Unity筆記(七)——四元數、延遲函數、協同程序

寫在前面：

寫本系列(自用)的目的是回顧已經學過的知識、記錄新學習的知識或是記錄心得理解，方便自己以后快速復習，減少遺忘。主要是C#代碼部分。

六、四元數

歐拉角具有旋轉約定，也就是說，無論你調整角度的順序是什么，最終物體旋轉的順序都會是約定的旋轉序列。最常見用約定是Y-X-Z約定，也就是物體按Y-X-Z的方向進行旋轉。

無論你如何更改角度，系統都會重新從初始狀態按順序Y-X-Z進行調整，這和萬向鎖相似。也就是說，先轉動的軸會帶動后轉動的軸轉動，但后轉動的軸不能影響先轉動的軸。歐拉角會帶來萬向節死鎖的問題，導致在特定情況下丟失一個自由度。

此外，同樣的角度能使用不同的歐拉角角度來描述，因此，引入四元數來解決歐拉角的這兩個問題。

1、四元數

一個四元數包含一個標量和一個3D向量

[w, v]，w為標量，v為3D向量，也就是[w, (x, y, z)]，對于給定的任意一個四元數，表示3D空間中的一個旋轉量。

(1)四元數的公式

假設繞著n軸旋轉β度，n軸為(x，y，z)，那么可以構成四元數為：

四元數Q = [cos(β/2)，sin(β/2)n] = [cos(β/2)，sin(β/2)x，sin(β/2)y，sin(β/2)z]

四元數Q表示繞著n軸，旋轉β度的旋轉量。

2、Unity中的四元數

可以有兩種初始化方法：

1、Quaternion q = new Quaternion(sin(β/2)x，sin(β/2)y，sin(β/2)z， cos(β/2));

2、?Quaternion q2 = Quaternion.AngleAxis(旋轉度數, 旋轉軸);

一般使用第二種初始化方法：

void Start()
{//繞著x軸轉60度Quaternion q = new Quaternion(Mathf.Sin(Mathf.Deg2Rad), 0, 0, Mathf.Cos(30*Mathf.Deg2Rad));GameObject obj = GameObject.CreatePrimitive(PrimitiveType.Cube);obj.transform.rotation = q;Quaternion q2 = Quaternion.AngleAxis(60, Vector3.right);
}

(1)四元數和歐拉角轉換

歐拉角轉為四元數使用的API是：Quaternion.Euler()，括號內傳入需要轉化的歐拉角，比如Quaternion.Euler(60, 0, 0)，轉化出來的四元數是繞x軸轉60度的四元數。

四元數轉歐拉角使用的API是：.eulerAngles

void Start()
{//歐拉角轉四元數，這個就是繞著x軸轉60度Quaternion q3 = Quaternion.Euler(60, 0, 0);//四元數轉歐拉角print(q2.eulerAngles);
}

最后，需要注意的是，四元數的角度區間是-180~180，因此四元數表示的角度是唯一的。

3、四元數的常用方法

(1)單位四元數

單位四元數表示沒有旋轉量(角位移)，當角度為0或者360度時，對于給定軸都會得到單位四元數。

例如[1,(0, 0, 0)]和[-1, (0, 0, 0)]都是單位四元數，表示沒有旋轉量。原因是，由四元數Q = [cos(β/2)，sin(β/2)n] = [cos(β/2)，sin(β/2)x，sin(β/2)y，sin(β/2)z]，角度為0時，cos0 = 1， sin0均為0；或是cos180度等于-1，sin180都等于0。

在Unity中提供了表示單位四元數的API：Quaternion.identity

void Start()
{print(Quaternion.identity);testObj.rotation = Quaternion.identity;
}

單位四元數可用于初始化。初始化在0，0，0點，方向為0， 0， 0的物體：

Instantiate(testObj, Vector3.zero, Quaternion.identity);

(2)四元數插值運算

四元數中的Lerp和Slerp只有一些細微差別，由于算法不同，Slerp的效果會好一些，Lerp的效果相比Slerp更快，但當旋轉范圍較大時，效果不太好，所以建議使用Slerp進行插值運算。與之前的插值運算區別不大，只不過這里插值的是角度，同樣演示了兩種方法：

public Transform target;
public Transform A;
public Transform B;private Quaternion start;
private float time = 0;void Start()
{start = B.rotation;
}void Update()
{A.rotation = Quaternion.Slerp(A.rotation, target.rotation, Time.deltaTime);time+= Time.deltaTime;B.rotation = Quaternion.Slerp(start,target.rotation, time);
}

(3)向量指向轉四元數

向量指向轉四元數的API是：Quaternion.LookRotation(向量)

這個方法可以將傳入的面朝向量轉換為對應四元數角度信息。例如，物體A想要看向物體B，就可以將向量AB傳入。這個方法會返回轉為AB方向的四元數，這時候將物體A的角度信息改為該四元數即可實現A看向B。

public Transform LookA;
public Transform LookB;void Start()
{Quaternion q = Quaternion.LookRotation(LookB.position - LookA.position);LookA.rotation = q;
}

4、四元數計算

(1)四元數相乘

兩個四元數相乘得到一個新的四元數，代表兩個旋轉量的疊加。旋轉相對的坐標系是物體自身的坐標系。

 void Start(){Quaternion q = Quaternion.AngleAxis(20, Vector3.up);this.transform.rotation *= q;this.transform.rotation *= q;}

(2)四元數乘向量

四元數乘向量返回一個新向量，相當于將這個向量旋轉了對應四元數的旋轉量。

 void Start(){Vector3 v = Vector3.forward;print(v);//四元數×向量順序不能改變v = Quaternion.AngleAxis(45, Vector3.up) * v;print(v);}

七、延遲函數

延遲函數就是會延時執行的函數，我們可以自己設定延時要執行的函數和具體延時時間。

1、延遲函數

延遲函數使用的API是：Invoke()，里面傳入兩個參數，第一個參數是需要延遲執行的函數的名字的字符串，第二個參數是延遲幾秒鐘執行。

void Start()
{Invoke("DelayDoSomething", 5);
}private void DelayDoSomething()
{print("執行");
}

延遲函數無法調用有參數的函數，需要進行包裹。函數名必須是該腳本上聲明的函數。只能和有參函數一樣進行包裹。例如下例，只有這樣才能執行有參數的延遲函數。

void Start()
{Invoke("DelayDoSomething", 5);}private void DelayDoSomething()
{print("執行");TestFunc(2);
}private void TestFunc(int i)
{print("執行" + i);
}

2、延遲重復執行函數

延遲函數可以一直重復執行，使用的API是：InvokeRepeating()，括號內傳入三個參數，第一個參數是重復執行的函數名的字符串，第二個參數是第一次執行延遲多少秒，第三個參數是之后執行延遲多少秒。如下例函數，會在第5秒時執行一次，之后每隔1秒執行一次。

void Start()
{InvokeRepeating("DelayRe", 5, 1);
}private void DelayRe()
{print("重復執行");
}

3、取消延遲函數

(1)取消所有

使用CancelInvoke()后會取消所有延遲函數。

void Start()
{//取消所有CancelInvoke();
}

(2)指定函數名取消

也可以通過傳入函數名的字符串指定取消延遲函數。只要取消了指定延遲，不管之前函數開啟了多少次，延遲執行都會統一取消。此外，如果沒有該延遲函數也不會報錯。

void Start()
{CancelInvoke("DelayRe");
}

4、判斷是否有延遲函數

使用IsInvoking()可以檢查是否存在延遲函數，同樣的，也可以傳入參數判斷是否有指定延遲函數。

void Start()
{if(IsInvoking()){print("存在延遲函數");}if(IsInvoking("DelayDoSomething")){print("存在延遲函數DelayDoSomething");}
}

5、延遲函數受對象失活的影響

腳本掛載的對象失活或是腳本失活，延遲函數只要開啟了，就依然可以執行。腳本或者掛載的對象刪除了或是腳本銷毀了，延遲函數就會失效。

八、協同程序

1、Unity的多線程

Unity是支持多線程的，需要引用命名空間using System.Threading。創建一個新線程使用的是：Thread t = new Thread()，需要注意的是，括號內需要傳入一個委托函數，該函數會在新線程中執行。傳入函數后，t.Start()即可開啟線程。

線程與編輯器的生命周期一樣長，要記得手動關閉多線程。可以在對象銷毀時運行的生命周期函數OnDestroy()中關閉線程。線程的關閉使用t.Abort()即可。

Thread t;void Start()
{t = new Thread(Test);t.Start();
}private void Test()
{while (true){Thread.Sleep(1000);print("新開線程");}
}private void OnDestroy()
{t.Abort();t = null;
}

此外，需要注意的是，新開線程無法訪問Unity相關對象的內容，也就是無法控制場景中的對象，這些對象的邏輯只能在主線程中控制。

2、協同程序

(1)概念

協同程序簡稱協程，它是假的多線程。它將代碼分時執行，不卡主線程，也就是它把可能會讓主線程卡頓的耗時的邏輯分時分布執行。主要使用的場景有：異步加載文件，異步下載文件，場景異步加載，批量創建時防止卡頓。

(2)協程和線程的區別

新開一個線程是獨立的一個管道，和主線程并行執行；新開協程是在原線程之上開啟，進行邏輯分時分步執行。

3、協程的使用

(1)聲明

協同程序函數的返回值必須是 IEnumerator或者繼承了它的類型。協程函數當中必須使用yield return進行返回。例如：

IEnumerator MyCoroutine(int i, string str)
{print(i);yield return new WaitForSeconds(5f);print(str);
}

該協程函數中?yield return new WaitForSeconds(5f);指的是第二部分延遲5s執行。也就是說在print(i)過后會延遲5s再執行print(str)。

此外，yield return可以寫多個，可以把代碼分成幾個部分來執行。

IEnumerator MyCoroutine(int i, string str)
{print(i);yield return new WaitForSeconds(5f);print(str);yield return new WaitForSeconds(1f);print("end");
}

(2)開啟協程

協程函數不能直接調用。有兩種調用方式，第一種先創建一個?IEnumerator變量接收返回值，再將返回值傳入函數StartCoroutine(返回值)。第二種，直接使用StartCoroutine(函數名)。

void Start()
{IEnumerator ie = MyCoroutine(1, "123");StartCoroutine(ie);StartCoroutine(MyCoroutine(1, "123"));
}

(3)關閉協程

有兩種關閉協程的方式：第一種方式為關閉所有協程StopAllCoroutines()，它會關閉你開啟的所有協程。第二種方式為關閉指定協程，可以創建Coroutine c1來存儲協程返回的變量，而后使用StopCoroutine(c1);關閉指定協程。

 void Start(){Coroutine c1 = StartCoroutine(MyCoroutine(1, "123"));Coroutine c2 = StartCoroutine(MyCoroutine(1, "123"));Coroutine c3 = StartCoroutine(MyCoroutine(1, "123"));StopCoroutine(c1);StopAllCoroutines();}

4、yield return

1、下一幀執行：yield return 數字、yield return null。過了一幀后，下一次執行會在Update和LateUpdate之間執行。

2、等待指定秒后執行：yield return new WaitForSeconds(秒)。等待指定秒數后，下一次執行會在Update和LateUpdate之間執行。

3、等待下一個固定物理幀更新時執行：yield return new WaitForFixedUpdate()。等待固定物理幀后，會在FixedUpdate和碰撞檢測相關函數之后執行。

4、等待攝像機和GUI渲染完成后執行：yield return newWaitForEndOfFrame()。在LateUpdate之后的渲染相關處理完畢之后執行。

5、一些特殊類型的對象，比如異步加載相關函數返回的對象，后續介紹。一般在Update和LateUpdate之間執行

6、跳出協程 yield break；

5、協程受對象和組件失活銷毀的影響

協程開啟后，組件和物體銷毀，協程不執行；物體失活協程不執行，組件失活協程執行。

6、協同程序原理

(1)協程的本質

協程可以分成兩部分，協程函數本體和協程函數調度器。協程函數本體是一個能夠中間暫停返回的函數，協程調度器是Unity內部實現的，會在對應時機幫助我們繼續執行協程函數。

(2)協程函數本體

創建一個迭代器IEnumerator ie來接受協程函數，利用迭代器的ie.MoveNext()方法就可以依次調度到下一個yield return為止的函數。利用ie.Current可以獲得yield return中傳入的值。如下：

public class TestClass
{public int time;public TestClass(int time){this.time = time;  }
}IEnumerator Test()
{print("第一次執行");yield return 1;print("第二次執行");yield return 2;print("第三次執行");yield return "123";print("第四次執行");yield return new TestClass(10);
}void Start()
{IEnumerator ie = Test();ie.MoveNext();print(ie.Current);ie.MoveNext();print(ie.Current);ie.MoveNext();print(ie.Current);ie.MoveNext();TestClass ts = ie.Current as TestClass;print(ts.time);
}