Unity/Unreal Engine実践：キャラクターの足場制御（Floor Constraint）徹底攻略 - 最新手法と最適化

ゲーム開発において、キャラクターの足場制御は、プレイヤーの没入感と操作性を大きく左右する重要な要素です。この記事では、UnityとUnreal Engineの両方で、キャラクターが足場にしっかりと接地し、段差や傾斜、移動時のズレといった問題を解決するための実践的な手法を解説します。レイキャスト、コライダー、カスタム物理という3つのアプローチを軸に、具体的な実装例、最適化のヒント、トラブルシューティングまでを網羅し、あなたのゲーム開発を一段階レベルアップさせます。

1. はじめに：足場制御の重要性と実装における課題

なぜ足場制御が必要なのか：キャラクターの安定性と没入感向上

足場制御は、キャラクターが現実世界と同じように地面に立っているかのような感覚を生み出すために不可欠です。足場が不安定だと、キャラクターが不自然に浮いて見えたり、滑ったり、めり込んだりしてしまい、プレイヤーの没入感を著しく損ないます。正確な足場制御は、ゲームのリアリティを高め、プレイヤーに快適な操作体験を提供します。

よくある問題点：段差、傾斜、移動時のズレ、物理演算との衝突

足場制御の実装には、多くの課題が伴います。

段差: 段差をスムーズに乗り越えたり、落下したりする処理が必要です。
傾斜: 傾斜面を滑らずに歩いたり、傾斜の角度によって移動速度を調整したりする必要があります。
移動時のズレ: キャラクターの移動と足場の位置がずれてしまうと、不自然な動きに見えてしまいます。
物理演算との衝突: キャラクターの動きが物理演算と干渉し、予期せぬ挙動を引き起こすことがあります。

本記事で解説するアプローチ：レイキャスト、コライダーベース、カスタム物理

この記事では、これらの課題を解決するために、以下の3つのアプローチを解説します。

レイキャスト: 仮想的な光線を飛ばし、足場を検出する方法。
コライダーベース: コライダーの接触イベントを利用して足場を検出する方法。
カスタム物理: 物理演算をカスタマイズして、より高度な足場制御を実現する方法。

2. レイキャストを用いた足場制御の実装

レイキャストの基本：原理と設定方法

レイキャストは、指定した位置から指定した方向に仮想的な光線を飛ばし、最初に衝突したオブジェクトを検出する技術です。足場制御では、キャラクターの足元から下向きにレイを飛ばし、地面や床などの足場を検出します。

Unityでの実装例：C#スクリプトによるレイキャスト検出、足場への吸着処理

using UnityEngine;

public class RaycastFloorConstraint : MonoBehaviour
{
    public float rayLength = 1.5f;
    public LayerMask groundLayer;
    public float groundOffset = 0.1f;

    void FixedUpdate()
    {
        RaycastHit hit;
        Vector3 rayOrigin = transform.position + Vector3.up * groundOffset;
        if (Physics.Raycast(rayOrigin, Vector3.down, out hit, rayLength, groundLayer))
        {
            transform.position = new Vector3(transform.position.x, hit.point.y, transform.position.z);
        }
    }

    void OnDrawGizmosSelected()
    {
        Gizmos.color = Color.yellow;
        Vector3 rayOrigin = transform.position + Vector3.up * groundOffset;
        Gizmos.DrawLine(rayOrigin, rayOrigin + Vector3.down * rayLength);
    }
}

rayLength: レイの長さ。
groundLayer: 足場として認識するレイヤー。
groundOffset: レイの始点位置を少し上にずらすためのオフセット。
Physics.Raycast: レイキャストを実行し、衝突情報を取得。
transform.position: キャラクターの位置を足場に合わせて調整。
OnDrawGizmosSelected: シーンビューでレイキャストを可視化。

Unreal Engineでの実装例：BlueprintまたはC++によるレイキャスト検出、足場への吸着処理

Blueprint:

LineTraceByChannelノードを使用し、キャラクターの足元から下向きにレイキャストを実行。
Break Hit Resultノードで衝突情報を取得。
Set Actor Locationノードでキャラクターの位置を足場に合わせて調整。

C++:

#include "GameFramework/Character.h"
#include "DrawDebugHelpers.h"

void AMyCharacter::Tick(float DeltaTime)
{
	Super::Tick(DeltaTime);

	FHitResult HitResult;
	FVector Start = GetActorLocation() + FVector(0, 0, GroundOffset);
	FVector End = Start + FVector(0, 0, -RayLength);
	FCollisionQueryParams QueryParams;
	QueryParams.AddIgnoredActor(this);

	if (GetWorld()->LineTraceSingleByChannel(HitResult, Start, End, ECC_Visibility, QueryParams))
	{
		SetActorLocation(FVector(GetActorLocation().X, GetActorLocation().Y, HitResult.ImpactPoint.Z));
	}

#if WITH_EDITOR
	DrawDebugLine(GetWorld(), Start, End, FColor::Yellow, false, -1, 0, 1);
#endif
}

RayLength: レイの長さ。
GroundOffset: レイの始点位置を少し上にずらすためのオフセット。
LineTraceSingleByChannel: レイキャストを実行し、衝突情報を取得。
SetActorLocation: キャラクターの位置を足場に合わせて調整。
DrawDebugLine: シーンビューでレイキャストを可視化。

パラメータ調整のコツ：レイの長さ、オフセット、レイヤーマスク

レイの長さ: キャラクターが足場から離れすぎないように、適切な長さに調整します。長すぎると、近くの壁などに吸着してしまう可能性があります。
オフセット: レイの始点をキャラクターの足元よりも少し上にずらすことで、より安定した接地判定が得られます。
レイヤーマスク: 足場として認識するレイヤーを設定することで、他のオブジェクトとの衝突を回避できます。

実装上の注意点：パフォーマンスへの影響、頻繁なレイキャストの回避策

レイキャストは、頻繁に実行するとパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

頻度削減: FixedUpdateやTickで毎回実行するのではなく、必要な時だけ実行するように調整します。
キャッシュの活用: 前回のレイキャストの結果をキャッシュし、一定時間ごとに更新することで、処理負荷を軽減できます。

3. コライダーベースの足場制御の実装

コライダーの活用：トリガーイベントによる足場検出

コライダーベースの足場制御では、キャラクターの足元にトリガーコライダーを配置し、足場となるオブジェクトのコライダーと接触したときに発生するイベントを利用します。

Unityでの実装例：OnTriggerStayイベントと足場判定

using UnityEngine;

public class ColliderFloorConstraint : MonoBehaviour
{
    public LayerMask groundLayer;
    private bool isGrounded = false;

    void OnTriggerStay(Collider other)
    {
        if (((1 << other.gameObject.layer) & groundLayer) != 0)
        {
            isGrounded = true;
        }
    }

    void OnTriggerExit(Collider other)
    {
        if (((1 << other.gameObject.layer) & groundLayer) != 0)
        {
            isGrounded = false;
        }
    }

    void FixedUpdate()
    {
        if (isGrounded)
        {
            // 足場に接地しているときの処理
        }
        else
        {
            // 足場から離れているときの処理
        }
    }
}

groundLayer: 足場として認識するレイヤー。
isGrounded: 足場に接地しているかどうかを保持するフラグ。
OnTriggerStay: トリガーコライダーと接触している間、毎フレーム呼ばれるイベント。
OnTriggerExit: トリガーコライダーとの接触が終了したときに呼ばれるイベント。

Unreal Engineでの実装例：OnComponentBeginOverlapイベントと足場判定

Blueprint:

キャラクターの足元にBox Collisionコンポーネントを追加し、Is Triggerを有効にする。
OnComponentBeginOverlapイベントで、足場となるオブジェクトのコライダーと接触したことを検知。
OnComponentEndOverlapイベントで、足場との接触が終了したことを検知。

C++:

#include "GameFramework/Character.h"
#include "Components/BoxComponent.h"

void AMyCharacter::BeginPlay()
{
	Super::BeginPlay();

	FootCollider = CreateDefaultSubobject<UBoxComponent>(TEXT("FootCollider"));
	FootCollider->SetupAttachment(RootComponent);
	FootCollider->SetCollisionProfileName(TEXT("OverlapAll"));
	FootCollider->SetGenerateOverlapEvents(true);

	FootCollider->OnComponentBeginOverlap.AddDynamic(this, &AMyCharacter::OnFootBeginOverlap);
	FootCollider->OnComponentEndOverlap.AddDynamic(this, &AMyCharacter::OnFootEndOverlap);
}

void AMyCharacter::OnFootBeginOverlap(UPrimitiveComponent* OverlappedComponent, AActor* OtherActor, UPrimitiveComponent* OtherComp, int32 OtherBodyIndex, bool bFromSweep, const FHitResult& SweepResult)
{
	if (OtherComp->ComponentHasTag(TEXT("Ground")))
	{
		bIsGrounded = true;
	}
}

void AMyCharacter::OnFootEndOverlap(UPrimitiveComponent* OverlappedComponent, AActor* OtherActor, UPrimitiveComponent* OtherComp, int32 OtherBodyIndex)
{
	if (OtherComp->ComponentHasTag(TEXT("Ground")))
	{
		bIsGrounded = false;
	}
}

FootCollider: 足元に配置したトリガーコライダー。
OnComponentBeginOverlap: トリガーコライダーと接触したときに呼ばれるイベント。
OnComponentEndOverlap: トリガーコライダーとの接触が終了したときに呼ばれるイベント。
bIsGrounded: 足場に接地しているかどうかを保持するフラグ。

メリットとデメリット：レイキャストとの比較、複雑な形状への対応

メリット:
- レイキャストよりも処理負荷が低い場合がある。
- 複雑な形状の足場にも対応しやすい。
デメリット:
- コライダーの配置やサイズ調整が難しい場合がある。
- 複数のコライダーと接触した場合の処理が複雑になる。

実装上の注意点：コライダーの配置とサイズ、パフォーマンスへの影響

コライダーの配置とサイズ: キャラクターの足元に適切に配置し、足場を正確に検出できるように調整します。
パフォーマンスへの影響: トリガーイベントは頻繁に発生する可能性があるため、処理負荷を軽減するように注意します。

4. カスタム物理を用いた高度な足場制御

物理演算のカスタマイズ：キャラクターの接地判定と重力制御

カスタム物理を用いた足場制御では、キャラクターの物理演算をカスタマイズし、より高度な接地判定や重力制御を実現します。

Unityでの実装例：Rigidbodyの制御、カスタム重力の実装

using UnityEngine;

public class CustomPhysicsFloorConstraint : MonoBehaviour
{
    public float gravityScale = 1f;
    public float groundCheckDistance = 0.2f;
    public LayerMask groundLayer;
    private Rigidbody rb;
    private bool isGrounded;

    void Start()
    {
        rb = GetComponent<Rigidbody>();
        rb.useGravity = false;
    }

    void FixedUpdate()
    {
        isGrounded = Physics.Raycast(transform.position, Vector3.down, groundCheckDistance, groundLayer);

        if (isGrounded)
        {
            rb.velocity = new Vector3(rb.velocity.x, 0f, rb.velocity.z); // 接地時は垂直方向の速度を0に
        }
        else
        {
            rb.AddForce(Physics.gravity * gravityScale, ForceMode.Acceleration); // カスタム重力
        }
    }
}

gravityScale: カスタム重力のスケール。
groundCheckDistance: 接地判定のためのレイの長さ。
rb.useGravity = false: Unityの標準重力を無効化。
rb.AddForce: カスタム重力を適用。
rb.velocity: 接地時の垂直方向の速度を0に設定。

Unreal Engineでの実装例：CharacterMovementComponentの拡張、カスタム重力の実装

C++:

#include "GameFramework/Character.h"
#include "GameFramework/CharacterMovementComponent.h"

void AMyCharacter::BeginPlay()
{
	Super::BeginPlay();
	GetCharacterMovement()->GravityScale = 0.0f; // 標準重力を無効化
}

void AMyCharacter::Tick(float DeltaTime)
{
	Super::Tick(DeltaTime);

	if (GetCharacterMovement()->IsFalling())
	{
		GetCharacterMovement()->AddForce(FVector(0, 0, -CustomGravity * GetCharacterMovement()->Mass)); // カスタム重力
	}

    if (GetCharacterMovement()->IsMovingOnGround()) {
       GetCharacterMovement()->Velocity.Z = 0; // 接地時は垂直方向の速度を0に
    }
}

GetCharacterMovement()->GravityScale = 0.0f: Unreal Engineの標準重力を無効化。
GetCharacterMovement()->AddForce: カスタム重力を適用。
GetCharacterMovement()->Velocity.Z: 接地時の垂直方向の速度を0に設定。

応用例：傾斜面への対応、ジャンプ時の挙動制御、動く足場への追従

傾斜面への対応: レイキャストで検出した足場の法線ベクトルを利用して、キャラクターの移動方向を調整します。
ジャンプ時の挙動制御: ジャンプ力を調整したり、ジャンプ中の重力加速度を変化させたりすることで、より自然なジャンプを実現します。
動く足場への追従: 足場の移動に合わせてキャラクターの位置を調整することで、動く足場に乗っている感覚を再現します。

実装上の注意点：物理演算の安定性、複雑な実装によるバグ発生リスク

物理演算の安定性: カスタム物理は、パラメータの調整が難しく、不安定な挙動を引き起こす可能性があります。
複雑な実装によるバグ発生リスク: 実装が複雑になるほど、バグが発生しやすくなるため、注意が必要です。

5. パフォーマンス最適化とトラブルシューティング

レイキャストの最適化：頻度削減、キャッシュの活用

頻度削減: レイキャストの実行頻度を減らすために、接地判定が必要な時だけ実行するようにします。
キャッシュの活用: レイキャストの結果をキャッシュし、一定時間ごとに更新することで、処理負荷を軽減できます。

コライダーの最適化：不要なコライダーの削除、レイヤー設定

不要なコライダーの削除: 不要なコライダーを削除することで、トリガーイベントの発生を減らし、処理負荷を軽減できます。
レイヤー設定: コライダーのレイヤーを適切に設定することで、不必要な接触判定を回避できます。

物理演算の最適化：固定フレームレート、不要な物理演算の停止

固定フレームレート: 物理演算を固定フレームレートで実行することで、挙動の安定性を高めることができます。
不要な物理演算の停止: キャラクターが静止しているときは、物理演算を停止することで、処理負荷を軽減できます。

よくあるトラブルシューティング：キャラクターのめり込み、足場のズレ、落下判定の誤り

キャラクターのめり込み: レイの長さやコライダーのサイズを調整し、キャラクターが足場にめり込まないようにします。
足場のズレ: キャラクターの移動速度と足場の移動速度を合わせることで、足場のズレを解消します。
落下判定の誤り: 接地判定の精度を上げ、落下判定が誤って発生しないようにします。

デバッグ手法：可視化ツール、ログ出力

可視化ツール: レイキャストやコライダーの範囲を可視化することで、問題箇所を特定しやすくなります。
ログ出力: 接地判定や移動処理に関するログを出力することで、問題の原因を特定しやすくなります。

6. まとめ：実践的な足場制御のベストプラクティス

各手法のメリット・デメリットの再確認

レイキャスト:
- メリット: 実装が比較的簡単、正確な接地判定が可能。
- デメリット: 処理負荷が高い場合がある。
コライダーベース:
- メリット: レイキャストよりも処理負荷が低い場合がある、複雑な形状の足場に対応しやすい。
- デメリット: コライダーの配置やサイズ調整が難しい場合がある。
カスタム物理:
- メリット: より高度な接地判定や重力制御が可能、カスタマイズ性が高い。
- デメリット: 実装が複雑、物理演算の安定性が難しい。

実装における選択の指針：ゲームジャンル、キャラクターの動き、パフォーマンス要件

ゲームジャンル: 2Dゲームやシンプルな3Dゲームでは、レイキャストやコライダーベースで十分な場合があります。一方、複雑なアクションゲームや物理演算を多用するゲームでは、カスタム物理が必要になる場合があります。
キャラクターの動き: キャラクターの動きが複雑な場合は、より高度な接地判定や重力制御が必要になるため、カスタム物理を検討する必要があります。
パフォーマンス要件: パフォーマンスが重要な場合は、処理負荷の低いレイキャストやコライダーベースを選択するか、最適化を行う必要があります。

今後の展望：AIを活用した足場制御、より高度な物理演算の利用

AIを活用した足場制御: AIを利用して、より自然な足場制御やキャラクターの動きを実現する研究が進んでいます。
より高度な物理演算の利用: より高度な物理演算を利用することで、よりリアルな足場制御を実現する可能性があります。

この記事が、あなたのゲーム開発における足場制御の課題解決に役立つことを願っています。

参考リンク:

Unity 公式ドキュメント: https://docs.unity3d.com/ja/
Unreal Engine 公式ドキュメント: https://docs.unrealengine.com/