Ursina Engine 3次元ゲームエンジン基礎

1. はじめに

予備知識

Ursina Engine は Python で 3 次元コンピュータグラフィックスとゲームを扱うためのエンジンである。少ないコードで 3D 空間にオブジェクトを配置し、動かし、ユーザー入力に反応させることができる。

Ursina プログラムの基本構造は次のとおりである。

┌─────────────────────────────┐
│ 1. モジュールのインポート      │
│    from ursina import *      │
└─────────────────────────────┘
           ↓
┌─────────────────────────────┐
│ 2. アプリケーションの初期化    │
│    app = Ursina()           │
└─────────────────────────────┘
           ↓
┌─────────────────────────────┐
│ 3. エンティティの作成         │
│    Entity(...)              │
└─────────────────────────────┘
           ↓
┌─────────────────────────────┐
│ 4. アプリケーションの実行     │
│    app.run()                │
└─────────────────────────────┘

前準備

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

python --version

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

Python プログラム実行手順

Ursina のインストール

10 個の演習はすべて Ursina Engine を使う。Ursina は Python 用の 3 次元ゲームエンジンである。インストールは 1 回だけ行えばよい。

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する （手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。起動したコマンドプロンプトに次を入力して実行する。

pip install --no-user ursina

演習1. Ursina プログラムの実行

各演習のコードを実行する方法は 2 通りある。どちらでも動作する。

方法A：Visual Studio Code で実行する。Visual Studio Code がインストール・設定済みであれば、本ページのコードを編集画面にコピー＆ペーストし、そのまま実行する。

方法B：ファイルに保存して実行する。メモ帳などのテキストエディタを開き、本ページのコードを貼り付ける。a.py のようなファイル名で保存する。コマンドプロンプトでそのファイルがあるフォルダに移動し、次を入力して実行する。

python a.py

演習1-1：最小プログラムの実行

《手順》

1. 下記のコードを上記のいずれかの方法で実行する。
2. 立方体が回転していることを確認する。ウィンドウを閉じるには、Alt+F4 キーを押す。

from ursina import *

# アプリケーションの初期化
app = Ursina()

# 回転する立方体
cube = Entity(
    model='cube',
    color=color.orange,
    position=(0, 0, 5)
)

# 毎フレーム実行される関数
def update():
    cube.rotation_y += 50 * time.dt
    cube.rotation_x += 30 * time.dt

# アプリケーションの実行
app.run()

《ヒント》

• 回転速度の数値（50, 30）を変えて、回転の速さがどう変化するかを確かめる。これらは 1 秒あたりの回転角度（度）である。
• position=(0, 0, 5) の Z 値を変えるとカメラからの距離が変わる。

《考察ポイント》

• 回転速度の式に time.dt を掛ける理由は何か。掛けない場合に何が起こるかを実際に試して観察する。
• update() がフレーム単位で呼ばれる仕組みは、通常の Python スクリプトとどのように違うか。

演習1-2：シーンの構成要素を確認する

《手順》

1. 下記のコードを実行し、地面・複数オブジェクト・テキストが同時に表示されることを確認する。
2. カメラの位置や色相（色合い）の値を変えて再実行し、見え方の違いを観察する。

from ursina import *

app = Ursina()

# 地面
ground = Entity(
    model='plane',
    scale=(10, 1, 10),
    color=color.green,
    texture='grass'
)

# 複数のオブジェクト
for i in range(3):
    Entity(
        model='cube',
        color=color.hsv(i * 120, 1, 1),
        position=(i * 2 - 2, 0.5, 3)
    )

# テキスト表示
Text(
    text='Ursina Engine Test',
    position=(-0.5, 0.4),
    scale=2
)

camera.position = (0, 5, -8)
camera.look_at((0, 0, 3))

app.run()

《ヒント》

• camera.position の Y 値を大きくすると俯瞰（上から見下ろす視点）、小さくすると水平視点になる。
• color.hsv(i * 120, 1, 1) の第 1 引数 120 は色相（HSV 色空間の H 成分、0〜360 度）を指定する値で、別の値にすると色合いが変わる。第 2 引数は彩度（S、0〜1、鮮やかさ）、第 3 引数は明度（V、0〜1、明るさ）である。

《考察ポイント》

• 3D 空間に配置されるオブジェクト（地面・立方体）と、画面に直接重ねて描かれる Text の役割の違いを整理する。
• シーン全体を構成する最小要素は何か（カメラ、エンティティの関係）を考える。

3D座標系とトランスフォーム（位置、回転、スケール）

予備知識

3 次元空間における点の位置は、互いに直交する X 軸、Y 軸、Z 軸の 3 つの数値の組 (x, y, z) で一意に表される。これを直交座標系という。

Ursina は Y 軸が上、Z 軸が前（画面奥）を向く左手座標系を採用する（Unity と同じ規約）。

        Y (上)
        |
        |
        +---- Z (前)
       /
      /
     X (右)

演習2：位置・回転・スケールを操作する

《手順》

1. 下記のコードを実行し、立方体の位置・回転・スケールを確認する。
2. position、rotation_y、scale の値をそれぞれ別個に変更し、変化を観察する。
3. camera.position も変えて、見え方の違いを比較する。

from ursina import *

app = Ursina()

# エンティティの作成と配置
box = Entity(
    model='cube',
    color=color.orange,
    position=(0, 1, 5)  # X, Y, Z座標
)

# 回転の設定
box.rotation_y = 45  # Y軸周りに45度回転

# スケールの設定
box.scale = (2, 1, 1)  # X方向に2倍

# 相対移動
box.position += Vec3(2, 0, 0)  # 右に2単位移動

# カメラ設定
camera.position = (5, 3, -10)
camera.look_at(box)

app.run()

《ヒント》

• box.position += Vec3(2, 0, 0) は「現在位置からの相対移動（今いる場所を基準にした移動）」を表す。= による直接代入（座標を絶対値で上書きする書き方）との違いに注意する。
• scale をタプル (2, 1, 1) で与えると軸ごとに倍率を変えられる。

《考察ポイント》

• 位置・回転・スケールの 3 要素はどの順番で適用されるかを観察する（特にスケールと回転の組み合わせ）。
• 絶対座標（世界の原点を基準にした座標）で動かす書き方と相対座標（現在位置を基準にした座標）で動かす書き方の使い分けを整理する。

カメラとビューポート

予備知識

演習3：一人称視点でシーンを歩く

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. WASD キーで移動、マウスで視点回転を行い、空間を歩き回る。
3. ウィンドウを閉じるには、Alt+F4 キーを押す。

from ursina import *
from ursina.prefabs.first_person_controller import FirstPersonController

app = Ursina()

# テスト用のオブジェクト配置
for i in range(5):
    Entity(
        model='cube',
        color=color.random_color(),
        position=(i * 3, 1, 0),
        collider='box'
    )

# 地面（プレイヤーの初期位置が縁に来ないよう十分な大きさを確保する）
ground = Entity(
    model='plane',
    scale=(40, 1, 40),
    color=color.gray,
    collider='box'
)

# 一人称視点コントローラー（初期位置はコンストラクタで指定し，生成時の接地補正を機能させる）
player = FirstPersonController(position=(0, 2, -10))

app.run()

《ヒント》

• player.position の初期値を変えるとスタート地点が変わる。
• 立方体の数や配置を変更すると、空間スケール（広さ・大きさの感覚）が変わる。
• 地面や障害物に collider を設定しないと、プレイヤーは床を貫通して落下する。

《考察ポイント》

• 一人称視点と固定カメラ（演習 2）では、空間把握の体験にどのような違いがあるか。
• 同じシーンでもカメラの扱い方によって「ゲーム」と「3D ビューア」の印象がどう変わるかを比較する。

メッシュ、マテリアル、テクスチャ

予備知識

Ursina に組み込まれている基本モデルは次のとおりである。

演習4：テクスチャと色の組み合わせ

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. テクスチャ付き立方体・色付き球体・テクスチャ付き地面の見え方を確認する。
3. 球体に texture='white_cube' を追加して、color と texture を併用したとき（テクスチャの上から色が乗算される様子）の見え方を確かめる。

from ursina import *

app = Ursina()

# テクスチャ付き立方体
textured_cube = Entity(
    model='cube',
    texture='white_cube',
    position=(-3, 1, 0)
)

# 色付き球体
colored_sphere = Entity(
    model='sphere',
    color=color.orange,
    position=(0, 1, 0)
)

# 回転アニメーション
def update():
    textured_cube.rotation_y += 30 * time.dt
    colored_sphere.rotation_x += 50 * time.dt

# 地面
Entity(
    model='plane',
    texture='grass',
    scale=(10, 1, 10)
)

camera.position = (0, 5, -10)
camera.look_at((0, 1, 0))

app.run()

《ヒント》

• texture と color を同時に指定するとテクスチャの色に color が乗算される（画素ごとに掛け合わされ、テクスチャが color で着色されたように見える）。
• 地面のスケールを大きくして、テクスチャがタイル状に並ぶ様子を観察する。

《考察ポイント》

• 同じ立方体モデルでも、テクスチャの有無で立体感の知覚はどう変わるか。
• テクスチャと色の乗算は、どのような表現に応用できそうか具体例を挙げる。

ライティングとシェーディング

予備知識

演習5：環境光と指向性光源の効果

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. AmbientLight の color 値を color.rgba32(50, 50, 50, 255) や color.rgba32(200, 200, 200, 255) に変えて違いを確認する（4 つの数値は順に R・G・B・A、各 0〜255。値が大きいほど明るい）。
3. sun.look_at(Vec3(...)) の方向ベクトル（光が進む向き）を変え、影の付き方を比較する。

from ursina import *
from ursina.shaders import lit_with_shadows_shader

app = Ursina()

# 以降に作成するエンティティに、光源の影響を受けるシェーダーを既定で適用する
Entity.default_shader = lit_with_shadows_shader

# 環境光（0〜255の整数値はrgba32で指定する）
AmbientLight(color=color.rgba32(100, 100, 100, 255))

# 指向性光源
sun = DirectionalLight()
sun.look_at(Vec3(1, -1, 1))

# 地面
Entity(
    model='plane',
    scale=(20, 1, 20),
    color=color.gray,
    texture='white_cube'
)

# オブジェクトの配置
for i in range(5):
    Entity(
        model='sphere',
        position=(i * 3 - 6, 1, 0),
        color=color.random_color()
    )

camera.position = (0, 10, -20)
camera.look_at((0, 0, 0))

app.run()

《ヒント》

• 環境光だけにすると陰影が消え、立体感が乏しくなる。
• 指向性光源の向きは look_at() に与えるベクトル（光の進む方向）で決まる。

《考察ポイント》

• 同じ形状でもライティングが変わると印象がどう変化するか。
• 環境光のみ／指向性光源のみ／両方の 3 パターンを比較し、それぞれが担う役割を整理する。

エンティティ（Entity）の生成と制御

予備知識

階層構造の例：

vehicle (親)
  |
  +-- body (車体)
  |
  +-- wheel_fl (前左車輪)
  |
  +-- wheel_fr (前右車輪)
  |
  +-- wheel_rl (後左車輪)
  |
  +-- wheel_rr (後右車輪)

親を移動 → 全ての子も移動
子を移動 → 親は影響を受けない

演習6：親子関係を使った車両モデル

《手順》

1. 下記のコードを実行し、車体と 4 輪が一体で前進することを確認する。
2. 4 輪の 1 つだけを parent=vehicle から外し、再実行する。挙動の違いを観察する。
3. vehicle.rotation_y を update() 内で変化させ、車体ごとの回転を試す。

from ursina import *

app = Ursina()

# 親エンティティ（車体）
vehicle = Entity()

# 車体本体
body = Entity(
    model='cube',
    color=color.red,
    scale=(2, 1, 3),
    parent=vehicle
)

# 車輪の作成（4つ）
wheel_positions = [
    (-1, -0.5, 1),   # 前左
    (1, -0.5, 1),    # 前右
    (-1, -0.5, -1),  # 後左
    (1, -0.5, -1)    # 後右
]

for pos in wheel_positions:
    Entity(
        model='sphere',
        color=color.black,
        scale=0.5,
        position=pos,
        parent=vehicle
    )

# 親を移動すると全ての子も移動する
def update():
    vehicle.z += time.dt * 3
    if vehicle.z > 10:
        vehicle.z = -10

camera.position = (0, 5, -15)
camera.look_at(vehicle)

app.run()

《ヒント》

• 子の position は親に対する相対座標である（親の原点を基準に測った位置）。
• 親に回転を加えると、子の相対位置を保ったまま全体が回転する。

《考察ポイント》

• 階層構造を使うことで、コードはどのように簡潔になるか（4 輪を個別管理する場合と比較する）。
• 太陽系（太陽 → 惑星 → 衛星）を表現するには、どのような親子関係が適切か設計する。

入力処理（キーボード、マウス）

予備知識

Ursina では、押し続けの入力を held_keys、押した瞬間の入力を input() 関数で扱う。

演習7：移動とジャンプの実装

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. WASD で移動、Space でジャンプの動作を確認する。
3. jump_force = 5 の値（ジャンプ初速度）や重力 -20（重力加速度）を変更し、跳躍と落下の挙動の違いを観察する。

from ursina import *

app = Ursina()

# プレイヤー
player = Entity(
    model='cube',
    color=color.azure,
    position=(0, 1, 0)
)

# 地面
Entity(
    model='plane',
    scale=(20, 1, 20),
    color=color.green
)

# 移動速度とジャンプ
speed = 5
jump_force = 0
is_jumping = False

def input(key):
    global jump_force, is_jumping
    if key == 'space' and not is_jumping:
        jump_force = 5
        is_jumping = True

def update():
    global jump_force, is_jumping

    # キーボードによる移動
    if held_keys['w']:
        player.z += speed * time.dt
    if held_keys['s']:
        player.z -= speed * time.dt
    if held_keys['a']:
        player.x -= speed * time.dt
    if held_keys['d']:
        player.x += speed * time.dt

    # ジャンプと重力
    jump_force += -20 * time.dt
    player.y += jump_force * time.dt

    if player.y <= 1:
        player.y = 1
        jump_force = 0
        is_jumping = False

camera.position = (0, 5, -15)
camera.look_at(player)

app.run()

《ヒント》

• is_jumping フラグを使うことで、空中での連続ジャンプを抑止している（地面に着いていないときは再度ジャンプできない）。
• 移動量に time.dt を掛けないと、PC の速度に応じて移動量が変わってしまう。

《考察ポイント》

• 移動を held_keys、ジャンプを input() で処理する理由を整理する。
• 2 段ジャンプ（空中でもう一度ジャンプできる仕組み）を実装するには、どの変数をどのように変更すればよいか。

アニメーションと物理演算

予備知識

物理シミュレーションの基本的な流れは次のとおりである（dt はデルタ時間）。

1. 加速度を速度に加算
   velocity += acceleration * dt

2. 速度を位置に加算
   position += velocity * dt

3. 衝突判定
   if 衝突:
       位置補正
       速度反転（反発係数を乗算）

演習8-1：時間関数を使った周期アニメーション

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. 3 種類のアニメーション（回転・上下移動・拡大縮小）を観察する。
3. math.sin の引数の係数（3、2）と振幅（0.5、0.3）を変更し、動きの違いを確認する。

from ursina import *
import math

app = Ursina()

# 地面
Entity(
    model='plane',
    scale=(20, 1, 20),
    color=color.gray
)

# 回転するキューブ
rotating_cube = Entity(
    model='cube',
    color=color.red,
    position=(-4, 1, 0)
)

# 上下移動する球体
bouncing_sphere = Entity(
    model='sphere',
    color=color.blue,
    position=(0, 1, 0)
)

# 拡大縮小する円柱
scaling_cylinder = Entity(
    model='cylinder',
    color=color.green,
    position=(4, 1, 0)
)

def update():
    # 回転アニメーション
    rotating_cube.rotation_y += 100 * time.dt

    # 上下移動アニメーション
    bouncing_sphere.y = 1 + math.sin(time.time() * 3) * 0.5

    # 拡大縮小アニメーション
    scale_factor = 1 + math.sin(time.time() * 2) * 0.3
    scaling_cylinder.scale_y = scale_factor

camera.position = (0, 5, -12)
camera.look_at((0, 1, 0))

app.run()

《ヒント》

• math.sin(time.time() * k) の k は周波数（振動の速さ）、外側に掛ける係数（0.5 など）は振幅（揺れ幅）に対応する。
• 回転は加算、周期運動（行ったり来たりする動き）は値の代入で実装する点に着目する。

《考察ポイント》

• 「時間の経過に対して値を計算する」方式と「毎フレーム値を加算する」方式の違いを整理する。
• sin を cos に置き換えると、何が変わり何が変わらないか。

演習8-2：重力と反発による落下

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. 箱が落下し、地面でバウンドして徐々に止まる様子を観察する。
3. 反発係数 0.5（コード中の * 0.5）を 0.9、0.1 に変えて挙動を比較する。

from ursina import *

app = Ursina()

# 背景とライト（箱を立体的に見せる）
Sky()
DirectionalLight(rotation=(45, -45, 0))
AmbientLight(color=color.rgba(120, 120, 120, 0.15))

# 地面（グリッド柄で奥行きを分かりやすく）
ground = Entity(
    model='plane',
    scale=(20, 1, 20),
    color=color.green,
    texture='white_cube',
    texture_scale=(20, 20),
    collider='box'
)

# 落下する箱
boxes = []
for i in range(5):
    box = Entity(
        model='cube',
        color=color.random_color(),
        position=(i * 2 - 4, 5 + i, 0),  # y=5〜9（画角内に収まる高さ）
        collider='box'
    )
    box.velocity = Vec3(0, 0, 0)  # カスタム属性として速度を追加
    boxes.append(box)

gravity = -9.8

def update():
    for box in boxes:
        # 重力を適用
        box.velocity.y += gravity * time.dt
        box.position += box.velocity * time.dt

        # 地面との衝突判定（箱の底=地面上面 y=0、立方体の半分=0.5 で停止）
        if box.y < 0.5:
            box.y = 0.5
            if box.velocity.y < 0:
                box.velocity.y = -box.velocity.y * 0.5  # 反発（減衰）
            # 十分遅くなったら停止
            if abs(box.velocity.y) < 1:
                box.velocity.y = 0

# カメラ（落下開始から着地まで全体が収まる位置・向き）
camera.position = (0, 7, -22)
camera.rotation_x = 13
# 自由に視点を動かしたい場合は上の2行を消して次を有効化:
# EditorCamera()

app.run()

《ヒント》

• collider を設定したオブジェクト同士でないと衝突判定は機能しない。
• velocity はエンティティに後から追加した属性であり、Ursina の標準機能ではない（Python の動的属性追加を利用している）。

《考察ポイント》

• 反発係数を 1 にすると永久にバウンドし続けるか、実際に試して結果を考察する。
• 水平方向の速度（velocity.x）を初期値で与えるとどうなるか。

ゲーム制作（簡易的な3Dアクションゲーム）

予備知識

3D ゲームは、プレイヤー、環境（地面・障害物）、ゲームロジック（スコア・クリア条件）、入出力（操作・表示）を組み合わせて構成される。本演習ではアイテム収集型の最小構成を扱う。

演習9：アイテム収集ゲーム

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. WASD でプレイヤーを動かし、金色の球体を集めてスコアを増やす。
3. 全アイテムを取ると「Game Clear!」が表示されることを確認する。

from ursina import *
from random import uniform

app = Ursina()

# プレイヤー
player = Entity(
    model='cube',
    color=color.azure,
    position=(0, 1, 0),
    collider='box'
)

# 地面
Entity(
    model='plane',
    scale=(50, 1, 50),
    color=color.green,
    texture='grass',
    collider='box'
)

# 収集アイテム
collectibles = []
for i in range(10):
    item = Entity(
        model='sphere',
        color=color.gold,
        position=(uniform(-20, 20), 0.5, uniform(-20, 20)),
        scale=0.5,
        collider='sphere'
    )
    collectibles.append(item)

# スコア表示
score = 0
score_text = Text(
    text=f'Score: {score}',
    position=(-0.85, 0.45),
    scale=2
)

# ゲームクリア判定用フラグ
game_clear = False

speed = 5

# カメラの初期設定（プレイヤーを見下ろす三人称視点）
camera.position = player.position + Vec3(0, 10, -15)
camera.look_at(player)

def update():
    global score, game_clear

    # クリア後は処理を止める
    if game_clear:
        return

    # プレイヤー移動
    if held_keys['w']:
        player.z += speed * time.dt
    if held_keys['s']:
        player.z -= speed * time.dt
    if held_keys['a']:
        player.x -= speed * time.dt
    if held_keys['d']:
        player.x += speed * time.dt

    # アイテム収集判定
    for item in collectibles[:]:
        if player.intersects(item).hit:
            destroy(item)
            collectibles.remove(item)
            score += 10
            score_text.text = f'Score: {score}'

    # ゲームクリア判定
    if len(collectibles) == 0:
        score_text.text = 'Game Clear!'
        game_clear = True

    # カメラがプレイヤーを追従（毎フレーム位置と向きを更新）
    camera.position = player.position + Vec3(0, 10, -15)
    camera.look_at(player)

app.run()

《ヒント》

• collectibles[:] はリストのコピーを反復するための書き方である（ループ中に remove() で元のリストを変更しても安全に処理を続けられる）。
• カメラを update() 内で player.position + Vec3(...) に追従させると、追跡カメラ（プレイヤーを追いかける視点）に改造できる。

《考察ポイント》

• 制限時間を設けるには、どこにどのような変数と判定を加えればよいか設計する。
• 動く敵を 1 体追加してゲーム性を高める方針を考える（衝突時にゲームオーバー等）。

ビジュアライゼーション（データの3D可視化）

予備知識

3D 空間で数値を表現すると、大小関係や分布を視覚的に把握できる。代表的な手法は次のとおりである。

演習10：3D 棒グラフによるデータ可視化

《手順》

1. 下記のコードを実行する。
2. 10 個の値が高さの異なる棒として表示されることを確認する。
3. リスト data の値を自分のデータに置き換えて再実行する。

from ursina import *

app = Ursina()

# データの可視化（棒グラフ）
data = [3, 7, 5, 9, 4, 6, 8, 2, 10, 6]
bars = []

for i, value in enumerate(data):
    bar = Entity(
        model='cube',
        color=color.hsv(i * 36, 1, 1),
        position=(i * 1.5 - 6.75, value / 2, 0),
        scale=(1, value, 1)
    )

    # ラベル（3D空間内に配置するため、既定のUI空間ではなくシーン空間を親にする）
    Text(
        text=str(value),
        parent=scene,
        position=(bar.x, value + 0.5, 0),
        scale=3,
        billboard=True
    )

    bars.append(bar)

# グリッド（基準面）
Entity(
    model='plane',
    scale=(20, 1, 10),
    color=color.dark_gray,
    texture='white_cube',
    alpha=0.3
)

# アニメーション
def update():
    for i, bar in enumerate(bars):
        bar.rotation_y += (i + 1) * 10 * time.dt

camera.position = (0, 8, -15)
camera.look_at((0, 5, 0))

app.run()

《ヒント》

• 棒の中心 Y を value / 2、高さ（scale の Y 成分）を value にすることで、棒が地面から立ち上がる形になる。
• billboard=True（ビルボード：常にカメラを向くように回転する設定）を指定したテキストは、カメラを動かしても常にこちらを向く。

《考察ポイント》

• 2D 棒グラフと比較し、3D 表現の利点と欠点を整理する。
• 2 次元配列のデータを高さの異なる棒の格子に変換すると、どのような可視化（地形・ヒートマップ）になるか考える。