为什么3D游戏摄像头会抖动？详细解释万向节锁

当你在玩3D自由视角游戏时，如果你向上或向下看，有时相机会突然向某个方向抽动。这种现象在图形学中有一个专门的名字，叫做万向节锁(万向节死锁，或称环锁)。

参考视频:欧拉(万向节锁)讲解

首先我们知道，在三维坐标系中，相机可以沿X、Y、Z三个轴旋转，也就是在传统的欧拉坐标系中。

如图，绿色代表Y轴旋转轴，红色代表X轴旋转轴，蓝色代表Z轴旋转轴。

然后，让我们转动Y轴，使箭头指向右边。

再次转动x轴，使箭头朝上。

这时你会发现Z轴和Y轴的旋转轴重合，你失去了一个旋转轴的自由度。

也就是说，没有一条轴线能使箭头直接转向你。

我们找不到那个灰轴，可以直接把箭头转向你！

但这并不意味着箭头不能转向你，只是我们需要多根轴同时转向才能让箭头朝向你。

X、Y、Z轴同时旋转，箭头指向你之后，我们发现它的旋转轨迹其实就是那条黄线。

这条黄线并不是将箭头转向你的最短路径。相反，它非常曲折。

这就是为什么有时从3D视角看镜头会抖动:

你想让摄像机向上看，但它会绕到左边，然后向上看。

但是有的读者可能会说，我从来没有遇到过这样的情况！

是的，这种情况是可以避免的。

那么，如何解决万向节锁呢？

答:再加一个维度，就是四维旋转。

而这个4维的旋转量叫做四元数。

在目前主流的游戏引擎中，都提供了四元数运算，也建议制作方使用四元数进行旋转。

四元数可以实现平滑插值，避免万向节锁。唯一的缺点是可能有点难以理解(苦笑

其具体用法，可以参考本文。