说说Unity3D里的各种坐标系

司格特

一、Unity3D中有哪些坐标系？

坐标系这个概念最早是由法国数学家笛卡尔提出的，并由此创造了用代数方法来研究几何图形的数学分
支——解析几何。解析几何的基本思想是将几何图形抽象成点的运动轨迹，从而点可以作为组成图形的
基本元素，而描述一个点的位置首先需要建立合适的坐标系。所以，首先我们来了解下Unity3D中都有
哪些坐标系吧！Unity3D中的坐标系目前可以分为以下四类：世界坐标、屏幕坐标、视图坐标和GUI坐标
。下面我们来对这5类坐标进行详细说明：

世界坐标

世界坐标按照笛卡尔坐标系定义出来的绝对坐标系，下面的各种坐标系都建立在世界坐标的基础上。我
们知道二维平面内任意一个点可以用二维坐标(x,y)来表示，如果将这个概念延伸到三维空间内，那么
三维空间内任意一个点都可以用三维坐标(x,y,z)来表示。这就是世界坐标的概念啦，坐标系通常可以分
为左手坐标系和右手坐标系，而Unity3D采用的是左手坐标系。在Unity3D中我们可以使用transform.po
sition来获取场景中一个物体的世界坐标，通常情况下编辑器中的Inspector窗口是以世界坐标来描述一个
3D物体的位置的，除非当一个3D物体存在父物体的时候，它会以相对坐标来描述其位置。

屏幕坐标

屏幕坐标是以像素来定义的，它的范围是以左下角为(0,0)，右上角为(Screen.width,Screen.height)定义
的这样一个矩形。屏幕坐标是一个3D坐标，Z轴是以相机的世界单位来衡量的。屏幕坐标和相机之间满
足：Screen.width=Camera.pixelWidth和Screen.height=Camera.pixelHeight这两个条件。例如我们将相
机正对着场景中的原点(0,0,0),相机的Z轴分量为-10，按照屏幕坐标的定义，假设屏幕为800X640的大
小，则此时原点转化为屏幕坐标后应该是(400,320,10)。在Unity3D中我们可以使用WorldToScreenPoi
nt来将一个世界坐标转换为屏幕坐标。

视口坐标

视口坐标是标准化后的屏幕坐标。标准化的概念我们可以引申到向量的标准化中，比如一个向量(x,y)将
过标准化后可以得到一个单位向量(x’,y’)。类似地，视口坐标是以0到1间的数字来表示的，它的范围是
以左下角为(0,0),右上角为（1,1)定义的这样一个矩形。视口坐标是一个3D坐标，Z轴是以相机的世界单
位来衡量的。通过对比可以发现视口坐标和屏幕坐标特别的相似，所以这里大家可以对比着来学习。同
样以屏幕坐标中的例子来将这里的转换，例如我们将相机正对着场景中的原点(0,0,0),相机的Z轴分量为-
10，按照屏幕坐标的定义，假设屏幕为800X640的大小，则此时原点转化为屏幕坐标后应该是(0.5,0.5,
10)。在Unity3D中我们可以使用WorldToViewportPoint来将一个世界坐标转换为视口坐标。

GUI坐标

GUI坐标是指通过OnGUI方法绘制UI时使用的坐标。这个坐标系和屏幕坐标类似，它同样是以像素来定
义的，它的范围是以左上角为(0,0),右下角为(Screen.width,Screen.height)定义的这样一个矩形，GUI坐
标是一个[2D]坐标(绝对坐标)。因为GUI在早期的文章中曾有所设计，属于Unity3D中较为基础的内容，
此外我们知道使用绝对坐标来进行布局的话是没有办法做自适应的，所以这部分内容我们就不展开讲了
，UI自适应的一个主要观点就是不要使用绝对坐标！不要使用绝对坐标！不要使用绝对坐标！重要的事
情要说三遍的嘛！这里想特别说说Unity4.6以后推出的全新UI支持：uGUI。在uGUI的Screen Space模式
下，Unity3D的编辑器以屏幕坐标来显示UI元素的位置；在World Space模式下，Unity3D的编辑器以世界
坐标来显示UI元素的位置。相信这一点大家在使用的时候都没有注意到，最近在看一个论坛帖子的时候
发现对uGUI坐标转换的相关知识一片茫然，所以对这部分内容进行了深入的研究，最终得出的结论是：
uGUI的坐标本质上是特殊的屏幕坐标，因为uGUI的Anchor决定了该坐标系的原点，pivot决定了元素本
身坐标系的原点，正是这两个属性让uGUI的坐标看起来显得扑朔迷离。RectTransform组件继承自Tran
sform，所以它们的position和localPosition是等价的，都是世界坐标；anchoredPosition是UI元素的屏幕
坐标，在对UI元素进行操作的时候应该考虑使用这个坐标。

二、Unity3D各种坐标系间的转换

虽然Unity3D里提供了各种坐标系间的转换API，可是我们这是在写博客不是在说API不是？所以从实用
性的角度出发，我们这里提供了一个Unity3D各种坐标系间转换的FAQ!

1、屏幕坐标如何转换为世界坐标？

在Unity3D中通过camera.ScreenToWorldPoint(Vector3 v)方法可以将一个屏幕坐标转化为世界坐标。
其中，camera是游戏场景中的场景相机。通过Input.mousePosition或者 Input.touches[0].position可以
获得鼠标或者单根手指的屏幕坐标。典型的应用场景是第一人称射击游戏中子弹的发射和RPG游戏中
点击地面移动角色

2、世界坐标如何转换为屏幕坐标？

在Unity3D中通过camera.WorldToScreenPoint(Vector3 v)方法可以将一个世界坐标转化为屏幕坐标
。其中，camera是游戏场景中的UI相机。比如我们需要将一个世界坐标转换到NGUI坐标的时候，可以
使用场景相机将世界坐标转为屏幕坐标，然后再利用UI相机将屏幕坐标转换为世界坐标，最后再赋值
给NGUI控件。典型的应用场景是NPC头顶的文字显示和怪物头顶的血条显示。

3、屏幕坐标如何转换为视口坐标？

在Unity3D中可以通过camera.ScreenToViewportPoint()来将一个屏幕坐标转换为视口坐标，其中ca
mera是游戏场景中的场景相机。当我们了解了视口坐标本质就是屏幕坐标的标准化坐标以后，这个
真心没有什么可说的。

4、世界坐标如何转换为视口坐标？

在Unity3D中可以通过camera.WorldToViewportPoint()来将一个世界坐标转换为视口坐标，其中cam
era是游戏场景中的场景相机。当我们了解了视口坐标本质就是屏幕坐标的标准化坐标以后，这个真
心没有什么可说的。

5、屏幕坐标如何转化为GUI坐标？

我们注意到屏幕坐标和GUI坐标的根本差异在于坐标系原点选定不同，即屏幕坐标的原点在左下角，
而GUI坐标的原点在左下角。因此我们可以定义一个ScreenToGUIPoint方法：

private Vector2 ScreenToGUIPoint(Vector2 v)
{
return new Vector2(v.x,Screen.height-v.y)
}

6、GUI坐标如何转换为屏幕坐标？

一个更为神奇的事情是你可以继续调用ScreenToGUIPoint方法。

7、屏幕坐标如何转换为uGUI坐标？

当我们接触到uGUI以后常常会遇到类似NGUI需要为uGUI控件坐标赋值的[问题]，此时我们我们有以下
两种思路处理：直接把屏幕坐标赋值给transform.position，这种方式简单粗暴在ScreenSpace-Overla
y模式下没有问题，然而在ScreenSpace-Camera模式下会出现因为深度数值不正确而引发的问题，需
要注意(并且需要确保被赋值的物体在Canvas的根节点下)，前段时间有人在群里问我position和localP
osition的区别，我就呵呵哒，现在人都是一般的浮躁啊，宁肯整天钻研某某插件的用法都不愿意钻研
下API文档、计算机图形学、3D数学这些东西。通过RectTransformUtility.ScreenPointToWorldPointIn
Rectangle方法将屏幕坐标转化为世界坐标然后再赋值给transform.position。两种方法看起来大同小异
，然而这种方法是更为保险的，因为它在这两种模式下都能稳定地运行。更重要的是它可以和uGUI的
事件系统完美地融合。我猜测它是直接改变UI元素的世界坐标，因为它是赋值给transform.position。
可是话说回来，以前给怪物头顶显示血条的时候都是直接把世界坐标转屏幕坐标再赋值给transform.
position，这样看来当初的想法可能是错误的呀，如果要给UI控件屏幕坐标那不是应该给anchoredPo
sition赋值吗？好吧，这块儿暂时还没有搞明白，如果有朋友知道怎么回事，可以告诉我，谢谢！