Bifrostではじめる位置ベース物理シミュ第3回 ~制約条件を追加する~

Last updated at 2024-02-09Posted at 2024-02-07

ハイどうもこんにちは！

前回に引き続き位置ベースなんちゃって物理で遊んでいきます。今回は導き出された位置を直接操作し、制約条件を加えていきます。

さっそく始めていきます！

ところで、ここまで扱ってきた位置、速度、力などはすべて3次元ベクトルです。シレっとベクトルの足し引きなど扱ってきましたが、今回から正規化とか内積とかよう分らんものも出てきます。気が向いたら以下の記事などで理解を深めておくと良いかもしれません！スルーしてもBifrostグラフは組めます。たぶん！

🔗ゲーム作りとかCGとかに関わる数学(初歩)① #数学 - Qiita

点と点の距離を一定に保つ

点と点の距離を保つといっても大きく分けて2種類あります。

2点のうち1点が固定　→　1点だけ動かせばいい
2点の両方がフリー　→　2点とも動かす必要あり

前者の方が簡単なのでまずは片方が固定の場合からいきます。

片方が固定の場合

補正したい点を$p$、固定されている点を$o$として、$p$と$o$の間の距離を$d$に保ちたいとします。もし間の距離がずれていた場合、次の式で$p$のみを補正し、指定した距離に引き戻すことができます。

p' = o + \frac{p - o}{\| p - o \|} d

$\frac{p - o}{| p - o |}$は$o$から$p$へ向かうベクトルを正規化（長さを1に）したものです。正規化ベクトルに本来の長さを掛け、固定点の位置に足しています。方向だけは維持しつつ長さだけ強引に戻してしまう形になります。

Bfrostグラフは前回の最後のものから始めます。Distance Constraintが追加した部分です。制約は絶対！なので計算箇所は最後のほうになります。速度更新の直前ですね。

▲bifrostGraphShape > pbd

▲bifrostGraphShape（長さは外側で事前に計算しておきます）

固定されている点としてロケーターを新たに作成し、Parent Positionに接続しておきます。

▲parentが固定点

再生すると、前回までの重力やバネなどの影響は生きたまま、固定点から長さを一定に保ち回転するような動きになりました。

実際に、この2点を連ねていくとなんだか見覚えのあるボーンダイナミクスが出来上がります。これについては後の回で取り上げます。

先ほど、Bifrostグラフへの位置入力にdecomposeMatrixノードを挟みましたが、これは入力ロケーターのワールド位置座標を得るためです。ワールド位置を得るのはBifrostグラフ内でもできます。処理速度的な違いはあるかもしれませんがお好みでいいかと思います。

下の2種の結果は同じです。

両方がフリーの場合

このケースはこちら（Position Based Dynamics）の論文から計算式を拝借してきます。

2つの点$p_1, p_2$の間の距離を$d$に保ちたいとします。$\Delta p_1, \Delta p_2$がこれから求めたい各点の移動量で、それぞれどれだけ動かせば$d$になるか、という式です。　

\displaylines{
\Delta p_1 = - \frac{w_1}{w_1 + w_2}(\|p_1 - p_2\| - d) \frac{p_1 - p_2}{\|p_1 - p_2\|} \\\ 
\Delta p_2 = + \frac{w_2}{w_1 + w_2}(\|p_1 - p_2\| - d) \frac{p_1 - p_2}{\|p_1 - p_2\|} \\\
w_i = \frac{1}{m_i}
}

$\frac{w_1}{w_1 + w_2}, \frac{w_2}{w_1 + w_2}$は正規化済み（合計を1にしてある）ウェイトです。2点の質量が同じだとするとここはどちらも$\frac{1}{2}$でいいのですが、重さが違う場合は重い方がウェイトが小さくなり動きにくくなります。$(\|p_1 - p_2\| - d)$ は今の2点間の距離と$d$の差分、$\frac{p_1 - p_2}{\|p_1 - p_2\|}$は正規化したベクトルです。距離差分を重さに基づいて2点で分け合い、それぞれがお互いの方向に移動する、ということになります。

2点がフリーなので、まずこれまでの処理を適用した2点を用意します。前回の最後のBifrostグラフから始め、pbd内のノードをまるっと複製して2点分の計算が出来るようにしておきます。position, velocity, massだけは入力を共有せずしっかり分けておきます。

▲bifrostGraphShape > pbd（黄色い枠が増やした部分）