如何快速解决Unity中万向节死锁(gimbal lock)的问题

万向节死锁的根本问题是欧拉角（EulerAngles）保存的信息不足以描述空间中的唯一转向，四元数（Quaternion）是可以的。
关于万向节死锁的产生原因，网上有非常多的文章解释，这里不做过多阐述。
举个简单的例子，如果在Unity中设置一个物件（target）的Transform的Rotation的localEulerAngles为(90f, 180f,-90f)，即下面的代码：

  target.localEulerAngles = new Vector3(90f, 180f,-90f);

此时：

此时获取target.localEulerAngles的值为（90，270，0）
此时获取target的Inspector面板值为（90，0，90）
一个物件的3D空间可以用三种不同的值来表述。真是个灾难。

这里写图片描述

问题的产生

项目中有个需求，需要实现一个类似Unity编辑器中Transform控制面板的功能，当拖动面板值时，能连续变换，并且能保存和恢复数据。效果如下：

这里写图片描述

原始程序

用户输入后，直接读取面板值v1(Vector3)，设置到target的localEulerAngles中;UI面板的值则实时从target.localEulerAngles获取数据展示。

这里写图片描述

这种情况会出现一种bug，先用代码重现下:

首先设置在Start中设置初始转向为Vector3(0, 0, 90)
Update中模拟用户拖拽x轴，增长x值

    private void Start()
    {
       target.localEulerAngles = new Vector3(0, 0, 90);
    }
    private void Update()
    {
        StartCoroutine(ChangeRotation());
    }
    private IEnumerator ChangeRotation()
    {
        yield return new WaitForSeconds(0.1f);
        var original = target.localEulerAngles;
        original.x += 0.1f;
        target.localEulerAngles = original;
    }

运行之后，当x值增长到90°时，就“卡”住不动了

这里写图片描述

查看Console值，当输入值增长到90附近时，target.localEulerAngles发生了剧烈变化，导致值在死循环，所以就卡住了

这里写图片描述

改进程序A

    private Vector3 start = new Vector3(0, 0, 90);//假设为数据恢复后的值
    private IEnumerator ChangeRotation2()
    {
        yield return new WaitForSeconds(0.01f);
        start.x += 0.1f;
        target.localEulerAngles = start;
    }

这里写图片描述

将用户输入的UI数据与target.localEulerAngles变成单向关联，数据恢复后的值直接显示到UI上，用户更改的值（同样也是UI显示的值）用于存储，并作用于target.localEulerAngles。
结果如下

cs2.gif

卡死的问题虽然结局了，但是存储的值是Vector3类型的欧拉角，也就意味着这种情况的死锁问题解决了，今后可能会遇到其他情况的死锁问题。
例如而且这里可以发现，start的x值在无限增长，而Inspector面板中的值有个[-180,180]的区间（这里是因为调快了步进值，所以看上去只有175）

这里写图片描述

改进程序B

首先要明确的一点就是需要把描述转向的四元数存储下来，其次要解决Inspector面板中的值在[-180,180]的区间的问题。
那么我们首先观察下Unity本身Inspector是怎么表现的。

这里写图片描述

可以看到在x值是可以无限增长的。
那么我们的程序可以这样设计：借助UnityEngine的Inspector来实现同样的功能。

这里写图片描述

1、存储的Unity Transform的localRotation值（Quaternion），恢复的时候，直接调用target.localRotation = q;
2、UI显示的时候，直接从Inspector面板获取该值显示。
3、用户输入的时候，直接“设置到Inspector面板中”让UnityEngine为我们解决其中的死锁以及显示问题。
程序如下

    private IEnumerator ChangeRotation3()
    {
        yield return new WaitForSeconds(1f);
        var original = ShowRotationLikeInspector(target);
        original.x += 0.1f;
        SetRotationLikeInspector(target, original);
    }

那么这个方案最大的问题是如何实现2和3步骤，查看Unity 2018.1.0b12源码可以发现这样的代码

csRef.png

这正是我们需要的代码，可惜的是在5.x版本中并没有这样的接口。好在这2个方法的底层方法都是有的，只不过是internal，那么只需要使用反射，就可以实现这样的方法，代码如下

  public Vector3 ShowRotationLikeInspector(Transform t)
    {
        var type = t.GetType();
        var mi = type.GetMethod("GetLocalEulerAngles", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Public | BindingFlags.Instance);
        var rotationOrderPro = type.GetProperty("rotationOrder", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Public | BindingFlags.Instance);
        var rotationOrder = rotationOrderPro.GetValue(t, null);
        var EulerAnglesInspector = mi.Invoke(t, new[] {rotationOrder});
        return (Vector3) EulerAnglesInspector;
    }

    public void SetRotationLikeInspector(Transform t, Vector3 v)
    {
        var type = t.GetType();
        var mi = type.GetMethod("SetLocalEulerAngles", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Public | BindingFlags.Instance);
        var rotationOrderPro = type.GetProperty("rotationOrder", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Public | BindingFlags.Instance);
        var rotationOrder = rotationOrderPro.GetValue(t, null);
        mi.Invoke(t, new[] {v, rotationOrder});
    }

最终运行起来，效果如下，这里借助Unity的内部机制，取巧地解决了万向节死锁(gimbal lock)的问题

这里写图片描述