Panda3D ゲームエンジン：視覚効果・物理演算・アニメーション・シーン管理の実装ガイド

1. 衝突判定の基本

• バウンディング球とバウンディングボックス：

  オブジェクトを包む単純な形状で近似する．バウンディング球（Bounding Sphere，球形の衝突判定範囲）は中心と半径，バウンディングボックス（Bounding Box，直方体の衝突判定範囲）は中心と各軸方向の長さで定義する．粗い衝突判定の第一段階で使用する．

• 衝突検出アルゴリズム：

  階層的な判定で効率化する．まずバウンディング球同士，次に詳細な形状で判定する．空間分割法（空間を区分けして判定対象を絞る手法）で検出対象を絞り込む．連続衝突検出と離散衝突検出の使い分けが重要である．

• 階層的衝突判定：

  複雑な形状を単純な形状の階層で表現する．上位階層で大まかな判定，下位階層で詳細な判定を行う．処理効率と精度のバランスが重要である．

以下のコードでは，衝突検出システムの基本設定を行う．CollisionTraverserによる検出管理，CollisionHandlerQueueによる結果管理，そしてCollisionNodeによる衝突形状の定義を実装している．

衝突検出の設定

traverser = CollisionTraverser()
handler = CollisionHandlerQueue()

衝突形状の作成

sphere = CollisionSphere(0, 0, 0, 1.0)
node = CollisionNode("sphere")
node.addSolid(sphere)

衝突判定のポイント：

• CollisionTraverserで衝突検出を管理する（traverser = CollisionTraverser()）
• CollisionHandlerで衝突応答を処理する（handler = CollisionHandlerQueue()）
• CollisionNodeで衝突形状を定義する（node = CollisionNode("sphere")）

2. 物理シミュレーションの基本

• 運動方程式の基本：

  F=ma（力=質量×加速度）を基本とするニュートンの運動法則である．力，質量，加速度の関係を定義する．並進運動（直線運動）と回転運動の両方を考慮する．ゲーム内の物体の動きの基礎となる．

• 剛体力学の基本：

  変形しない物体の運動を扱う．質量，慣性モーメント（回転のしにくさを表す量），重心位置が重要なパラメータである．衝突や接触による力の伝達を計算する．車両や投射物の挙動計算に利用する．

• 質点系と剛体の違い：

  質点（質量が1点に集中したモデル）は質量が1点に集中，剛体は空間的に分布する．剛体は回転運動を考慮する必要があり，慣性テンソル（方向による慣性モーメントの違い）が重要である．物理演算の複雑さが大きく異なる．

以下のコードでは，物理シミュレーションの基本設定を行う．BulletWorldによる物理空間の管理，重力の設定，剛体の作成と質量設定を実装している．

物理世界の初期化

physics_world = BulletWorld()
physics_world.setGravity(Vec3(0, 0, -9.81))

剛体の作成

shape = BulletSphereShape(1.0)
body = BulletRigidBodyNode("sphere")
body.addShape(shape)
body.setMass(1.0)

物理シミュレーションのポイント：

• BulletWorldで物理空間を管理する（physics_world = BulletWorld()）
• RigidBodyNodeで剛体を作成する（body = BulletRigidBodyNode("sphere")）
• setMass()で質量を設定する（body.setMass(1.0)）

3. アニメーション制御の基本

• キーフレームアニメーション：

  重要な姿勢を指定するキーフレーム（Key Frame，動作の基準となるフレーム）を設定し，中間フレームを補間する．位置，回転，スケールなどの変化を制御する．タイムライン（時間軸）ベースの直感的な制御が可能である．

• ボーンアニメーション：

  骨格構造（関節の階層構造）による変形制御である．各ボーン（関節）の回転でメッシュ（3D形状）の変形を実現する．スキニングウェイト（変形の影響度）で変形の影響度を調整する．キャラクターアニメーションの標準的手法である．

• アニメーション補間：

  キーフレーム間の中間状態を計算する．線形補間（直線的な変化），エルミート補間（滑らかな変化），スプライン補間（曲線的な変化）などの手法がある．滑らかな動きの実現に不可欠である．

以下のコードでは，アニメーション付きモデルの制御を実装する．Actorクラスによるモデル管理，アニメーションの読み込み，再生制御，速度調整を示している．

アニメーション付きモデルの設定

actor = Actor("model", {
    "walk": "model-walk",
    "run": "model-run"
})
actor.reparentTo(render)

アニメーション再生

actor.loop("walk")  # 歩行アニメーションのループ再生
actor.setPlayRate(1.5, "run")  # 再生速度の調整

アニメーション制御のポイント：

• Actorクラスでアニメーション付きモデルを管理する（actor = Actor("model", {...})）
• loop()で繰り返し再生する（actor.loop("walk")）
• setPlayRate()で再生速度を制御する（actor.setPlayRate(1.5, "run")）

4. サウンド制御の基本

• 音声ファイル形式：

  WAV（非圧縮音声形式），OGG（可逆圧縮形式），MP3（非可逆圧縮形式）などがある．サンプリングレート（音声のデジタル化頻度）とビットレート（データ量）でクオリティ調整する．効果音は高品質WAV，BGMは圧縮形式が一般的である．

• 3D音響の基本：

  音源の位置による音量と定位（音の位置感）の変化を制御する．ドップラー効果（音源の移動による音程変化）を考慮する．距離減衰と指向性（音の広がり方）を実装する．リバーブ（残響効果）による空間表現を行う．

• サウンドバッファ：

  音声データを一時的に格納するメモリ領域である．ストリーミング再生（逐次読み込み再生）でメモリ使用を最適化する．バッファサイズとレイテンシー（遅延時間）はトレードオフの関係である．

以下のコードでは，効果音とBGMの基本的な制御を実装する．効果音とBGMの読み込み，音量設定，再生制御，ループ設定を示している．

効果音の設定

sound = base.loader.loadSfx("sound.wav")
sound.setVolume(0.8)  # 音量設定
sound.play()          # 再生

BGMの設定

music = base.loader.loadMusic("music.ogg")
music.setLoop(True)   # ループ再生
music.play()

サウンド制御のポイント：

• loadSfx()で効果音，loadMusic()でBGMを読み込む（sound = base.loader.loadSfx("sound.wav")）
• setLoop()でループ再生を設定する（music.setLoop(True)）
• setVolume()で音量を調整する（sound.setVolume(0.8)）

5. スプライト表示の基本

• テクスチャマッピング：

  2D画像を3D物体の表面に貼り付ける技術である．UV座標（テクスチャ座標）で画像の対応位置を指定する．ミップマップ（異なる解像度の画像群）で解像度を自動調整する．テクスチャアトラス（複数画像の統合テクスチャ）で複数画像を1枚にまとめて効率化する．

• UV座標系：

  テクスチャ上の位置を(0,0)から(1,1)の範囲で指定する．左下原点で右方向u，上方向vである．テクスチャの繰り返しやクランプ（端部の処理方法）で境界処理を行う．タイリング（パターンの繰り返し）で広い面の表現が可能である．

• アルファブレンディング：

  透明度による重ね合わせ処理である．前景と背景の色を透明度で混合する．加算合成（色の加算）やマルチプライ（色の乗算）など複数の合成モードがある．パーティクル（粒子効果）やUI要素の表現に重要である．

以下のコードでは，2D画像をスプライトとして表示する．CardMakerによる平面生成，テクスチャの読み込みと適用，レンダリング設定を実装している．

スプライトの作成

cm = CardMaker("sprite")
cm.setFrame(-1, 1, -1, 1)  # サイズ設定
sprite = render2d.attachNewNode(cm.generate())
/pre>

テクスチャの適用

texture = loader.loadTexture("texture.png")
sprite.setTexture(texture)

スプライト表示のポイント：

• CardMakerで2D平面を生成する（cm = CardMaker("sprite")）
• render2dに配置して2D表示する（sprite = render2d.attachNewNode(cm.generate())）
• setTexture()でテクスチャを適用する（sprite.setTexture(texture)）

6. パーティクル制御の基本

• パーティクルシステム：

  多数の小さな粒子による視覚効果を制御する．エミッター（粒子発生装置）から粒子を生成し，物理演算で動きを制御する．炎，煙，魔法，爆発などの表現が可能である．GPU（画像処理プロセッサ）加速で大量粒子の処理を実現する．

• エミッターとパーティクル：

  エミッター（Emitter）は粒子の発生源である．放出角度，速度，頻度を制御する．パーティクル（Particle）は位置，速度，寿命，色，サイズなどのプロパティ（属性）を持つ．乱数で自然な揺らぎを表現する．

• パーティクル寿命管理：

  生成から消滅までの時間を制御する．フェードインアウト（徐々な出現消滅）で自然な出現消滅を実現する．アルファ値（透明度）や色，サイズの時間変化を設定する．コリジョン（衝突判定）で環境との相互作用を実装する．

以下のコードでは，パーティクルシステムの基本設定を行う．ParticleEffectによるエフェクト管理，設定ファイルの読み込み，エフェクトの開始と停止制御を実装している．

パーティクルの設定

p = ParticleEffect()
p.loadConfig("particle.ptf")
p.start(parent=render)
p.setPos(0, 0, 0)

パーティクルの制御

p.softStop()  # 徐々に消滅

パーティクル制御のポイント：

• ParticleEffectでパーティクル効果を管理する（p = ParticleEffect()）
• loadConfig()で設定ファイルを読み込む（p.loadConfig("particle.ptf")）
• start()/softStop()で制御する（p.start(parent=render), p.softStop()）

7. GUI制御の基本

• 2D座標系：

  ウィンドウ上の位置を(x,y)で表現する．原点は画面中央で，x軸は右方向，y軸は上方向が正である．正規化座標系（-1から1の範囲に統一した座標系）を使用する．ピクセル座標（画素単位の座標）との変換が必要である．

• アスペクト比：

  画面の縦横比である．16:9や4:3などの比率で表現する．GUI要素（グラフィカルユーザーインターフェース部品）の配置やテクスチャの歪み防止に重要である．解像度が変わっても見た目が維持されるよう調整する．

• ウィジェットの構造：

  ボタン，テキスト，スライダーなどのUI部品である．階層構造で管理され，親子関係により位置や表示状態が制御される．イベントの伝播（情報の伝達）も階層に従う．

以下のコードでは，基本的なGUI要素を画面上に配置する．OnscreenTextによるテキスト表示，DirectButtonによるクリック可能なボタンの作成，位置とサイズの制御を実装している．

テキスト表示

score_text = OnscreenText(
    text="Score: 0",
    pos=(-1.3, 0.9),
    scale=0.07
)

ボタンの作成

start_button = DirectButton(
    text="Start",
    pos=(0, 0, 0),
    command=self.startGame
)

GUI制御のポイント：

• OnscreenTextで画面上にテキストを表示する（score_text = OnscreenText(text="Score: 0", ...)）
• DirectButtonでクリック可能なボタンを作成する（start_button = DirectButton(text="Start", ...)）
• pos,scaleでサイズと位置を調整する（pos=(-1.3, 0.9), scale=0.07）

8. シーン遷移の基本

• ゲーム状態管理：

  メニュー，プレイ中，ポーズなどの状態遷移を制御する．FSM（Finite State Machine，状態遷移を管理するシステム）で状態と遷移を定義する．各状態での入力処理や描画処理を管理する．ゲームの進行フローを構造化する．

• リソース管理：

  テクスチャ，モデル，サウンドなどのアセット（素材データ）を管理する．シーン切り替え時の読み込みと解放を制御する．非同期ローディング（バックグラウンド読み込み）でロード時間を隠蔽する．メモリ使用量の最適化を行う．

• メモリ管理：

  動的なリソースの確保と解放を制御する．メモリリーク（解放忘れによるメモリ消費）の防止とフラグメンテーション（メモリの断片化）対策を実施する．参照カウント（使用状況の計数）による自動解放を行う．ガベージコレクション（不要メモリの自動回収）のタイミング制御を行う．

以下のコードでは，シーン遷移の基本的な制御を実装する．現在のシーンのクリーンアップ，新しいシーンの初期化，リソースの適切な解放を示している．

シーン切り替え

def changeScene(self, newScene):
    if self.currentScene:
        self.currentScene.cleanup()
    self.currentScene = newScene
    self.currentScene.setup()