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Unreal Engine 中的旋转表示：FQuat 与 FRotator 全面解析

news 2025/10/12 8:45:45

在 Unreal Engine 的 3D 开发中，旋转（Rotation） 是最基础也最容易让人困惑的概念之一。Unreal 提供了两种主要的旋转表示方式：FRotator（欧拉角） 和 FQuat（四元数）。它们各有优劣，适用于不同场景。本文将系统梳理它们的定义、相互转换、使用场景及常用方法，帮助你写出更健壮、高效的旋转逻辑。

一、基本定义

1. `FRotator` —— 欧拉角（Euler Angles）

结构：由三个 float 值组成：Pitch（俯仰，绕 Y 轴）、Yaw（偏航，绕 Z 轴）、Roll（翻滚，绕 X 轴）。
单位：度（Degrees），不是弧度！
可读性：高。例如 (0, 90, 0) 表示向右转 90 度，直观易懂。
范围：
- 默认范围：[-360, 360]
- 可通过 GetNormalized() 归一化到 [-180, 180]

FRotator Rot(30.0f, 45.0f, 0.0f); // Pitch=30°, Yaw=45°, Roll=0°

⚠️ 注意：Unreal 的坐标系是 左手坐标系，Z 轴朝上，因此 Yaw 是绕 Z 轴旋转（与 Unity 等右手系不同）。

2. `FQuat` —— 四元数（Quaternion）

结构：由四个 float 值组成：X, Y, Z, W，满足 X² + Y² + Z² + W² = 1（单位四元数）。
本质：一种数学上更优雅的旋转表示，避免了欧拉角的“万向节死锁（Gimbal Lock）”。
可读性：低。FQuat(0, 0, 0.707, 0.707) 对人类来说毫无意义。
优势：
- 插值平滑（Slerp）
- 组合旋转高效（四元数乘法）
- 无奇异性（不会死锁）

FQuat Quat = FQuat::MakeFromEuler(FVector(0, 90, 0)); // 从欧拉角构造

二、相互转换

1. `FRotator` → `FQuat`

FRotator Rot(0, 90, 0);
FQuat Quat = Rot.Quaternion(); // 推荐方式
// 或
FQuat Quat2 = FQuat(Rot);      // 隐式转换（内部调用 Quaternion()）

2. `FQuat` → `FRotator`

FQuat Quat = ...;
FRotator Rot = Quat.Rotator(); // 推荐方式

✅ 重要提示：
四元数到欧拉角的转换不是一一对应的！多个四元数可能对应同一个欧拉角（因为旋转有周期性）。因此，不要期望 Quat.Rotator().Quaternion() == Quat 恒成立。

三、使用场景对比

场景	推荐类型	原因
编辑器输入 / 蓝图暴露	`FRotator`	用户友好，直观可调
角色控制 / 摄像机旋转	`FRotator`	逻辑清晰（如“角色面向 Yaw 方向”）
动画 / 物理 / 插值	`FQuat`	避免死锁，插值平滑
组合多个旋转	`FQuat`	四元数乘法比欧拉角叠加更准确
网络同步旋转	`FQuat`	数据更紧凑，无角度跳变问题
数学计算 / 变换矩阵	`FQuat`	与 `FTransform` 内部一致

四、常用方法与技巧

1. `FRotator` 常用方法

// 归一化到 [-180, 180]
FRotator Normalized = Rot.GetNormalized();// 获取方向向量（常用于角色朝向）
FVector Forward = Rot.Vector(); // 等价于 FRotationMatrix(Rot).GetUnitAxis(EAxis::X)// 旋转一个向量
FVector NewDir = Rot.RotateVector(OriginalDir);// 插值（注意：可能经过长路径！）
FRotator Interp = FMath::Lerp(RotA, RotB, Alpha);
FRotator InterpShort = FMath::RInterpTo(RotA, RotB, DeltaTime, InterpSpeed); // 自动选短路径

⚠️ FMath::Lerp 对 FRotator 不会自动选择最短路径！可能绕远路。建议使用 FMath::RInterpTo 或先转四元数插值。

2. `FQuat` 常用方法

// 从轴角构造
FQuat Quat = FQuat::MakeFromAxisAngle(FVector::UpVector, FMath::DegreesToRadians(90));// 从两个向量构造（将 From 向量旋转到 To 向量）
FQuat Quat = FQuat::FindBetweenVectors(FromDir, ToDir);// 球面线性插值（Slerp）—— 平滑旋转
FQuat Interp = FMath::QInterpTo(QuatA, QuatB, DeltaTime, InterpSpeed);// 组合旋转：先 A 再 B
FQuat Combined = QuatB * QuatA; // 注意顺序！Unreal 是右乘// 旋转一个向量
FVector NewDir = Quat.RotateVector(OriginalDir);// 获取旋转轴和角度
FVector Axis;
float Angle;
Quat.ToAxisAndAngle(Axis, Angle); // Angle 是弧度！

🔁 旋转顺序注意：
在 Unreal 中，QuatB * QuatA 表示 先应用 A，再应用 B（与矩阵乘法一致）。

五、常见陷阱与最佳实践

❌ 陷阱 1：直接对 `FRotator` 做 Lerp

// 错误！可能从 179° 跳到 -179°，导致旋转 358° 而不是 2°
FRotator BadInterp = FMath::Lerp(RotA, RotB, Alpha);

✅ 正确做法：

FQuat GoodInterp = FMath::QInterpTo(RotA.Quaternion(), RotB.Quaternion(), DeltaTime, Speed);
FRotator Result = GoodInterp.Rotator();

❌ 陷阱 2：混淆旋转顺序

// 想让物体先绕自身 Y 轴转，再绕世界 Z 轴转？
// 错误写法：
FQuat LocalYaw = FQuat(FRotator(DeltaYaw,0 , 0)); // Pitch,Yaw,Roll -> Y,Z,X
FQuat WorldRoll = FQuat(FRotator(0, DeltaRoll, 0));
Comp->SetRelativeRotation(WorldRoll * LocalYaw); // 顺序可能不对！

✅ 明确顺序：通常局部旋转用 SetRelativeRotation，世界旋转用 AddWorldRotation。

✅ 最佳实践

内部计算用 FQuat，对外接口用 FRotator
—— 例如：Actor 的 GetActorRotation() 返回 FRotator，但内部 FTransform 存储的是 FQuat。
插值一律转四元数
—— 避免角度跳变问题。
网络同步优先传 FQuat
—— 更稳定，且 FQuat 可压缩（如 CompressedRotation）。
不要手动修改 FQuat 的 X/Y/Z/W
—— 除非你非常清楚自己在做什么，否则容易破坏单位长度。

六、引擎内部如何存储？

USceneComponent 的 RelativeRotation 和 ComponentToWorld 中的旋转，底层都是 FQuat。
FRotator 仅作为用户友好接口存在，每次设置 SetRelativeRotation(FRotator) 时，引擎会立即转为 FQuat 存储。

总结

特性	`FRotator`	`FQuat`
可读性	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐
插值质量	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐
组合旋转	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐⭐
万向节死锁	有风险	无
适合场景	用户输入、简单逻辑	动画、物理、数学计算