リアルタイム物理演算システム
WebSocketを活用したリアルタイム物理シミュレーションシステムの実装方法を説明します。
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分散計算アーキテクチャ
大規模シミュレーションのための分散計算アーキテクチャを解説します。
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物理シミュレーション、ゲームエンジン、科学計算のWebSocketアーキテクチャ
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難易度
🌳 上級前提知識
4項目
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class PhysicsSimulation {
constructor() {
this.world = new PhysicsWorld();
this.objects = new Map();
this.timeStep = 1/60; // 60 FPS
this.accumulator = 0;
}
update(deltaTime) {
this.accumulator += deltaTime;
// 固定時間ステップでの物理演算
while (this.accumulator >= this.timeStep) {
this.world.step(this.timeStep);
this.accumulator -= this.timeStep;
}
// 補間による滑らかな描画
const alpha = this.accumulator / this.timeStep;
this.interpolatePositions(alpha);
}
addRigidBody(id, mass, position, velocity) {
const body = new RigidBody(mass, position, velocity);
this.world.addBody(body);
this.objects.set(id, body);
// WebSocketで状態配信
this.broadcastObjectAdded(id, body);
}
broadcastObjectAdded(id, body) {
const message = {
type: 'object_added',
id,
mass: body.mass,
position: body.position.toArray(),
velocity: body.velocity.toArray()
};
this.ws.broadcast(JSON.stringify(message));
}
broadcastPhysicsUpdate() {
const updates = [];
for (const [id, body] of this.objects) {
if (body.hasChanged()) {
updates.push({
id,
position: body.position.toArray(),
rotation: body.rotation.toArray(),
velocity: body.velocity.toArray()
});
}
}
if (updates.length > 0) {
this.ws.broadcast(JSON.stringify({
type: 'physics_update',
updates,
timestamp: Date.now()
}));
}
}
}
class DistributedComputeCoordinator {
constructor() {
this.workers = [];
this.tasks = new Map();
this.results = new Map();
}
async initializeWorkers(count) {
for (let i = 0; i < count; i++) {
const worker = new Worker('./compute-worker.js');
worker.onmessage = (e) => this.handleWorkerMessage(i, e.data);
this.workers.push(worker);
}
}
async distributeComputation(data, computeFunction) {
const chunks = this.partitionData(data, this.workers.length);
const taskId = this.generateTaskId();
// 並列タスク開始
const promises = chunks.map((chunk, index) =>
this.assignTaskToWorker(index, taskId, chunk, computeFunction)
);
const results = await Promise.all(promises);
return this.mergeResults(results);
}
assignTaskToWorker(workerIndex, taskId, data, computeFunction) {
return new Promise((resolve, reject) => {
const worker = this.workers[workerIndex];
this.tasks.set(`${taskId}_${workerIndex}`, { resolve, reject });
worker.postMessage({
taskId: `${taskId}_${workerIndex}`,
data,
computeFunction: computeFunction.toString()
});
});
}
handleWorkerMessage(workerIndex, message) {
const { taskId, result, error } = message;
const task = this.tasks.get(taskId);
if (!task) return;
this.tasks.delete(taskId);
if (error) {
task.reject(new Error(error));
} else {
task.resolve(result);
}
// WebSocketで進捗通知
this.broadcastProgress(taskId, result);
}
}
class WASMSimulation {
constructor() {
this.wasmModule = null;
this.memory = null;
this.exports = null;
}
async initialize() {
// WASM モジュール読み込み
const wasmCode = await fetch('./simulation.wasm');
const wasmArrayBuffer = await wasmCode.arrayBuffer();
this.wasmModule = await WebAssembly.instantiate(wasmArrayBuffer, {
env: {
// JavaScript関数をWASMから呼び出し可能にする
js_log: (ptr, len) => {
const msg = this.getStringFromWasm(ptr, len);
console.log(`WASM: ${msg}`);
},
js_progress: (progress) => {
this.broadcastProgress(progress);
}
}
});
this.exports = this.wasmModule.instance.exports;
this.memory = this.exports.memory;
}
runSimulation(params) {
// JavaScriptのデータをWASMメモリに転送
const paramsPtr = this.allocateWasmMemory(params.length * 8);
const paramsView = new Float64Array(this.memory.buffer, paramsPtr, params.length);
paramsView.set(params);
// WASM関数実行
const resultPtr = this.exports.run_simulation(paramsPtr, params.length);
// 結果をJavaScriptに取得
const resultLength = this.exports.get_result_length();
const resultView = new Float64Array(this.memory.buffer, resultPtr, resultLength);
const result = Array.from(resultView);
// メモリ解放
this.exports.free_memory(paramsPtr);
this.exports.free_memory(resultPtr);
return result;
}
getStringFromWasm(ptr, len) {
const bytes = new Uint8Array(this.memory.buffer, ptr, len);
return new TextDecoder().decode(bytes);
}
broadcastProgress(progress) {
this.ws.send(JSON.stringify({
type: 'simulation_progress',
progress: progress,
timestamp: Date.now()
}));
}
}
class RealtimeVisualization {
constructor(canvas) {
this.canvas = canvas;
this.gl = canvas.getContext('webgl2');
this.shaderProgram = null;
this.buffers = new Map();
this.frameId = null;
}
async initialize() {
await this.loadShaders();
this.setupBuffers();
this.startRenderLoop();
}
updateSimulationData(data) {
// GPUバッファに直接データ転送
const positionBuffer = this.buffers.get('position');
this.gl.bindBuffer(this.gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
this.gl.bufferSubData(this.gl.ARRAY_BUFFER, 0, new Float32Array(data.positions));
const velocityBuffer = this.buffers.get('velocity');
this.gl.bindBuffer(this.gl.ARRAY_BUFFER, velocityBuffer);
this.gl.bufferSubData(this.gl.ARRAY_BUFFER, 0, new Float32Array(data.velocities));
}
render() {
this.gl.clear(this.gl.COLOR_BUFFER_BIT | this.gl.DEPTH_BUFFER_BIT);
this.gl.useProgram(this.shaderProgram);
// 効率的なインスタンス描画
this.gl.drawArraysInstanced(
this.gl.TRIANGLES,
0,
6, // 頂点数
this.particleCount // インスタンス数
);
}
startRenderLoop() {
const animate = () => {
this.render();
this.frameId = requestAnimationFrame(animate);
};
animate();
}
}
この包括的なシミュレーションアーキテクチャにより、高性能でインタラクティブなWebベースシミュレーションシステムを構築できます。
WebSocketガイド - リファレンス資料
実装詳細とベストプラクティス集