XR最適化バイブル

XRプロジェクトにおける物理演算最適化：安定したインタラクションとパフォーマンスを実現する秘訣

XR（eXtended Reality）プロジェクトにおいて、物理演算は没入感のあるインタラクションやリアルな挙動を実現するために不可欠な要素です。しかし、その計算コストの高さから、しばしばプロジェクトのパフォーマンスボトルネックとなることがあります。特に、多くの物理オブジェクトが同時に存在する場面や、複雑な衝突判定が頻繁に発生する場面では、フレームレートの著しい低下を招く可能性がございます。

本記事では、ゲーム開発に携わる皆様が、このような物理演算に起因するパフォーマンス課題に直面した際に、その原因を特定し、具体的な最適化アプローチを適用できるよう、物理演算の基本から実践的なテクニックまでを解説いたします。安定したフレームレートを維持しつつ、高品質なXR体験を提供するための知見を深めていきましょう。

物理演算がパフォーマンスに与える影響

物理演算は、オブジェクトの衝突判定、重力、摩擦、反発といった物理現象をシミュレーションするための計算をCPU上で行います。この計算は非常に負荷が高く、特に以下の状況で顕著になります。

• 多数のRigidbodyオブジェクト: 同時に多くの動的な物理オブジェクトが存在し、それぞれが独立して物理シミュレーションの対象となる場合。
• 複雑なコライダー形状: Primitive Collider（Box、Sphere、Capsule）に比べて、Mesh Colliderのような複雑な形状を持つコライダーは、衝突判定の計算コストが大幅に増加します。
• 頻繁な衝突検出: オブジェクト同士が常に接触している、または高速で移動して頻繁に衝突するようなシナリオでは、毎フレームの衝突判定処理が大きな負荷となります。
• 物理エンジンの更新頻度: 物理シミュレーションが実行される頻度が高いほど、CPUの使用率は高くなります。

これらの要因が重なると、CPUの処理能力が物理演算に集中し、ゲームロジックやレンダリング処理に割り当てられる時間が減少し、結果としてフレームレートの低下やカクつきが発生します。

パフォーマンスボトルネックの特定：Profilerの活用

物理演算によるパフォーマンスボトルネックを特定する上で、UnityやUnreal Engineに搭載されているProfilerは非常に強力なツールです。Profilerを使用することで、CPUやGPUのどの部分に時間がかかっているかを視覚的に把握できます。

UnityでのProfiler活用

Unityでは、Window > Analysis > ProfilerからProfilerを開きます。 CPU Usageビューで、特にPhysicsカテゴリに注目してください。

• Physics.Simulate: 物理シミュレーション全体の更新にかかる時間を示します。この項目が長い場合、物理演算全般がボトルネックとなっている可能性が高いです。
• Physics.Processing: 剛体（Rigidbody）の移動計算や衝突解決にかかる時間。
• Collision Detection: 衝突検出にかかる時間。
• Broadphase: 広域衝突判定（大まかな衝突候補の絞り込み）にかかる時間。
• FixedUpdate: FixedUpdateメソッド内で実行されるスクリプト処理も物理演算の固定更新と同期しているため、ここでの処理が重い場合も物理演算のボトルネックと関連している可能性があります。

これらの項目がフレーム時間の大部分を占めている場合、物理演算の最適化が必要であると判断できます。

Unreal EngineでのProfiler活用

Unreal Engineでは、Stat Physicsコマンドや、Session FrontendのProfilerタブを使用します。 特にStat Physicsはリアルタイムで物理演算の統計情報を表示し、Session Frontendでは詳細なフレームデータを分析できます。 Physics関連のセクションや、Simulation、Collisionなどの項目でCPU時間の大部分が費やされている場合、物理演算がボトルネックとなっています。

具体的な物理演算最適化手法

ボトルネックを特定したら、次に具体的な最適化手法を適用していきます。

1. 固定更新レート（Fixed Timestep）の調整

物理シミュレーションは、Update関数のように毎フレーム実行されるのではなく、一定の時間間隔で実行されるFixedUpdate内で処理されます。この時間間隔を調整することで、物理演算の頻度を制御できます。

• Unityの場合: Edit > Project Settings > Timeを開き、Fixed Timestepの値を調整します。デフォルトは0.02秒（50Hz）です。 この値を大きくすると物理演算の実行頻度が減少し、CPU負荷が軽減されます。例えば、0.0333秒（30Hz）に設定することで、物理演算の計算回数を減らすことができます。 ただし、値を大きくしすぎると物理シミュレーションの精度が低下し、オブジェクトの挙動が不自然になったり、高速移動するオブジェクトがコリジョンをすり抜けたりする可能性があります。特にXRではインタラクションのズレに繋がりやすいため、慎重な調整とテストが必要です。

• Unreal Engineの場合: Edit > Project Settings > PhysicsのPhysics Update Rateカテゴリで、Max Substep Delta TimeとMax Substepsを調整します。 Max Substep Delta Timeは物理ティックごとの最大時間間隔を、Max Substepsは物理フレームあたりの最大サブステップ数を定義します。これらの値を適切に調整することで、物理演算の精度とパフォーマンスのバランスを取ることができます。

2. コライダーの形状と複雑さ

コライダーの形状は、衝突判定の計算コストに大きく影響します。

• シンプルなコライダーの優先: Sphere Collider、Box Collider、Capsule Colliderといったプリミティブなコライダーは、数学的に単純な形状であるため、衝突判定の計算コストが非常に低いです。可能な限りこれらのコライダーを使用するようにしてください。

• Mesh Colliderの使用は最小限に: Mesh Colliderは、メッシュの形状そのままをコライダーとして使用するため、非常に複雑な形状に対応できますが、その分計算コストが極めて高くなります。特に非凸型（Non-Convex）のMesh Colliderは、他のコライダーとの衝突判定に多くの計算資源を必要とします。

  • 凸型（Convex）Mesh Collider: UnityではIs Convexオプションを有効にすることで、元のメッシュを単純な凸型形状の集合に変換し、非凸型よりは効率的になります。ただし、複雑な凸型Mesh Colliderもまだ負荷が高いです。
  • 使用推奨シーン: 動かない環境オブジェクト（壁、床、地形など）の衝突判定に限定し、動的なオブジェクトには原則として使用しないようにします。複雑な地形でも、複数のPrimitive Colliderを組み合わせることで代用できないか検討してください。

• コライダー数の削減: 不要なコライダーはすべて削除してください。また、一つのオブジェクトに複数のコライダーをアタッチしている場合、それらを結合できるシンプルなコライダーに置き換えられないか検討してください。

3. レイヤーコリジョンマトリックス（Layer Collision Matrix）の設定

すべてのレイヤーのオブジェクトが、すべてのレイヤーのオブジェクトと衝突判定を行う必要はありません。特定のレイヤー間の衝突判定を無効にすることで、物理演算の計算量を大幅に削減できます。

• Unityの場合: Edit > Project Settings > Physics (または Physics 2D)を開き、Layer Collision Matrixを確認します。 ここで、衝突判定が不要なレイヤーの組み合わせのチェックボックスをオフにしてください。例えば、「プレイヤー」レイヤーと「UI」レイヤーのオブジェクトが衝突する必要がない場合、その間のチェックボックスを外します。

• Unreal Engineの場合: Edit > Project Settings > PhysicsのCollision Presetsで、カスタムコリジョンプロファイルを作成し、特定のオブジェクトタイプに対する衝突応答（Ignore, Overlap, Block）を設定できます。 また、各オブジェクトのコリジョン設定で、Collision Presetsを選択したり、Object TypeとResponse to Channelsを個別に設定したりすることで、衝突判定を制御します。

4. Rigidbodyのスリープモードの活用

UnityのRigidbodyやUnreal Engineの物理アセットは、一定時間以上静止しているオブジェクトを自動的に「スリープ」状態にします。スリープ状態のオブジェクトは、物理演算の対象から一時的に除外されるため、CPU負荷を軽減できます。

• Unityの場合: Rigidbody.sleepThresholdを調整することで、スリープ状態に入るための動きのしきい値を設定できます。デフォルト値は0.005です。この値を少し大きくすることで、より早くスリープ状態に入りやすくなりますが、意図しない挙動にならないよう注意が必要です。 また、オブジェクトがわずかに振動し続けてスリープ状態に入れない場合があるため、スクリプトで不必要にtransform.positionやrigidbody.velocityを変更していないか確認してください。

• Unreal Engineの場合: 物理アセットの設定で、Enable GravityやUse CCD（Continuous Collision Detection）などの設定がスリープの挙動に影響を与えます。基本的に、動いていないオブジェクトはスリープ状態に入りやすいように設計されていますが、不必要な力を与えたり、常に微細な動きを与えたりするスクリプトは避けるべきです。

5. Kinematic RigidbodyとStatic Colliderの活用

• Static Collider: 全く動かない環境オブジェクト（床、壁、地形など）には、Rigidbodyをアタッチせず、コライダーのみを配置します。これらは最も計算コストが低く、物理エンジンは一度計算した衝突情報を再利用できます。

• Kinematic Rigidbody: スクリプトによって直接移動を制御するが、他の物理オブジェクトとの衝突検出やトリガー検出が必要なオブジェクトには、Is Kinematicを有効にしたRigidbodyを使用します。 Kinematic Rigidbodyは物理エンジンによって動きを計算されることはありませんが、他のRigidbodyとの衝突判定は行います。これにより、物理エンジンによる動きの計算負荷を避けつつ、インタラクションを維持できます。動くプラットフォームやドアなどに適しています。

  Unityの場合: RigidbodyコンポーネントのIs Kinematicチェックボックスをオンにします。transformを直接操作して移動させます。

6. XRにおける物理演算の視覚的なずれへの対応

FixedUpdateで物理演算が更新され、Updateでレンダリングが行われるというUnityのライフサイクルの特性上、特にフレームレートが不安定なXR環境では、物理演算オブジェクトの動きがカクついて見えることがあります。これを軽減するために、Interpolate（補間）モードを利用できます。

• Unityの場合: RigidbodyコンポーネントのInterpolate設定をInterpolateまたはExtrapolateに設定します。
  • Interpolate: 過去のフレームと現在のフレームの間に補間を適用し、滑らかな動きを実現します。若干の遅延が発生する可能性があります。
  • Extrapolate: 現在の速度に基づいて将来のフレーム位置を予測し、補外を適用します。遅延は少ないですが、予測が外れるとわずかなカクつきが見られることがあります。 どちらのモードもCPU負荷をわずかに増加させる可能性がありますが、視覚的な滑らかさを優先する場合に有効です。

結論と次のステップ

XRプロジェクトにおいて物理演算の最適化は、没入感の高い体験を安定したパフォーマンスで提供するために不可欠です。本記事でご紹介した手法は、物理演算に起因するパフォーマンスボトルネックを特定し、効果的に解決するための一歩となるでしょう。

重要なのは、これらの最適化手法を一度にすべて適用するのではなく、Profilerでボトルネックを特定し、最も影響の大きい部分から段階的に改善していくことです。また、最適化は常にパフォーマンスとゲームプレイ体験のバランスを考慮して行う必要があります。過度な最適化は、意図しない挙動やリアリティの喪失に繋がりかねません。

今後は、ご自身のプロジェクトでProfilerを活用し、物理演算の負荷を詳細に分析してください。そして、本記事で解説した固定更新レートの調整、コライダーの最適化、レイヤーコリジョンマトリックスの設定、Rigidbodyのスリープモード活用、Kinematic/Staticの使い分けといった具体的な手法を試し、XR体験の品質向上と安定したパフォーマンスの実現を目指してください。