游戲數(shù)學(xué)

坐標(biāo)系

  • 右手坐標(biāo)系:3d max
  • 左手坐標(biāo)系:Unity讥巡、Unreal

Unity3D 當(dāng)中基本的坐標(biāo)體系

unity 在
模型空間世界空間 中選用的都是左手坐標(biāo)系
觀察空間(攝像機(jī)空間)中使用的是右手坐標(biāo)系
如果需要調(diào)用類似 Camera.cameraToWorldMatrix绩鸣、Camera.worldToCameraMatrix 等接口自行計(jì)算某模型在觀察空間中的位置穴豫,需要小心這種坐標(biāo)系的差異凡简。

參考鏈接: 理解Unity3D中的四種坐標(biāo)體系

向量

  • 向量點(diǎn)乘
    a \cdot b=\sum_{i=1}^{n}a_{i}b_{i}
  • 向量叉乘
    \begin{bmatrix} x_{1} \\\ y_{1} \\\ z_{1} \end{bmatrix} \times \begin{bmatrix} x_{2} \\\ y_{2} \\\ z_{2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} y_{1}z_{2} -z_{1}y_{2} \\\ z_{1}x_{2} - x_{1}z_{2} \\\ x_{1}y_{2}-y_{1}x_{2} \end{bmatrix}
  • 夾角計(jì)算
    \theta = \arccos \left( \frac{a\cdot b}{ \mid a \mid \mid b \mid } \right) = \arcsin \left( \frac{a \times b}{ \mid a \mid \mid b \mid } \right)
矢量運(yùn)算 幾何意義 推導(dǎo)公式 幾何意義
點(diǎn)積(內(nèi)積) 投影 \mid a\mid\cdot\mid b\mid cos\theta a在b上面的投影乘以b的長(zhǎng)度
叉積(外積) 法線向量 \mid a\times b \mid = \mid a\mid \mid b\mid sin\theta a、b平行四邊形面積
矢量歸一化 單位矢量 \frac {a} {\mid a\mid} 獲取單位矢量

矩陣

矩陣乘法 c_{ij} = \sum_{k=1}^n a_{ik}b_{kj}
對(duì)角矩陣
單位矩陣 I
轉(zhuǎn)置矩陣 A^t
矩陣行列式
逆矩陣 AB = BA = I
正交矩陣 AA^t = I

變換名稱 是否線性變換 是否仿射變換 是否可逆矩陣 是否正交矩陣
平移矩陣 N Y Y Y
繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣 Y Y Y Y
繞任意軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣 Y Y Y Y
按坐標(biāo)軸縮放的縮放矩陣 Y Y Y N
錯(cuò)切矩陣 Y Y Y N
鏡像矩陣 Y Y Y Y
正交投影矩陣 Y Y N N
透視矩陣 N N N N
  • 基礎(chǔ)變換:平移精肃、旋轉(zhuǎn)秤涩、縮放
    \begin{bmatrix}M_{3*3} & t_{3*1} \\\\0_{1*3} &1\end{bmatrix}
    M_{3*3} 表示旋轉(zhuǎn)、縮放
    t_{3*1} 表示平移

  • 復(fù)合變換
    一般約定順序?yàn)樗颈В瓤s放筐眷,再旋轉(zhuǎn),最后平移——矩陣運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單
    P_{new}=M_{translation}M_{rotation}M_{scal\theta}M_{old}

M_{translation}M_{rotation}M_{scal\theta} = \begin{bmatrix}1 & 0 & 0 & t_x \\\\ 0 &1 &0 & t_y \\\\ 0 & 0 &1 & t_z \\\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} cos\theta & 0 & sin\theta & 0 \\\\ 0 & 1 & 0 & 0 \\\\ -sin\theta &0 & cos\theta & 0 \\\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix}k_x & 0 & 0 & 0\\\\ 0 &k_y &0 & 0 \\\\ 0 & 0 &k_z & 0 \\\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} k_x cos\theta & 0 & k_zsin\theta & t_x \\\\ 0 & k_y & 0 & t_y \\\\ -k_x sin\theta &0 & k_z cos\theta & -t_z \\\\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

歐拉角&萬(wàn)向鎖

四元數(shù) Quaternions

用于表示旋轉(zhuǎn)

四元數(shù)可視為復(fù)數(shù)的擴(kuò)展习柠。在復(fù)數(shù)中匀谣,定義了 i^2 = -1,而四元數(shù)中則定義了 i^2 = j^2 = k^2 = ijk = -1

知乎 如何形象地理解四元數(shù)

unity 官方文檔
常用方法:

Quaternions方法名 備注
LookRotation 使用 forward 和 directions 創(chuàng)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)
Angle 返回a和b兩個(gè)旋轉(zhuǎn)之間的角度(以度為單位)
Euler 返回x津畸、y振定、z軸的歐拉角旋轉(zhuǎn)
Slerp 通過t在a和b之間進(jìn)行球面插值。參數(shù)t限制在[0,1]
FromToRotation 創(chuàng)建一個(gè)從fromDirection轉(zhuǎn)到toDirection的旋轉(zhuǎn)
identity 單位旋轉(zhuǎn)(只讀)

MarkDown 插入數(shù)學(xué)公式實(shí)驗(yàn)大集合
Markdown數(shù)學(xué)符號(hào)&公式
markdown 輸入數(shù)學(xué)符號(hào)

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