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リファレンス シミュレーション

Webベースシミュレーション詳細

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
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前提知識

4項目

👥 前提知識

WebSocketの基本概念JavaScriptの高度な理解WebGL・コンピュータグラフィックス基礎WebAssemblyの基本知識

この参考資料で学べること

  • 物理シミュレーションプラットフォームの構築
  • ゲームエンジン統合システムの実装
  • 科学計算シミュレーションの理解
  • WebWorker並列計算とWASM統合

物理シミュレーションプラットフォーム

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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ゲームエンジン統合システム

マルチプレイヤーゲームエンジン

リアルタイムマルチプレイヤーゲームエンジンの実装方法を説明します。

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ゲーム状態同期メカニズム

クライアント予測とサーバー権威を組み合わせた状態同期メカニズムを解説します。

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科学計算シミュレーション

数値流体力学 (CFD) システム

高度な数値流体力学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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分子動力学シミュレーション

分子レベルでの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。

図表を生成中...

教育・研究用シミュレーター

インタラクティブ教育プラットフォーム

教育用インタラクティブシミュレーションプラットフォームの実装方法を説明します。

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WebWorker並列計算

高性能計算アーキテクチャ

WebWorkerを活用した並列計算アーキテクチャの実装方法を説明します。

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WASM高速計算統合

WebAssemblyを活用した高速計算システムの実装方法を説明します。

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実装のベストプラクティス

シミュレーションシステム実装例

1. 物理シミュレーションエンジン

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()
      }));
    }
  }
}

2. 分散計算コーディネーター

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);
  }
}

3. WebAssembly統合

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()
    }));
  }
}

4. リアルタイム可視化システム

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

WebSocket 実践ガイド について

ブラウザ標準WebSocket APIを中心とした リアルタイムWebアプリケーション実践ガイドです。 TypeScript/JavaScript中級者を対象とした 50-60時間の構造化カリキュラムを提供します。

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© WebSocket 実践ガイド. 学習目的で作成されました。

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