【Unity】どれだけ速く振ってもボールをすり抜けないVRラケットの実装

はじめに

こんにちは、まつさこ です。

この記事では、UnityVRアプリにおいてプレイヤーが手に持ったオブジェクトを他の物体に当てるときに、どれだけ速く手を動かしてもコライダーがすり抜けないようにする工夫を紹介します。

卓球のVRゲームを例に、実装を紹介します。

開発環境

筆者の開発環境は以下です。

• Unity 2021.3.5f1
• Rider 2023.2.3

VRにおけるすり抜け問題

そもそも本記事で解決したい課題について、簡単に解説します。

VRコンテンツにおいて、プレイヤーは手に持ったラケットを自分の好きなスピード、角度、タイミングで振ることが出来ます。直感に即してボールを打ち返したい場合、ラケットの面がボールの位置と一致した瞬間に衝突判定を実行し、ボールが跳ね返って飛んでいく必要があります。

しかし、ゲームにおいては「フレーム」という概念が存在し、フレームごとの処理の連続によってゲーム体験全体が成立しています。いわゆる「すり抜け」というのは、ラケットがボールに当たる瞬間がこのフレームとフレームの間に発生することで、衝突判定処理が実施されない ことによって生じます。

ラケットがボールに当たった前後のフレームでは、ラケットとボールは接触しておらず、フレーム処理が走るタイミング（つまりコンピュータが知りえる状態認識）にはラケットとボールが接触した事実が存在しないことになります。

解決策と実装

前述の問題は、「ラケットを振る速度が速いほど、ラケットとボールのコライダー接触の時間が短い」ことに起因します。このことから、「ラケットを振る速度に応じてコライダーの形を変えて接触時間を長くする」 ことで解決できると考えられます。

ラケットを振る速度に応じて下の画像のコライダー（緑の枠）を ラケットの面方向（青の矢印方向）に厚くする ことで、ボールとの接触時間を長くします。また、コライダーの厚みだけでなく、コライダーの位置を後ろ方向に少しずらすことで、ボールを直感的な時刻で打ち返したと思えるように補正しています。

次のスクリプトをラケットオブジェクトにアタッチします。

using UnityEngine;

public class ContinuousCollider : MonoBehaviour
{
    [SerializeField] Transform _colliderObject; //ラケットのコライダーをアタッチする
    Vector3 _prePosition;
    float _minZ = 0;

    void Start()
    {
        //初期値を保存
        _minZ = _colliderObject.localScale.z/2;
        _prePosition = transform.position;
    }

    //物理演算に関係するのでFixedUpdateで
    void FixedUpdate()
    {
        //前フレームからの変位を計算
        Vector3 def = transform.position - _prePosition;

        //前フレームからの変位をラケットの正面方向(transform.forward)に射影することで、ラケットがどれだけ前後に動いたか(defZ)を計算
        float defZ = Vector3.Dot(def, transform.forward);

        //ラケットが前に閾値(_minZ)以上動いた場合、あるいは後ろに閾値(_minZ)以上動いた場合、コライダーの位置とスケールをそれぞれ調整
        if (defZ > _minZ)
        {
            _colliderObject.position = transform.position - (defZ-_minZ) / 2 * transform.forward;
            _colliderObject.localScale = new Vector3(_colliderObject.localScale.x, _colliderObject.localScale.y, defZ+_minZ);
        }
        else if (defZ < -_minZ)
        {
        
            _colliderObject.position = transform.position + (-defZ-_minZ) / 2 * transform.forward;
            _colliderObject.localScale = new Vector3(_colliderObject.localScale.x, _colliderObject.localScale.y, -defZ+_minZ);
        }
        else
        {
            _colliderObject.position = transform.position;
            _colliderObject.localScale = new Vector3(_colliderObject.localScale.x, _colliderObject.localScale.y, _minZ*2);
        }
    
        //現在のラケットの位置を保持しておき次フレームでの比較に使用
        _prePosition = transform.position;
    }

}

FixedUpdate() で物理演算フレームにて毎フレーム呼び出しています。現フレームと前フレーム間でラケットがどれだけ移動したかを計算し、その移動量(defZ)がある閾値(_minZ)を超えた場合にコライダーの位置とスケールを動的に調整しています。

ラケットが早く振られるとコライダーが大きくなり、ゆっくり振られるとコライダーが小さくなります。

▼少しわかりづらいかもしれませんが、ラケットを速く振るとコライダーのボックスが大きくなっています。

まとめ

この記事では、UnityVRアプリにおいてプレイヤーが手に持ったオブジェクトを他の物体に当てるときに、どれだけ速く手を動かしてもコライダーがすり抜けないようにする工夫を紹介しました。
テニスや野球など、様々なVRコンテンツ開発に応用できるかと思います。

読んでくださりありがとうございました🤗

追記（2023年11月10日）

Rigidbody コンポーネントの Collision Detection についていくつか質問をいただきましたので、追記します。

今回の実装では、ラケットにつけた Rigidbody の Collision Detection 設定は Discrete にしています。

MetaQuest2などのAndroidデバイスで動作させる前提で作成したため、できるだけ処理を軽くしたいという意図から、 Discrete 設定にしています。

詳しくは公式ドキュメント等を参照ください。
Rigidbody.collisionDetectionMode - Scripting Reference
Unityの当たり判定がすり抜ける時の対処方法！

また、ボール側の Collider は Is Trigger にチェックを入れ、OnTriggerEnter で衝突判定を検知しています。