core
{
	class CameraController
	{
	private:
		// 控制摄像机的平移
		void HandleCameraPanning(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouse);
		// 控制摄像机绕物体进行旋转
		void HandleCameraOrbit(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouse);
		// 鼠标控制摄像机旋转
		void HandleCameraFPSMouse(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouse);

		// 控制滚轮放大缩小
		void HandleCameraZoom();
		// 键盘控制摄像机
		void HandleCameraFPSKeyboard(float p_deltaTime);
		void UpdateMouseState();

	private:
		OvRendering::LowRenderer::Camera& m_camera; // 当前摄像机
		OvMaths::FVector3& m_cameraPosition; // 当前摄像机的位置
		OvMaths::FQuaternion& m_cameraRotation; // 当前摄像机的旋转四元数
	};
}
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这四个函数就是通过改变m_cameraPosition、m_cameraRotation从而达到控制摄像机的目的。

一、鼠标控制缩放HandleCameraZoom
鼠标控制缩放的代码如下：

void OvEditor::Core::CameraController::HandleCameraZoom()
{
	m_cameraPosition += m_cameraRotation * OvMaths::FVector3::Forward * ImGui::GetIO().MouseWheel;
}
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OvMaths::FVector3::Forward是固定矢量（0,0,1），其与m_cameraRotation相乘获取当前摄像机的Z轴，也叫Forward量，或可称为摄像机的指向。Imgui可获取鼠标滚轮的转动量，与Forward相乘，累加到摄像机位置上，产生摄像机拉进或拉远的效果。在其他软件中，我还见到过通过改变视口的大小实现缩放的，这种改变摄像机位置方式感觉更直观。但这种方式对正向相机缺点：滚轮不能缩放物体，因为正交投影相当于将物体放到一个正方形盒子中，在盒子一侧看，这个物体沿深度方向改变是不会有近大远小的效果的。所以一些工业软件中使用改变视口大小，实现物体缩放效果。

二、鼠标控制平动HandleCameraPanning

void OvEditor::Core::CameraController::HandleCameraPanning(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouset)
{
   // 根据设置的拖动速度计算增量
	auto mouseOffset = p_mouseOffset * m_cameraDragSpeed;
	
	// 摄像机位置沿着Right、Up轴移动
	m_cameraPosition += m_cameraRotation * OvMaths::FVector3::Right * mouseOffset.x;
	m_cameraPosition -= m_cameraRotation * OvMaths::FVector3::Up * mouseOffset.y;
}
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p_mouseOffset是鼠标移动矢量，是二维向量，但摄像机坐标系有三个轴，所以只能控制两个轴的平动。

三、鼠标控制绕自身转动HandleCameraFPSMouse
这个函数实现摄像机绕自身原点转动。p_firstMouse是当鼠标按下是为true，转动过程中为false。当第一次转动时，先将转动转换为欧拉角，RemoveRoll是对欧拉角做特殊处理，看着像是为了克服万向节死锁，没看太明白，有用的时候再来深究吧。

void OvEditor::Core::CameraController::HandleCameraFPSMouse(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouse)
{
	auto mouseOffset = p_mouseOffset * m_mouseSensitivity;

	if (p_firstMouse)
	{
		m_ypr = OvMaths::FQuaternion::EulerAngles(m_cameraRotation);
		m_ypr = RemoveRoll(m_ypr);
	}

	m_ypr.y -= mouseOffset.x;
	m_ypr.x += -mouseOffset.y;
	m_ypr.x = std::max(std::min(m_ypr.x, 90.0f), -90.0f);

	m_cameraRotation = OvMaths::FQuaternion(m_ypr);
}
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鼠标偏移量改变欧拉角，注意其改变的值是x、y分量，最后再转换为四元数。

四、摄像机绕特殊点旋转HandleCameraOrbit
这个实际软件中使用也很多。这个相对于绕摄像机原点旋转多了平移分量，会同时改变摄像机的位置与姿态。

void OvEditor::Core::CameraController::HandleCameraOrbit(const OvMaths::FVector2& p_mouseOffset, bool p_firstMouse)
{
	auto mouseOffset = p_mouseOffset * m_cameraOrbitSpeed; // 鼠标偏移量

	if (p_firstMouse)
	{
		m_ypr = OvMaths::FQuaternion::EulerAngles(m_cameraRotation); // 转换为欧拉角
		m_ypr = RemoveRoll(m_ypr); // 可能是为了解决万向节死锁
		m_orbitTarget = &EDITOR_EXEC(GetSelectedActor()).transform.GetFTransform();
		m_orbitStartOffset = -OvMaths::FVector3::Forward * OvMaths::FVector3::Distance(m_orbitTarget->GetWorldPosition(), m_cameraPosition); // 摄像机需要平移的量（摄像机局部坐标系下）
	}

	m_ypr.y += -mouseOffset.x;  // 对欧拉角进行改变
	m_ypr.x += -mouseOffset.y;
	m_ypr.x = std::max(std::min(m_ypr.x, 90.0f), -90.0f);

	auto& target = EDITOR_EXEC(GetSelectedActor()).transform.GetFTransform();
	OvMaths::FTransform pivotTransform(target.GetWorldPosition());
	OvMaths::FTransform cameraTransform(m_orbitStartOffset); // 设置摄像机平移量
	cameraTransform.SetParent(pivotTransform); 
	pivotTransform.RotateLocal(OvMaths::FQuaternion(m_ypr)); // 将绕的点进行旋转
	m_cameraPosition = cameraTransform.GetWorldPosition();  // 获取摄像机位置
	m_cameraRotation = cameraTransform.GetWorldRotation(); // 获取摄像机转角
}
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其原理是将围绕的点进行旋转，再平移获取摄像机的位置及姿态。

五、键盘控制摄像机平动HandleCameraFPSKeyboard
这个函数原理类似于鼠标平动，都是线用转动四元数获取当前轴，给位置一个增量即可，这里就不详细分析了。

如何使用这些函数与产品设计相结合？
上面只是摄像机控制的单个函数，想在产品中集成还需其他的GUI库（如QT、glfw、imgui等）配合获取鼠标键盘状态，不断分情况调用这些函数。这些代码差异较大，跟产品设计密切相关，不具有通用性，不再分析。Overload这部分代码在CameraController::HandleInputs函数中，有兴趣可以阅读。