この記事は、「Xamarin / MAUI Advent Calendar 2021」の、21日目の記事です。

今年もアドベントカレンダーが始まりましたね。私も何か書きたいと思ったのですが、なかなかいいアイデアが思い浮かびません。そこで今年は、クリスマスプレゼント代わりに、ゲームを１つ作ろうと思います。

私は以前から、Xamarin.AndroidでCardboardアプリを作成しています。Cardboardとは、スマホで簡単に以下のようなVRアプリを作成することができるライブラリです。

Cardboardアプリを作成するにはSDKを利用する必要がありますが、Xamarinでは直接、利用できません。AARやJARを「Xamarinバインドライブラリ」という仕組みで利用したり、NDK経由で呼び出す必要があり、簡単に利用することができませんでした。
そこで私は昨年のアドベントカレンダーで、デコンパイルされたSDKのソースコードをC#でかきなおし、簡単にXamarinからCardboardアプリを作成することができるライブラリを公開していました。

今回はそのライブラリを利用して、できるだけCardboardの特徴を活かしたゲームを作ろうと思います。なお、Cardboardアプリときいて「どうせ、VRゴーグルが必要なんでしょ？」と思うかもしませんが、VRゴーグルなしでも楽しめるアプリにしたいと思います。

どんなゲームを作ろうか

色々考えた結果、「だるまさんがころんだ」ゲームを作ることにします。

あなたは雪原の中心にいて、雪だるまが周りを取り囲んでいます。
スマートフォンをもって周りをキョロキョロ見まわしてみましょう。遠くの方に雪だるまが見えます。
雪だるまは、あなたが見ているときは動けませんが、見ていないときは、少しずつ近づいてきます。
雪だるまが近づいたとき、雪だるまを攻撃すると、倒すことができます。
雪だるまにタッチされると、負けです。

3Dプログラムの知識も少し必要です。

Cardboardアプリを作成するには、3Dプログラムの知識が必要です。Androidで3Dアプリを作成するにはOpenGLを利用します。Xamarinで直接OpenGLを利用することもできるのですが、ここでは、C#でOpenGLを利用するための「OpenTK」というライブラリを利用しています。この記事内ではOpenGLやOpenTKについての説明は行いませんが、知識がなくても、雰囲気だけは理解できるように注意して記載したつもりです。

ここからしばらくプログラムの話がつづきます

作成したゲームが気になる方は、下の「こんなゲームができました」を先にご覧ください。

ゲームのソースコードはgithubで公開しています。

完成したゲームはGoogle Playからダウンロードして遊ぶことができます。

3Dプログラムの座標系

AndroidやWindowsのフォームプログラムなどでは、画面に描画するときは、左上が原点で、右側がX軸のプラス、下側がY軸のプラスです。それに対してOpenGLの世界では、中心が原点で、右側がX軸のプラス、上側がY軸のプラス、手前側がZ軸のプラスとなります。

そしてこの世界の中に、カメラやキャラクターを設置し動かすことで、ゲームを作るのです。

あなたは雪原の中心にいて、

あなたの場所＝カメラの視点ですので、カメラを原点に設置します。OpenGLでカメラの場所を指定するには、「座標」「みる場所」「どっちが上」の３要素を指定する必要があります。ここでは「場所＝原点」「みる場所＝Z軸のマイナス方向」「どっちが上＝Y軸のプラス方向」にしています。

プログラムでは「原点=Vector3.Zero」「みる場所=-Vector3.UnitZ」「どっちが上＝Vector3.UnitY」という情報からMatrix4.LookAt()を呼び出して、カメラ視点マトリクスを作成します。カメラ視点マトリクスについては後でまた説明します。

var lookat = Matrix4.LookAt(Vector3.Zero, -Vector3.UnitZ, Vector3.UnitY);

雪だるまが周りを取り囲んでいます。

雪だるまを、原点の周りにぐるっと取り囲むように配置するために、雪だるま（Enemyクラス）に「Angle」と「Distance」の２つのパラメータを用意します。

class Enemy
{
    /// <summary>表示位置角度をラジアンで。</summary>
    public double Angle { get; set; }

    /// <summary>中心からの距離。0.0-1.0範囲</summary>
    public double Distance { get; set; }

    /* ...以下省略... */
}

「Angle」は角度の意味で、Z軸のマイナス方向を基準として、そこから何度回転したところにいるかを意味することとします。角度は0°～360°で指定するのではなく、0～2π範囲の「ラジアン」で指定します。
「Distance」は距離の意味で、原点からどれだけ離れているかを意味することとします。0.0～1.0範囲とし、0で原点、1.0で雪原のはしっことします。

そしてそれを、カメラの正面(-Z軸)を起点に、Y軸を中心として、角度Angleだけ回転した場所に、雪だるまを配置します。距離も、Distanceの分だけ離れて配置します。

/* 雪だるまの描画関数より抜粋 */

// カメラの正面(-Z軸)を起点にY軸中心に回転。
Shader.Rotate((float)enemy.Angle.RadianToDegree(), Vector3.UnitY);
// 距離を離す。
Shader.Translate(0, 0, (float)enemy.Distance * -20);

スマートフォンをもって周りをキョロキョロ見まわしてみましょう。

Cardboardでは、「OnNewFrame->OnDrawEye(左目)->OnDrawEye(右目)」が繰り返して呼ばれます。
スマートフォンの動きに合わせてカメラ映像を動かし、左目または右目の視点にするには、OnDrawEyeのEyeTransform引数のGetEyeView()を呼び出してMatrixを取得し、それをカメラ視点Matrixに掛けます。

var mat = transform.GetEyeView().ToMatrix4();
var lookat = Matrix4.LookAt(Vector3.Zero, -Vector3.UnitZ, Vector3.UnitY);
Shader.SetLookAt(lookat * mat);

また、あなたが向いている方向にプレイヤーキャラクターを向ける必要があります。あなたがどこを向いているかは、OnNewFrameのheadTransform引数のgetForwardVector()から取得することができます。float[4]で取得できますが、それをOpenTKの「Vector3」に変換しておくと便利です。Vector3（Vectorはベクトルと呼びます）はOpenTKで3次元の座標や方向を表すための構造体です。

private float[] Forward = new float[3];
public void OnNewFrame(HeadTransform transform)
{
    // 顔の向いている方向を取得してPlayerにそっちを向かせる。
    transform.getForwardVector(Forward, 0);
    Player.Forward = new Vector3(Forward[0], Forward[1], Forward[2]);
}

雪だるまは、あなたが見ているときは動けませんが、見ていないときは、少しずつ近づいてきます。

雪だるまの場所を指定する「Angle」と、「あなたがどこを向いているか」の「Forward」をつかって判定します。ベクトルが同じ方向を向いているかは、2つのベクトルの内積を取ればわかります。長さ1のベクトル同士の場合、同じ方向を向いているほど、内積は1.0に近くなります。ただし、Angleはまだベクトルではありませんので、ベクトルに変換して判定します。

雪だるまが近づいたとき、雪だるまを攻撃すると、倒すことができます。

Cardboardアプリで問題になることの１つが、どうやって「攻撃」したことにするかです。通常のアプリであれば、画面タッチで攻撃にすればいいのですが、CardboardアプリをVRゴーグルに入れている場合、ユーザーは画面にタッチできません。そこでこのアプリでは、スマートフォンのセンサーの１つである「加速度センサー」を利用することにします。センサーに一定以上の加速度が加わったら、ユーザーが「攻撃した」と判定することとします。
なお、おすすめは、VRゴーグル使用時はジャンプ！そうでない場合は腕をのばしてスマホで雪だるまを「たたく」イメージです。