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

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。

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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）。

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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

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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。

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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

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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。

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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）。

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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();

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❌ 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。

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✅ 最佳实践

1. 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。

2. 插值一律转四元数

   ------ 避免角度跳变问题。

3. 网络同步优先传 FQuat

   ------ 更稳定，且 FQuat 可压缩（如 CompressedRotation）。

4. 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。

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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。

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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

记住一句话 ：
"用 FRotator 思考，用 FQuat 计算。"

掌握这两者的区别与转换，你就能在 Unreal 的旋转世界中游刃有余，写出既直观又健壮的代码。