パーティクルシステム

パーティクルシステムは、ゲーム物理学、モーション グラフィックス、およびコンピューター グラフィックスの技術であり、多数の微細なスプライト、3D モデル、またはその他のグラフィック オブジェクトを使用して、従来のレンダリング技術では再現が非常に難しい特定の種類の「あいまいな」現象 (通常は高度に混沌としたシステム、自然現象、または化学反応によって発生するプロセス) をシミュレートします。

1982年の映画『スタートレックII カーンの逆襲』で架空の「ジェネシス効果」のために導入された^{[1]。他の例としては、}火、爆発、煙、流水（滝など）、火花、落ち葉、落石、雲、霧、雪、ほこり、流星の尾、星、銀河などの現象の再現や、光る軌跡、魔法の呪文などの抽象的な視覚効果などがあり、これらはすぐに消えて効果のソースから再放出される粒子を使用します。別の手法は、毛皮、髪の毛、草など、多くのストランドを含むものに使用でき、粒子の存続期間全体を一度にレンダリングし、問題の素材の1本のストランドとして描画および操作します。

粒子系は、動作と外観を定義する一連の規則によって導かれる空間内の点のグループとして定義されます。粒子系は、確率過程を使用して、アフィン変換で表現することが難しい力学システムと流体力学の定義を簡素化し、現象を粒子の雲としてモデル化します。^[2]

パーティクル システムは通常、次のモジュールを実装します。

• 位置を指定して新しい粒子を生成する放出ステージ。
• パラメータを更新し、粒子がどのように進化するかをシミュレートするシミュレーション ステージ。
• パーティクルをレンダリングする方法を指定するレンダリング ステージ。

エミッターは、生成率 (単位時間あたりに生成されるパーティクルの数)、パーティクルの初期速度ベクトル (作成時にパーティクルが放出される方向) を実装します。メッシュ オブジェクトをエミッターとして使用する場合、初期速度ベクトルはオブジェクトの個々の面に対して垂直になるように設定されることが多く、パーティクルが各面から直接「噴射」されるように見えますが、これはオプションです。

シミュレーション段階では、生成する必要がある新しいパーティクルの数が生成率と更新間隔に基づいて計算され、各パーティクルは、エミッターの位置と指定された生成領域に基づいて、3D 空間の特定の位置に生成されます。パーティクルの各パラメータ (速度、色など) は、エミッターのパラメータに従って初期化されます。更新のたびに、既存のパーティクルがすべて寿命を超えているかどうかがチェックされ、寿命を超えた場合はシミュレーションから削除されます。それ以外の場合は、パーティクルの位置とその他の特性が物理シミュレーションに基づいて進められます。これは、現在の位置を移動するだけの単純なものから、外部の力 (重力、摩擦、風など) を考慮した物理的に正確な軌道計算を実行するだけの複雑なものまであります。パーティクルとシーン内の指定された 3D オブジェクトとの間で衝突検出を実行して、パーティクルが環境内の障害物から跳ね返ったり、その他の方法で障害物と相互作用したりすることが一般的です。パーティクル間の衝突は、計算コストが高く、ほとんどのシミュレーションで視覚的に関連がないため、ほとんど使用されません。

更新が完了すると、各パーティクルがレンダリングされます。通常はテクスチャ付きの ビルボード 四角形(つまり、常にビューアに面している四辺形) の形でレンダリングされます。ただし、ゲームではこの処理は必要ない場合もあります。解像度が低い、または処理能力が限られている環境では、パーティクルは 1 つのピクセルとしてレンダリングされることがあります。逆に、モーション グラフィックスでは、パーティクルはフルサイズですが、スケールが小さく、レンダリングしやすい 3D モデルになる傾向があり、高解像度でも忠実度が確保されます。パーティクルは、オフライン レンダリングでメタボールとしてレンダリングできます。パーティクル メタボールから計算された等値面は、非常にリアルな液体を作成します。最後に、3D メッシュ オブジェクトはパーティクルの代わりに使用できます。吹雪は、1 つの 3D 雪片メッシュを複製して回転し、数千または数百万のパーティクルの位置と一致させることで構成できます。^[3]

1983年、リーブスはアニメーション化された点のみを定義し、火花、雨、火などの動く粒子のシミュレーションを作成しました。これらの実装では、アニメーションの各フレームには、そのライフサイクル内の特定の位置にある各粒子が含まれ、各粒子は空間内の単一の点の位置を占めます。消散する火や煙などの効果の場合、各粒子にはフェードアウト時間または固定寿命が与えられます。一方、吹雪や雨などの効果では、粒子が特定の視野から外れると、通常、粒子の寿命が終了します。^[1]

1985 年、リーブスはこの概念を拡張し、各パーティクルのライフサイクル全体を同時にレンダリングするようになりました。その結果、パーティクルは点ではなく全体的な軌道を示す静的なマテリアルのストランドに変換されます。これらのストランドは、髪の毛、毛皮、草などのマテリアルをシミュレートするために使用できます。ストランドは、アニメーション化されたパーティクルが従うのと同じ速度ベクトル、力場、生成率、および偏向パラメータを使用して制御できます。さらに、レンダリングされたストランドの太さも制御でき、実装によってはストランドの長さに沿って変化させることができます。パラメータのさまざまな組み合わせにより、硬さ、しなやかさ、重さ、剛毛、またはその他のさまざまな特性を与えることができます。ストランドは、テクスチャ マッピングを使用して、エミッター サーフェス全体でストランドの色、長さ、またはその他の特性を変えることもできます。^[4]

1987年、レイノルズは群れ行動の概念を導入しました。ボイドモデルは粒子シミュレーションを拡張し、目標探索、衝突回避、群れの中心化、限定知覚などの外部状態の相互作用を含めました。[ 5 ^]

2003年、ミュラーは粘性、圧力、表面張力をシミュレートすることで粒子システムを流体力学に拡張し、その後、平滑化粒子流体力学で離散位置を補間することで表面をレンダリングしました。^[6]

ゲーム エンジン、デジタル コンテンツ作成システム、エフェクト アプリケーションに組み込むことができるパーティクル システム コードは、最初から作成することも、ダウンロードすることもできます。Havokは、複数のパーティクル システム API を提供しています。Havok FX API は、特にパーティクル システム エフェクトに重点を置いています。Ageia (現在はNvidiaの子会社)は、 Unreal Engine 3ゲームを含む多くのゲームで使用されるパーティクル システムおよびその他のゲーム物理 API を提供しています。GameMaker StudioとUnity はどちらも、インディー、趣味人、または学生のゲーム開発者がよく使用する 2 次元パーティクル システムを提供していますが、他のエンジンにインポートすることはできません。他の多くのソリューションも存在し、非標準のエフェクトや動作が必要な場合は、パーティクル システムを最初から作成することがよくあります。

• N体シミュレーション
• 粒子法

• 海のしぶきが顔に当たる。 —ジェフ・ランダー(Graphic Content、1998 年 7 月)
• 高度な粒子システムの構築 — John van der Burg ( Gamasutra、2000 年 6 月)
• 三角形ストリップを使用したパーティクルエンジン — Jeff Molofee (NeHe)
• C++ とテンプレートを使用した拡張可能なパーティクル システムの設計 — Kent Lai (GameDev.net)
• LSL Second Life 形式の公開 3D パーティクル スクリプトのリポジトリ - Ferd Frederix
• WebGL を使用した GPU パーティクル システム - 計算に WebGL を使用してブラウザ内で直接パーティクル効果を実現します。