NavigationServer3D を用いた経路探索
NavigationServer3D は、Godot Engine における経路探索の心臓部です。この強力なノードは、3D空間におけるキャラクターやオブジェクトの移動を可能にするためのナビゲーションメッシュの生成、管理、そしてそれらを基にした経路探索アルゴリズムの提供を行います。本稿では、NavigationServer3D の機能、実装方法、および関連する概念について掘り下げ、その活用法を解説します。
NavigationServer3D の基本概念
NavigationServer3D は、直接的なノードではなく、サーバーとして機能します。つまり、シーンツリー内で直接配置されるものではなく、スクリプトからアクセスして操作するバックエンドサービスのようなものです。主な役割は以下の通りです。
ナビゲーションメッシュの生成と管理
経路探索の基盤となるのはナビゲーションメッシュです。これは、キャラクターが移動可能な3D空間の表面を、ポリゴン（通常は三角形）の集合体として表現したものです。NavigationServer3D は、シーン内のコリジョン形状（MeshInstance3D、StaticBody3D など）を基に、自動的にナビゲーションメッシュを生成します。この生成プロセスは、以下の要素を考慮して行われます。
- Agent のサイズ: キャラクターが通過できる通路の幅や高さを指定します。これにより、狭すぎる場所や低すぎる場所はナビゲーションメッシュから除外されます。
- エッジの接続性: 隣接するメッシュ間の接続性を考慮し、スムーズな移動を可能にします。
- 階層構造: 複雑なシーンでも効率的にナビゲーションメッシュを構築します。
生成されたナビゲーションメッシュは、 NavigationMeshSourceGeometryParser と NavigationMeshBuilder を用いて、さらに細かく制御・最適化することが可能です。
経路探索アルゴリズム
NavigationServer3D は、A* アルゴリズムのような標準的な経路探索アルゴリズムを内部で実装しています。これにより、開始地点から目標地点までの最短経路、あるいは最も効率的な経路を計算することができます。経路探索の要求は、NavigationServer3D に対して送信され、計算された経路は、点の配列として返されます。この配列を元に、キャラクターの移動処理を実装します。
NavigationServer3D の実装方法
NavigationServer3D を利用するには、主に以下のステップを踏みます。
NavigationServer3D へのアクセス
NavigationServer3D は、シングルトンとして提供されており、NavigationServer3D.get_singleton() を通じてアクセスできます。しかし、通常は NavigationServer3D に直接アクセスするのではなく、より高レベルなノードである NavigationRegion3D を使用します。NavigationRegion3D は、シーンツリー内で配置され、その配下のジオメトリを NavigationServer3D に登録し、ナビゲーションメッシュの生成と管理を容易にします。
NavigationRegion3D の設定
NavigationRegion3D ノードをシーンに追加し、そのプロパティを設定します。重要なプロパティには以下のようなものがあります。
- Navigation Mesh: 生成されるナビゲーションメッシュのプロパティを定義します。これには、Agent のサイズ、メッシュの解像度、ジオメトリのパージンなどが含まれます。
- Source Geometry Mode: ナビゲーションメッシュの元となるジオメトリ（コリジョン形状）の取得方法を指定します。
- Enter/Exit Cost: 特定の領域への出入りにかかるコストを設定します。これにより、特定の経路をより好むように誘導できます。
経路探索の実行
経路探索を実行するには、NavigationServer3D の map_get_path() メソッドを使用します。このメソッドには、開始位置、目標位置、およびナビゲーションメッシュの ID を渡します。結果として返されるのは、経路上の点の配列です。この配列をキャラクターの移動処理に利用します。
var start_position = Vector3(0, 0, 0)
var end_position = Vector3(10, 0, 10)
var navigation_mesh_id = NavigationServer3D.get_singleton().get_navigation_map() # デフォルトマップID
var path = NavigationServer3D.get_singleton().map_get_path(navigation_mesh_id, start_position, end_position, true)
if path.size() > 0:
# path 配列を使ってキャラクターを移動させる
pass
発展的な利用方法と考慮事項
NavigationServer3D は、基本的な経路探索だけでなく、より高度なシナリオにも対応できます。
動的なナビゲーションメッシュ
シーン内のオブジェクトが移動したり、破壊されたりする場合、ナビゲーションメッシュも動的に更新する必要があります。NavigationServer3D では、NavigationRegion3D を更新することで、ナビゲーションメッシュを再生成できます。ただし、頻繁な更新はパフォーマンスに影響を与える可能性があるため、注意が必要です。
複数のナビゲーションマップ
異なる特性を持つ複数のナビゲーションマップを作成し、それぞれに異なる経路探索コストや制約を設定することができます。例えば、飛行可能なキャラクターと地上を歩行するキャラクターで異なるマップを使用するといった応用が可能です。
障害物と回避
NavigationServer3D は、静的な障害物だけでなく、動的な障害物（他のキャラクターなど）の回避も考慮した経路探索をサポートします。これは、NavigationObstacle3D ノードを使用して実装されます。
パフォーマンスの最適化
大規模なシーンや多数のキャラクターが登場する場合、パフォーマンスの最適化が重要になります。ナビゲーションメッシュの解像度を調整したり、不要な NavigationRegion3D を無効にしたりすることで、処理負荷を軽減できます。
まとめ
NavigationServer3D は、Godot Engine における 3D 経路探索の強力な基盤です。NavigationRegion3D を中心とした直感的なAPIと、柔軟な設定オプションにより、様々なゲームジャンルやアプリケーションで、キャラクターのインテリジェントな移動を実現できます。ナビゲーションメッシュの生成、経路探索アルゴリズムの利用、そして動的な環境への対応といった機能を理解し、適切に活用することで、より没入感のあるゲーム体験を創造することが可能になります。
