Unity里面坐标转换

· 2025-11-23 · # 坐标转换 # Unity

在 Unity 中，坐标转换是游戏开发的核心基础（如物体跟随、射线检测、UI 定位、相机交互等场景均需用到）。其核心是 基于不同“坐标空间”的相互转换，所有转换的本质都是通过「矩阵运算」（Unity 已封装 API，无需手动计算）实现点/向量在空间中的映射。

一、先明确：Unity 中的 4 大核心坐标空间

在转换前，必须先区分“空间”——不同空间的坐标值无直接可比性，需通过特定 API 转换。

坐标空间	定义（参考系）	用途	关键特性
世界空间（World Space）	整个游戏世界的固定原点（0,0,0）	描述物体在世界中的绝对位置	所有物体共用同一参考系，坐标值全局唯一
局部空间（Local Space）	物体自身的 Transform 组件（自身原点= pivot 中心点）	描述子物体相对于父物体的位置、父子层级关系	子物体坐标随父物体移动/旋转而变化
相机空间（View Space）	相机的自身坐标系（相机为原点，Z 轴朝前（Unity 中是 -Z 轴看向世界））	3D 物体转 2D 屏幕的中间步骤、射线检测	坐标值表示“物体相对于相机的位置”
屏幕空间（Screen Space）	屏幕像素坐标系（左下角为原点 (0,0)，右上角为 (Screen.width, Screen.height)）	UI 定位、鼠标交互（如点击 3D 物体）	只关心 2D 像素位置，Z 轴为“物体到相机的距离”

补充：UI 专用的「Rect Transform 空间」（如 Canvas 的 Screen Space - Overlay 模式）本质是屏幕空间的延伸，原点可能在左上角（需看 Canvas 设置），下文单独说明。

二、核心坐标转换：API 与场景示例

Unity 提供了 Transform 和 Camera 类的封装 API，覆盖绝大多数转换场景，无需手动操作矩阵。以下是 最常用的 6 种转换，含代码示例和适用场景：

1. 局部空间 ↔ 世界空间（父子物体/自身位置转换）

最基础的转换，用于将子物体的局部位置转为世界位置，或反之。

（1）局部坐标 → 世界坐标

API：Transform.TransformPoint(Vector3 localPos)

作用：将“相对于当前物体 pivot 的局部坐标”，转换为世界坐标。
注意：会考虑当前物体的 位置、旋转、缩放（如果父物体有缩放，子物体的局部坐标会被缩放后再转世界）。

示例：子物体相对于父物体的局部位置是 (1,0,0)，获取其世界位置：

// 父物体
Transform parent = GameObject.Find("Parent").transform;
// 子物体相对于父物体的局部坐标
Vector3 localPos = new Vector3(1, 0, 0);
// 转换为世界坐标
Vector3 worldPos = parent.TransformPoint(localPos);
Debug.Log("子物体世界位置：" + worldPos);

（2）世界坐标 → 局部坐标

API：Transform.InverseTransformPoint(Vector3 worldPos)

作用：将“世界坐标”转换为“相对于当前物体 pivot 的局部坐标”。
注意：同样会考虑当前物体的位置、旋转、缩放。

示例：已知世界坐标 (5,2,3)，获取其相对于父物体的局部坐标：

Transform parent = GameObject.Find("Parent").transform;
Vector3 worldPos = new Vector3(5, 2, 3);
Vector3 localPos = parent.InverseTransformPoint(worldPos);
Debug.Log("相对于父物体的局部坐标：" + localPos);

特殊情况：自身局部位置与世界位置的直接获取

物体的 transform.localPosition：直接获取“相对于父物体”的局部坐标（无需转换）。
物体的 transform.position：直接获取“世界坐标”（无需转换）。
仅当需要“自定义局部点”（非自身 pivot 位置）转换时，才用 TransformPoint/InverseTransformPoint。

2. 世界空间 ↔ 相机空间（3D 物体相对相机位置）

相机空间以相机为原点，Z 轴指向世界的 -Z 方向（Unity 相机默认“看向自身 -Z 轴”），用于计算物体相对于相机的位置（如判断物体在相机前方/后方）。

（1）世界坐标 → 相机坐标

API：Camera.WorldToCameraPoint(Vector3 worldPos)

作用：将世界坐标转换为“相对于相机的坐标”。
特性：相机移动/旋转时，转换结果会同步变化；Z 值为“物体到相机的距离”（正值表示在相机前方）。

示例：判断物体是否在相机前方（Z > 0）：

Camera mainCam = Camera.main;
Transform target = GameObject.Find("Target").transform;

// 世界坐标转相机坐标
Vector3 cameraPos = mainCam.WorldToCameraPoint(target.position);
if (cameraPos.z > 0)
{
    Debug.Log("物体在相机前方");
}
else
{
    Debug.Log("物体在相机后方");
}

（2）相机坐标 → 世界坐标

API：Camera.CameraToWorldPoint(Vector3 cameraPos)

作用：将“相对于相机的坐标”转换为世界坐标。
注意：cameraPos 的 Z 值必须为正（表示在相机前方），否则转换结果无效（会在相机后方）。

示例：在相机前方 5 米处生成一个物体：

Camera mainCam = Camera.main;
// 相机空间中：原点（相机位置），Z=5（前方 5 米）
Vector3 cameraPos = new Vector3(0, 0, 5);
// 转换为世界坐标
Vector3 worldPos = mainCam.CameraToWorldPoint(cameraPos);
// 在该位置生成物体
Instantiate(Resources.Load("Cube"), worldPos, Quaternion.identity);

3. 世界空间 ↔ 屏幕空间（3D 物体 ↔ 鼠标/UI 交互）

最常用的交互转换，比如：3D 物体坐标转屏幕像素位置（用于在物体上方显示血条）、鼠标像素位置转世界坐标（用于点击地面生成物体）。

（1）世界坐标 → 屏幕坐标

API：Camera.WorldToScreenPoint(Vector3 worldPos)

作用：将 3D 世界坐标转换为 2D 屏幕像素坐标（左下角为 (0,0)，右上角为 (Screen.width, Screen.height)）。
特性：Z 值为“物体到相机的距离”；若物体在相机视锥外，返回的屏幕坐标可能超出屏幕范围（如 x < 0 或 x > Screen.width）。

示例：在 3D 物体上方显示 UI 血条（核心是让 UI 跟随 3D 物体的屏幕位置）：

public RectTransform bloodBar; // UI 血条的 RectTransform
public Transform target; // 3D 目标物体
private Camera mainCam;

void Start()
{
    mainCam = Camera.main;
}

void Update()
{
    // 3D 物体世界坐标转屏幕坐标
    Vector3 screenPos = mainCam.WorldToScreenPoint(target.position + new Vector3(0, 2, 0)); // 物体上方 2 米
    // 将屏幕坐标转换为 UI 空间坐标（Canvas 需设为 Screen Space - Overlay）
    RectTransformUtility.ScreenPointToLocalPointInRectangle(
        bloodBar.parent as RectTransform, // UI 父节点（通常是 Canvas）
        screenPos,
        null, // 无相机（Overlay 模式）
        out Vector2 localPos
    );
    // 设置血条位置
    bloodBar.localPosition = new Vector3(localPos.x, localPos.y, 0);
}

（2）屏幕坐标 → 世界坐标

API：Camera.ScreenToWorldPoint(Vector3 screenPos)

关键注意：screenPos.z 必须指定“物体到相机的距离”（否则默认 Z=0，可能转换到相机近裁切面）。
适用场景：鼠标点击地面生成物体、射线检测起点设置等。

示例：鼠标点击地面（Y=0）生成物体：

Camera mainCam = Camera.main;

void Update()
{
    if (Input.GetMouseButtonDown(0)) // 点击鼠标左键
    {
        // 屏幕坐标：鼠标位置（x,y）+ 距离相机 10 米（z=10）
        Vector3 screenPos = new Vector3(Input.mousePosition.x, Input.mousePosition.y, 10);
        // 转换为世界坐标（此时是相机前方 10 米处的点）
        Vector3 worldPos = mainCam.ScreenToWorldPoint(screenPos);
        
        // 修正 Y 轴为地面高度（Y=0）
        worldPos.y = 0;
        // 生成物体
        Instantiate(Resources.Load("Cube"), worldPos, Quaternion.identity);
    }
}

更精准的“点击地面”方案：用 Camera.ScreenPointToRay(Input.mousePosition) 发射射线，检测地面碰撞点（避免 Z 值手动设置的误差）。

4. 屏幕空间 ↔ UI 空间（Rect Transform 专用）

UI 组件（如 Image、Text）的坐标是「Rect Transform 局部空间」，与屏幕空间的转换需用 RectTransformUtility 工具类（因 Canvas 模式不同，原点和范围可能不同）。

核心 API：

屏幕坐标 → UI 局部坐标：RectTransformUtility.ScreenPointToLocalPointInRectangle(RectTransform parent, Vector2 screenPos, Camera cam, out Vector2 localPos)
UI 局部坐标 → 屏幕坐标：RectTransformUtility.LocalPointToScreenPointInRectangle(RectTransform parent, Vector2 localPos, Camera cam, out Vector2 screenPos)

关键参数说明：

parent：UI 元素的父节点（通常是 Canvas 的 RectTransform，确保坐标参考系统一）。
cam：Canvas 对应的相机（Screen Space - Overlay 模式时设为 null；Screen Space - Camera 模式时设为指定相机）。

示例：鼠标位置转为 UI 按钮的局部坐标（判断鼠标是否在按钮内）：

public RectTransform buttonRect; // 按钮的 RectTransform
private Camera uiCam; // Canvas 对应的相机（若为 Overlay 模式则设为 null）

void Start()
{
    // 获取 Canvas 的相机（Screen Space - Camera 模式）
    Canvas canvas = buttonRect.GetComponentInParent<Canvas>();
    uiCam = canvas.worldCamera;
}

void Update()
{
    // 屏幕坐标（鼠标位置）转 UI 局部坐标
    if (RectTransformUtility.ScreenPointToLocalPointInRectangle(
        buttonRect, // 目标 UI 的 RectTransform
        Input.mousePosition,
        uiCam,
        out Vector2 localPos
    ))
    {
        // 判断局部坐标是否在按钮的 Rect 范围内
        if (buttonRect.rect.Contains(localPos))
        {
            Debug.Log("鼠标在按钮内");
        }
        else
        {
            Debug.Log("鼠标在按钮外");
        }
    }
}

三、特殊场景：向量的坐标转换（非位置点）

上述转换均针对「位置点」（有原点参考），若需转换「向量」（无原点，仅表示方向/大小，如速度、法线），需用专门的 API（忽略位置，仅考虑旋转和缩放）。

转换场景	点（位置）API	向量（方向）API	区别
局部 → 世界	`Transform.TransformPoint`	`Transform.TransformDirection` / `Transform.TransformVector`	向量 API 忽略物体位置，仅应用旋转和缩放
世界 → 局部	`Transform.InverseTransformPoint`	`Transform.InverseTransformDirection` / `Transform.InverseTransformVector`	同上

向量 API 区别：

TransformDirection：忽略物体的缩放（仅应用旋转），适合转换“方向向量”（如前进方向、法线）。
TransformVector：应用物体的缩放和旋转，适合转换“有大小的向量”（如速度、力）。

示例：子物体的局部前进方向（Z 轴）转为世界方向：

Transform child = GameObject.Find("Child").transform;
// 局部方向：Z 轴（前进方向）
Vector3 localDir = Vector3.forward;
// 转换为世界方向（忽略缩放，仅旋转）
Vector3 worldDir = child.TransformDirection(localDir);
Debug.Log("子物体世界前进方向：" + worldDir);

四、常见坑与注意事项

Z 值不能为空：ScreenToWorldPoint 和 CameraToWorldPoint 必须指定 Z 值（物体到相机的距离），否则转换结果无效（Z=0 可能在相机内部）。
Canvas 模式影响 UI 转换：
- Overlay 模式：UI 直接覆盖屏幕，RectTransformUtility 的 cam 参数设为 null。
- Camera 模式：UI 通过相机渲染，需传入对应的相机，否则坐标偏移。
Pivot 中心点影响局部坐标：物体的局部坐标参考系是自身的 pivot（而非模型中心），若模型中心与 pivot 不一致，需注意转换点的位置。
缩放继承问题：子物体的局部坐标会继承父物体的缩放，用 TransformPoint 转换时会自动应用缩放，若需忽略缩放，可先将父物体缩放设为 (1,1,1)，或用 TransformDirection（向量）。
相机视锥范围：WorldToScreenPoint 转换视锥外的物体时，屏幕坐标可能超出屏幕范围（x/y 为负数或大于屏幕宽高），需判断有效性。

五、总结：核心转换流程图

局部空间 ←→ 世界空间（Transform.TransformPoint/InverseTransformPoint）
世界空间 ←→ 相机空间（Camera.WorldToCameraPoint/CameraToWorldPoint）
世界空间 ←→ 屏幕空间（Camera.WorldToScreenPoint/ScreenToWorldPoint）
屏幕空间 ←→ UI 空间（RectTransformUtility）
向量转换（Transform.TransformDirection/InverseTransformDirection）

记住：所有转换的核心是“明确当前坐标所在的空间”，根据场景选择对应的 API，无需关注底层矩阵运算，Unity 已封装好高效的实现。实际开发中，优先使用 Transform.position/localPosition 直接获取坐标，仅当需要“自定义点/向量”转换时，再调用专门的转换 API。