FPSカメラの作り方

フィールドを歩き回るような3Dのゲームを作る際に、主観視点で周りをグルグル見渡せるカメラがあると便利です。ちょうどFPSゲームで使われるカメラです。この記事では、そういったFPSカメラの作り方を説明したいと思います。

作り方概要

FPSカメラを作るには、『「３次元座標系」と「回転座標系」との相互変換』を実現します。これができればFPSカメラは簡単に作れます。

そして回転座標系とは、水平方向の回転と垂直方向の回転からなる座標系です（ただ、この用語は正確ではないかもしれません…）。

今回カメラを左右に回したり上下を見れるようにしたいので、水平・垂直方向を基準に回転ができる座標系が必要となるわけです。

ここまでをまとめると、

３次元座標系から回転座標系へ変換する
プレイヤーの入力を受け取る
受け取った値を元に、３次元座標系へ逆変換する

この３つが実装できれば、FPSゲームのようにカメラをグルグル回すことが可能となります。

１．３次元座標系から回転座標系へ変換する

まずは、３次元座標を回転座標に変換します。正確には「カメラ視点」と「カメラ注視点」を元に、「水平方向の回転角度」と「垂直方向の回転角度」を計算します。

水平方向の回転角度

水平方向の回転角度を出すのは簡単です。視点から注視点への方向ベクトルを求め、Atan2を使うことで求めることができます。

これはよくSTGを作るときに、狙い撃ちの角度を求めるために使うものですね。コードは以下のようになります。

// HAngleの取得関数
float FpsCamera::_GetHAngle(Vec3D* vEye, Vec3D* vTgt)
{
    // 注視点への向きベクトルを求める
    Vec3D vDir;
    Vec3D_Sub( &vDir, vTgt, vEye );
    
    // HAngle(XZ平面での角度)を求める
    float deg = Atan2Deg( -vDir.z, vDir.x );
    
    float __ADJ = 90.0f; // 調整角度(Z方向を基準に回転する)
    deg += __ADJ;
    
    // -180～180に丸める
    if(deg > 180.0f)  { deg -= 360.0f; }
    if(deg < -180.0f) { deg += 360.0f; }
    
    return deg;

注意点としては、90度の角度調整が入っていることです。

なぜ90度なのかというと、(x,y,z)=(0,0,1)を正面とした変換を行いたいためです。よく分からなければ、「とりあえず90度足すもの」ぐらいの理解でもいいと思います。

ちなみにこのコードの関数名として定義した「HAngle」というのは水平方向(Horizon)の角度という意味です。

垂直方向の回転角度

続いて垂直方向の回転角度の計算方法です。ちょっと変わったことをしています。

// VAngleの取得関数
float FpsCamera::_GetVAngle(Vec3D* vEye, Vec3D* vTgt)
{
    // 注視点への向きベクトルを求める
    Vec3D vDir;
    Vec3D_Sub( &vDir, vTgt, vEye );
    
    float fFront;
    {   // カメラの前方方向値
        Vec3D _vFront;
        Vec3D_Copy( &_vFront, &vDir );
        _vFront.y = 0; // XZ平面での距離なのでYはいらない
        fFront = Vec3D_Length( &_vFront );
    }
    
    // Y軸とXZ平面の前方方向との角度を求める
    float deg = Atan2Deg( -vDir.y, fFront );
    
    // 可動範囲は-90～90
    if(deg > 90.0f)  { deg = 180.0f  - deg; }
    if(deg < -90.0f) { deg = -180.0f - deg; }
    
    return deg;

ポイントは２つです。

可動範囲を持たせる。垂直の回転は-90～90の範囲を超えないようにする
fFrontを使うのは横軸がXZ平面における距離のため

XZ-Y平面での回転角度を求める

１についてですが、上下にカメラを回す場合、-90～90を超えないようにしています。90を超えると左右が反転してしまうので、可動範囲を設定しておきます。まあ通常90度を超えて回転することはありえないで、このような制限を入れて問題ないと思います。

２についてですが、横軸に当たるのはXZ平面なので、XZ方向への距離を使用しています。XでもなくZでもなく、XZというのがポイントですね。

２．プレイヤーの入力の反映

先ほどの_GetHAngle()/_GetVAngle()で取得した値に、回転量を足しこむだけです。

// カメラの回転値を更新する
void FpsCamera::UpdateRotate()
{
    // ★１．視点・注視点→回転座標への変換-----------
    Vec3D vEye, vTgt;
    GetEye(&vEye); // カメラ視点の取得
    GetTgt(&vTgt); // カメラ注視点の取得
    m_HAngle = _GetHAngle( &vEye, &vTgt ); // 水平方向の回転角度を取得
    m_VAngle = _GetVAngle( &vEye, &vTgt ); // 垂直方向の回転角度を取得
    
    // ★２．入力を元に回転する-----------------------
    // ■視点移動(回転)
    Vec2D stick; // ※予め移動値が入っているとします

Xへの移動（例えば左右キーの入力）を水平方向の回転、Yへの移動（例えば上下キーの入力）を垂直方向の回転として設定しています。

３．回転座標から３次元座標への変換

最後に入力を反映した値を逆変換します。以下、いままでの処理をまとめたコードとなります。

（回転のついでにカメラの平行移動もしています）

// カメラを移動・回転させる
void FpsCamera::Move()
{
    // ★１．視点・注視点→回転座標への変換-----------
    m_HAngle = _GetHAngle(GetEye(), GetTgt());
    m_VAngle = _GetVAngle(GetEye(), GetTgt());
    
    // ★２．入力を元に回転する-----------------------
    // ■視点移動(回転)
    Vec2D stick; // ※予め移動値が入っているとします
    m_HAngle -= stick.x; // 水平方向への回転
    m_VAngle += stick.y; // 垂直方向への回転
    
    // ■平行移動
    float mx, mz; // XZ方向 ※予め移動値が入っているとします
    
    // ・3次元ベクトルにセット
    Vec3D vTranslate;
    Vec3D_Set( &vTranslate, mx, 0, mz );
    
    // ★３．回転座標→３次元座標への変換-------------
    // ■視点座標を取得する
    Vec3D vEye;
    GetEye( &vEye );
    // ■注視点は初期化しておく(後で代入します)
    Vec3D vTgt;
    Vec3D_Zero( &vTgt );
    
    // ■HAngle/VAngleを行列に変換する
    Matrix34 mRot;
    Matrix34_Identity(&mRot);
    Matrix34_RotXYZDeg( &mRot, m_VAngle, m_HAngle, 0 ); // 回転行列生成(※１)
    
    // ・平行移動
    Vec3D_Transform( &vTranslate, &mRot, &vTranslate );
    vTranslate.y = 0.0f; // XZ平面での移動なので、Y移動値は無視する
    Vec3D_Add( &vEye, &vEye, &vTranslate ); // 視点を動かす
    
    // ・回転
    Vec3D vDir;
    Vec3D_Set( &vDir, 0, 0, 1.0f ); // Z方向を基準に回転
    Vec3D_Transform( &vDir, &mRot, &vDir ); // 方向ベクトルの回転(※2)

ポイントは※１の回転行列の生成、※２の方向ベクトルの回転です。

まず※１のところですが、水平方向の回転を「Y軸の回転」、垂直方向の回転を「X軸の回転」と見立てて、回転行列を作っています。

そして、視点から注視点への方向ベクトル(x,y,z)=(0,0,1)に対して、回転行列で回転させています。

ここで_GetHAngle()で+90度していた(Z軸を正面にしている)のが生きてくるわけです

最後に

このコードでは考え方を提示しているだけなので、このままコピーしても動きません。（そもそも環境によってベクトルや行列の関数は異なりますし…）

そこでこのコードを参考にFPSカメラを作る場合のデバッグ方法ですが、