U3D Transform组件与坐标系（世界/局部/父-子层级/轴心）

💡 引言：Transform 组件的核心地位

• 核心功能：存储并操作物体的 position(位置)、rotation(旋转) 和 scale(缩放)。
• 层级关系：通过 parent属性构建父子层级，子物体继承父物体的变换。
• 坐标转换：提供 TransformPoint/ InverseTransformPoint等方法，实现不同坐标系间的转换。

📜 技术背景：从数学到引擎

1. 3D 空间与坐标系
   Unity 世界采用左手坐标系：X 轴向右，Y 轴向上，Z 轴向前。每个物体都拥有自己的局部坐标系（以自身轴心为原点），而所有物体又共同存在于一个统一的世界坐标系中。
2. 变换的数学表示
   物体的最终变换状态可通过一个 4x4 的变换矩阵来描述，它融合了平移、旋转和缩放。Unity 的 Transform组件在底层正是通过矩阵运算，将局部坐标逐层转换到世界坐标。
3. 欧拉角与四元数
   • 欧拉角 (Euler Angles)：使用 Vector3(x, y, z) 表示绕各轴的旋转角度，直观易懂，但存在万向锁问题。
   • 四元数 (Quaternion)：使用 Quaternion表示旋转，能高效、稳定地进行插值计算，避免万向锁，是 Transform内部实际存储旋转的方式。我们通常使用 Quaternion.Euler()在两者间进行转换。

🎯 应用场景

• 场景搭建：精确摆放建筑、道具，并组织成父子结构（如房间 → 家具）。
• 角色与相机：实现角色移动、跳跃，以及相机跟随、环绕等效果。
• 技能与子弹：让子弹沿自身前方发射，或让特效围绕角色旋转。
• UI 与特效：将 3D 世界中的点（如角色头顶）映射到 2D 屏幕坐标，以显示血条或名字。
• 物理模拟：为带有 Rigidbody的物体设置初始位置、旋转和缩放。

🧩 核心概念解析

1. 世界坐标 vs. 局部坐标

• 世界坐标 (World Position)：transform.position，物体在整个场景中的绝对位置。
• 局部坐标 (Local Position)：transform.localPosition，物体相对于其父物体的位置。若物体无父物体，则其局部坐标等于世界坐标。

• 无父物体：worldPosition == localPosition
• 有父物体：子物体的世界坐标由其父物体的世界变换与自身的局部变换复合而成。

2. 轴心 (Pivot) vs. 中心 (Center)

• 轴心 (Pivot)：物体自身坐标系的原点，也是其旋转和缩放的中心点。在 Scene 视图中，Gizmo 显示的轴心即为当前选择。
• 中心 (Center)：指包围盒（Bounds）的几何中心。在 Scene 视图中切换 Gizmo 显示模式可看到此点。

注意：Transform组件的坐标和旋转始终围绕轴心 (Pivot)​ 进行。若需绕中心旋转，可通过创建空父物体并将轴心置于中心来实现。

3. 坐标系转换方法

⚙️ 原理流程图

• 局部 → 世界：Transform.TransformPoint(local)
• 世界 → 局部：Transform.InverseTransformPoint(world)

🛠️ 环境准备

• Unity 版本：2020.3 LTS 或更高版本。
• 脚本语言：C#。
• 场景设置：创建一个空场景，并添加以下游戏对象：
  • Cube_Parent(空物体)
  • Cube_Child(Cube)，作为 Cube_Parent的子物体。
  • Main Camera和 Directional Light。

💻 代码示例：完整场景实现

1. 场景搭建脚本：TransformSceneSetup.cs

void Start()
{
    // 1. 创建父物体
    GameObject parent = new GameObject("Cube_Parent");
    parent.transform.position = new Vector3(2f, 0f, 0f);

    // 2. 创建子物体并设为父物体的子级
    GameObject child = Instantiate(cubePrefab, parent.transform);
    child.name = "Cube_Child";
    child.transform.localPosition = new Vector3(0f, 1f, 0f); // 相对于父物体

    // 3. 创建相机
    GameObject camObj = new GameObject("Main Camera");
    Camera cam = camObj.AddComponent<Camera>();
    cam.transform.position = new Vector3(0f, 3f, -5f);
    cam.transform.LookAt(parent.transform.position);

    // 4. 创建灯光
    GameObject lightObj = new GameObject("Directional Light");
    Light light = lightObj.AddComponent<Light>();
    light.type = LightType.Directional;
    light.transform.rotation = Quaternion.Euler(50f, -30f, 0f);

    // 5. 挂载演示脚本
    parent.AddComponent<TransformDemo>();
}

2. 核心演示脚本：TransformDemo.cs

[Header("目标物体（用于坐标转换）")]
public Transform target; // 在Inspector中拖入Cube_Child

private Vector3 worldPosRecord;
private Vector3 localPosRecord;

void Update()
{
    HandleInput();
    DemoCoordinateConversion();
}

/// <summary>
/// 处理键盘输入，演示位置、旋转、缩放
/// </summary>
void HandleInput()
{
    // 世界坐标系移动 (WASD)
    Vector3 moveWorld = Vector3.zero;
    if (Input.GetKey(KeyCode.W)) moveWorld += Vector3.forward;
    if (Input.GetKey(KeyCode.S)) moveWorld -= Vector3.forward;
    if (Input.GetKey(KeyCode.A)) moveWorld -= Vector3.right;
    if (Input.GetKey(KeyCode.D)) moveWorld += Vector3.right;
    transform.Translate(moveWorld * moveSpeed * Time.deltaTime, Space.World);

    // 局部坐标系移动 (QE, RF, TG)
    Vector3 moveLocal = Vector3.zero;
    if (Input.GetKey(KeyCode.Q)) moveLocal += Vector3.up;
    if (Input.GetKey(KeyCode.E)) moveLocal -= Vector3.up;
    if (Input.GetKey(KeyCode.R)) moveLocal += Vector3.forward;
    if (Input.GetKey(KeyCode.F)) moveLocal -= Vector3.forward;
    if (Input.GetKey(KeyCode.T)) moveLocal += Vector3.right;
    if (Input.GetKey(KeyCode.G)) moveLocal -= Vector3.right;
    transform.Translate(moveLocal * moveSpeed * Time.deltaTime, Space.Self);

    // 绕世界Y轴旋转 (Y/U)
    if (Input.GetKey(KeyCode.Y))
        transform.Rotate(Vector3.up, rotateSpeed * Time.deltaTime, Space.World);
    if (Input.GetKey(KeyCode.U))
        transform.Rotate(Vector3.up, -rotateSpeed * Time.deltaTime, Space.World);

    // 绕自身X轴旋转 (I/K)
    if (Input.GetKey(KeyCode.I))
        transform.Rotate(Vector3.right, rotateSpeed * Time.deltaTime, Space.Self);
    if (Input.GetKey(KeyCode.K))
        transform.Rotate(Vector3.right, -rotateSpeed * Time.deltaTime, Space.Self);

    // 整体缩放 (Z/X)
    Vector3 scale = Vector3.one;
    if (Input.GetKey(KeyCode.Z)) scale += Vector3.one * 0.5f * Time.deltaTime;
    if (Input.GetKey(KeyCode.X)) scale -= Vector3.one * 0.5f * Time.deltaTime;
    transform.localScale = Vector3.Max(scale, Vector3.one * 0.1f);
}

/// <summary>
/// 演示世界坐标与局部坐标的转换
/// </summary>
void DemoCoordinateConversion()
{
    if (target == null) return;

    // 1. 记录初始世界坐标
    if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
    {
        worldPosRecord = target.position;
        localPosRecord = target.localPosition;
        Debug.Log($"【记录】世界坐标: {worldPosRecord}, 局部坐标: {localPosRecord}");
    }

    // 2. 将记录的局部坐标转换回世界坐标
    if (Input.GetKeyDown(KeyCode.L))
    {
        Vector3 recoveredWorld = transform.TransformPoint(localPosRecord);
        Debug.Log($"【转换】局部坐标 {localPosRecord} 转世界坐标: {recoveredWorld}");
        Debug.Log($"【验证】与原始世界坐标误差: {Vector3.Distance(worldPosRecord, recoveredWorld)}");
    }

    // 3. 将记录的世界坐标转换为局部坐标
    if (Input.GetKeyDown(KeyCode.P))
    {
        Vector3 recoveredLocal = transform.InverseTransformPoint(worldPosRecord);
        Debug.Log($"【转换】世界坐标 {worldPosRecord} 转局部坐标: {recoveredLocal}");
        Debug.Log($"【验证】与原始局部坐标误差: {Vector3.Distance(localPosRecord, recoveredLocal)}");
    }
}

/// <summary>
/// 在Scene视图中绘制坐标轴，便于观察
/// </summary>
void OnDrawGizmos()
{
    if (target != null)
    {
        // 绘制世界坐标轴 (红色:X, 绿色:Y, 蓝色:Z)
        DrawAxis(transform.position, Color.red, Color.green, Color.blue, 2f);
        // 绘制目标物体坐标轴
        DrawAxis(target.position, Color.red, Color.green, Color.blue, 1f);
    }
}

/// <summary>
/// 绘制坐标轴辅助方法
/// </summary>
void DrawAxis(Vector3 origin, Color xColor, Color yColor, Color zColor, float length)
{
    Gizmos.color = xColor;
    Gizmos.DrawLine(origin, origin + transform.right * length);
    Gizmos.color = yColor;
    Gizmos.DrawLine(origin, origin + transform.up * length);
    Gizmos.color = zColor;
    Gizmos.DrawLine(origin, origin + transform.forward * length);
}

🚀 运行与测试

1. 设置脚本：将 TransformSceneSetup.cs挂载到场景中的任意游戏对象上。在 Cube_Prefab字段中拖入一个 Cube 预制体。
2. 运行游戏：点击 Play 按钮。
3. 观察与操作：
   • 使用 WASD​ 键在世界坐标系下移动父物体。
   • 使用 QE, RF, TG​ 键在局部坐标系下移动父物体，感受差异。
   • 使用 Y/U​ 键绕世界Y轴旋转父物体。
   • 使用 I/K​ 键绕自身X轴旋转父物体。
   • 使用 Z/X​ 键缩放父物体，观察子物体的跟随效果。
   • 选中 Cube_Child，按 空格键​ 记录其坐标，然后按 L​ 和 P​ 键验证坐标转换的正确性。
   • 在 Scene 视图中观察 Gizmos 坐标轴的变化。

🧩 扩展场景：世界坐标转屏幕坐标

void Update()
{
    if (worldTarget == null || screenUI == null) return;

    // 1. 计算目标点在世界空间中的位置（例如，头顶上方一点）
    Vector3 worldPos = worldTarget.position + Vector3.up * 1.5f;

    // 2. 将世界坐标转换为屏幕坐标
    Vector3 screenPos = Camera.main.WorldToScreenPoint(worldPos);

    // 3. 根据屏幕Z值判断物体是否在相机前方
    if (screenPos.z > 0)
    {
        // 在屏幕内，更新UI位置
        screenUI.position = screenPos;
        screenUI.gameObject.SetActive(true);
    }
    else
    {
        // 在相机后方，隐藏UI
        screenUI.gameObject.SetActive(false);
    }
}

🤔 疑难解答

1. 修改 localPosition无效？
   • 检查物体是否有父物体。
   • 确认脚本中修改的是 transform.localPosition而非 transform.position。
   • 检查是否被其他脚本在 LateUpdate中覆盖。
2. 子物体位置异常？
   • 检查父物体的 localScale是否为负或过大，这可能导致子物体翻转或拉伸。
   • 确认父子层级的相对关系是否正确。
3. 世界坐标与局部坐标转换结果不符？
   • 确保转换时使用的 Transform组件是正确的（例如，转换相对于哪个父物体）。
   • 注意 TransformPoint转换的是点（包含位移），而 TransformDirection转换的是方向（忽略位移）。

🚀 未来展望与技术趋势

• DOTS 与 ECS：在大规模实体场景下，传统的 GameObject+ Transform模式可能面临性能瓶颈。Unity 的 DOTS (Data-Oriented Tech Stack) 和 ECS (Entity Component System) 提供了面向数据的编程范式，能极大提升性能。
• Burst Compiler & Job System：结合 Burst Compiler 和 C# Job System，可以将 Transform的大量计算（如坐标转换、层级遍历）并行化，充分利用多核 CPU 的性能。
• 可编程渲染管线 (URP/HDRP)：在 SRP 中，虽然底层实现不同，但 Transform组件依然是场景组织的核心，其概念保持不变。

📝 总结

• 世界坐标 vs. 局部坐标：理解 position和 localPosition的区别。
• 父子层级：明白子物体如何继承父物体的变换。
• 轴心 (Pivot)：了解旋转和缩放的中心点。
• 坐标转换：熟练运用 TransformPoint/ InverseTransformPoint等方法在不同坐标系间切换。