速度方向への整列

ひとことで

粒子の長軸（向き）を、進んでいる方向（速度ベクトル）に合わせる手法です。細長い粒子が流れの向きを指すので、風や水流、渦の形が一目で読み取れるようになります。ストレッチビルボードが画面上での伸ばし方なのに対し、こちらは 3D の向きそのものを速度に合わせる考え方で、メッシュパーティクルにも板にも使えます。

ゲームでの使いどころ

• 竜巻・つむじ風：巻き上げられた木片や葉が渦に沿って流れる。
• 雨・雪の吹き付け：風に流される雨粒が斜めに向く。
• 魚群・虫の群れ：個体の向きを進行方向に合わせる（ボイドの描画）。
• 矢・槍・破片：放物線を描いて飛ぶ矢の向きを常に接線方向へ。

しくみ

粒子の基準となる前方向を $\mathbf{f}$（例えば $+Z$）とし、速度 $\mathbf{v}$ の単位ベクトル $\hat{\mathbf{v}}$ へ回す回転（四元数）を求めます。

これは回転軸 $\mathbf{f} \times \hat{\mathbf{v}}$、回転角 $\arccos(\mathbf{f} \cdot \hat{\mathbf{v}})$ の回転です。これだけでは長軸まわりのねじれ（ロール）が決まらないので、必要なら「上方向」も指定して姿勢を完全に決めます（lookAt と同じ考え方）。

さらに、速さに応じて長軸方向に伸ばすと、ストレッチビルボードと同様に速度感が出ます。

実装のポイント

• 速度が 0 に近いとき：向きが決まらず、ぶるぶる震えます。速さが閾値以下なら前フレームの向きを保つか、向きを滑らかに補間します。
• 向きの急変を和らげる：速度の向きが急に変わると粒子がパッと回転します。回転を球面線形補間で追従させると自然です。
• GPU での計算：GPU パーティクルでは、頂点シェーダー内で速度から基底ベクトル（前・右・上）を作り、頂点を変換します。

つまずきやすい点

• 真上・真下への速度：上方向ベクトルを固定して姿勢を作る方法では、速度がその上方向と平行になると外積が 0 になり、向きが不定になります。
• 遅い粒子まで整列させる：ほとんど止まっている粒子を無理に整列させると不自然です。速さに応じて整列の強さを変えることもあります。
• ランダム回転との組み合わせ：葉のようにひらひら回るものは、完全な整列よりも「整列 + 長軸まわりの回転」のほうが自然です。

デモで試すこと

1. 「粒子の向き」をランダム（固定）に切り替えると、同じ速度で渦を巻いているのに、木片が散らかって見え、流れが読み取れなくなります。
2. 速度方向へ整列に戻すと、木片が渦に沿って並び、竜巻の回転がはっきり見えます。
3. 「速さに応じた伸び」を上げると、外側の速い木片ほど長く伸び、勢いが強調されます。