可能在Unity中，你一直用错了Lerp线性插值

fwalker · 发表于 2022-10-31 19:52

前言

线性插值是一个在游戏中经常使用的数学，但是在Unity社区，经常被错误的使用，并且传播。追溯其渊源，就连官方文档和官方视频也在错误的使用，这令初学者非常的困惑。

官方文档错误的示范。箭头标注的地方，完全违背了线性插值正确的使用意图

首先我们来看一下Lerp函数的三个参数都是什么。a是起始，b是目标，t是一个0到1的进度。也就是说a如果为0，b如果为10，t如果为0.5，那么这个函数就会返回5，t如果为0就返回0，t如果为1就返回10，仅此而已，非常简单。但是在Unity社区当中，非常流行用 Vector3.Lerp() 函数来做一些摄像机跟随之类的需求，例如将这段代码放置在摄像机上：
void Update()
{
transform.position = Vector3.Lerp(transform.position, playerPosition, Time.deltaTime);
}
这时，摄像机会跟随玩家，所形成的视觉是，摄像机先迅速的移动，后来越接近玩家越慢，形成了看似非常完美的缓动效果。但是这种缓动效果是“伪造”的，这种缓动效果是怎么来的呢，因为摄像机作为Lerp的起始点a，一直在改变位置，最开始时摄像机与玩家距离最远，所以插值的距离也最大，视觉上运动最迅速，接着距离越来越近，插值的距离也越来越短，视觉上就显示出了越来越慢的缓动效果。这在功能上可能已经工作了，但是完全违背了插值的使用意图。第三个参数t，应该是一个随时间变动的0到1的进度值，或者说百分比，这里用的是Time.deltaTime，这是毫无意义的，因为它根本和进度或百分比没有关系。参数a与参数b也不应该变动。这种Lerp的错误使用方式会造成副作用，例如它永远不可能到达目标，浮点数越来越不精确，摄像机会发生抖动。
那么摄像机想要平滑的跟随要用什么函数呢？Vector3.SmoothDamp是专门为这个需求而设计的，而不是这种Lerp的错误使用方式。Vector3.SmoothDamp函数的原理可以翻阅《Game Programming Gems 4》的第一节，有详细的叙述。Unity中SmoothDamp函数的源码也是完全依照这节所实现的。
1.Lerp的正确用法

在正确使用Lerp之前，我们先看一下Lerp的Unity源码：
public static float LerpUnclamped(float a, float b, float t)
{
return a + (b - a) * t;
}这就是Lerp的原理了，非常简单。例如我们要实现在3秒内从0递增到10：
float duration = 3f;
float num = 0f;
float timer = 0f;

private void Update()
{
if (timer < duration)
{
      float t = timer / duration;
      num = Mathf.LerpUnclamped(0f, 10f, t);
      timer += Time.deltaTime;
}
else
{
      num = 10f;
}

Debug.Log(num);
}就是这样，这就是Lerp的真正数学意图，a与b都是固定的，t是流逝的。而不是错误的使用方式，将Lerp用作制造“伪缓动”效果的技巧。在游戏当中可以使用Lerp来做一些动画，将一个图像过渡到另一个图像来创造运动的感觉，而不是僵硬的闪现过去。这就是Lerp的最基础使用了。

用Lerp来实现简单的移动

2.Lerp的实际应用（DoTween，iTween等补间库的原理）

在上一节我们知道了Lerp的正确使用方式，在真正的游戏当中，Lerp较常用的地方是做一些动画效果，但是单调的移动并没有太大的吸引力，这时我们可以为Lerp加上easing（缓动曲线），例如下方的的曲线：

立即就可以实现果汁感十足的动画：

那么原理是怎样的呢？注意看，这个曲线，x轴代表进度，是0到1，y轴代表数值，也是0到1，这时我们就可以将上一节在Lerp函数中使用的参数t这个进度值放入此曲线中，二次加工，得到一个新的t（也就是y的值），这时这个t值就不是像上一节那种单调的直线递增了，而是像这个曲线一样来回变化的，这个进度t一旦随着这个曲线变化了，动画效果也就诞生了。这也是Unity流行的那些补间库，例如DoTween，iTween的最底层原理。一旦知道这个原理后，其实如果你的项目只有少量的这种动画需求，完全可以自己实现，自己定制曲线，无需引入这种庞大的库。
这里我会展示相关的代码进一步注释：
[SerializeField] private AnimationCurve easeCurve; //Unity自带的动画曲线类，声明后即可编辑。

private void PanelAnimation(float duration)
{
IEnumerator C()
{
      Vector3 startPos = new Vector3(-1000, 0, 0); //UI面板的开始位置
      Vector3 endPos = new Vector3(-500, 0, 0); //UI面板的结束位置
      _panel.anchoredPosition = startPos; //初始化UI面板的位置

      float timer = 0; //计时器
      while (timer < duration)
      {
         float t = timer / duration; //进度 0~1，完全的直线。
         t = easeCurve.Evaluate(t); //根据进度，再在曲线上加工一个值，以实现在不同的进度间摇摆，形成缓动动画。
         _panel.anchoredPosition = Vector3.LerpUnclamped(startPos, endPos, t);
         timer += Time.deltaTime;
         yield return null;
      }

      _panel.anchoredPosition = endPos;
}

StartCoroutine(C());
}如果是在别的引擎中，例如MonoGame，并没有Unity这种可编辑的动画曲线，或者你并不喜欢手动编辑这些曲线，你想直接使用，那么如何实现这种缓动曲线呢？我们可以完全使用数学方式。将这种曲线数学公式放入一个方法库中，将它当作黑箱来使用。在这里可以直接使用我的缓动数学库放入你的游戏，立即享有这种动感十足的动画效果。
这种方式可能并不直观，因为你不知道这个数学式对应的是什么动画效果，我推荐查看这个网站，挑选好动画效果后，再调用对应的数学方法即可。
3.曲线还可以做什么？

这种曲线在UI和物体的动画效果之外，也可以做广泛的其它应用。例如：
应用到游戏的概率：

这条曲线在开始和结束时都很平缓，因此这些值接近极值的几率较高，而中间的陡峭部分表示得到这些值的几率较低。

应用到载具的发动机：

具有多个档位的载具，给人一种不使用变速箱发动机系统的情况下拥有自动档位的感觉：该曲线显示了第二、第三和第四的大部分功率，其中第三、第四和第四第五档是更长的档位，第五档在达到最大速度之前会持续一段时间。不同的切线用于创建所需的结果。

更丰富的UI动画：

除此之外，粒子效果，角色的经验值升级曲线，敌人每关的产卵数量递增，关卡中的平台，人物的动作等等，都可以进行有效的应用。

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