NavMesh入門と実践ガイド — ゲーム開発とロボティクスで使う経路探索の本質と実装技法
エバープレイ編集部はじめに：NavMeshとは何か
NavMesh（ナビメッシュ）は、歩行可能な領域を多角形（通常は凸ポリゴン）の集合で表現したデータ構造であり、キャラクターやエージェントの経路探索（pathfinding）とナビゲーションに広く用いられます。NavMeshは単なるパスの検索だけでなく、経路の滑らかな補正、動的障害物への対応、群衆（crowd）制御の基盤としても使われます。ゲームエンジン（Unity、Unreal等）やロボティクスのソフトウェアでデファクトスタンダードになっている技術です。
NavMeshの基本概念と利点
表現：シーンの「歩ける面」をポリゴンで近似する。通常、地形や床の上面を投影あるいはボクセル化して生成する。
グラフ化：各ポリゴン（あるいはポリゴンの中心点）をノードとし、隣接ポリゴン間にエッジを張ることでグラフ構造を作りA*などで探索する。
効率：サンプル密度を節約できるため、細かいナビゲーションメッシュは高速な経路探索を可能にする。
利用：オフメッシュリンク（ジャンプや梯子）、領域コスト（危険地帯や泥など）、エージェント特性（半径、高さ、段差許容）を扱える。
NavMesh生成の流れ（Recastに基づく典型的なパイプライン）
代表的な実装であるRecastの生成手順を概観します。これは多くの実装で採用されている実務的手法です。
ボクセル化：シーンの三角形メッシュをボクセルグリッドに落とし込み、エージェントが通れるセルを判定する（歩行高さ、傾斜制限などを考慮）。
ウォーク可能領域のマーク：ボクセルの連結成分を解析して歩行可能な領域を抽出。
距離フィールドと領域分割：距離場を作成し、狭小部での誤判定を抑えるために領域分割や再結合を行う。
輪郭抽出（contour tracing）：領域の輪郭をポリラインとして抽出。
ポリゴン化と簡略化：輪郭を基に凸ポリゴンに分割し、ポリゴン数を削減してNavMeshポリゴンを生成。
詳細メッシュ（detail mesh）：視覚的あるいは高度判定のために細部情報を付加することがある。
経路探索アルゴリズムと補間
NavMesh上での経路探索は、通常ポリゴン間のグラフ探索と、得られたポリゴン列を具体的な移動経路（座標列）に変換する二段階で行います。
グラフ探索：ポリゴンをノードと見なしてA*などで最短経路を求める。コストはポリゴン間の地理的距離、領域コスト（エリアペナルティ）などで調整する。
ファネルアルゴリズム（string-pulling）：ポリゴン列の共通辺を使って通路の“ファネル”を作り、最短かつ滑らかな経路を計算する。Detourではこの方式が使われている。
ポストプロセス：速度や回避を考慮したパススムージング、サンプリング点の補正などを適用する。
動的な障害物とランタイム更新
ゲームやロボットの環境は静的でないため、NavMeshも動的変化に対応する必要があります。実務的なアプローチは次の通りです。
Carving（穴あけ）：移動する障害物をNavMeshから一時的に削除して通行不可にする手法。UnityのNavMeshObstacleはこの方式をサポートする。
部分再生成（partial rebuild）：タイルベースのNavMeshを使い、影響を受けたタイルだけを再ビルドする。大規模シーンでのリアルタイム更新に有効。
オフメッシュリンクの利用：動的に移動するプラットフォームやジャンプ経路はオフメッシュリンクで表現し、NavMesh自体を変更せずに補助できる。
ローカル回避：NavMeshはグローバル経路を提供するが、衝突回避や群衆挙動はRVO/ORCAなどのローカルアルゴリズムで補うことが多い。
UnityにおけるNavMeshの実装と注意点
Unityは組み込みのNavMeshシステムを持ち、NavMeshSurface, NavMeshAgent, NavMeshObstacleなどのコンポーネントで構成されています。実務で押さえるべきポイントは次の通りです。
エージェント設定：radius, height, step height, max slope といったパラメータがNavMesh生成に直接影響する。意図した経路が取れない場合はまずここを確認すること。
レイヤとエリア：特定オブジェクトを非歩行領域にしたり、コストを変えたい場合はArea設定を使う。AIの最短経路探索に重み付けが可能。
ランタイム生成：NavMeshComponents（追加パッケージ）を使えばシーン内で動的にNavMeshを生成・更新できる。タイル化して部分更新するのが現実的。
Debug視覚化：UnityのデバッグビューやGizmosでポリゴン、経路、オフメッシュリンクを可視化し、問題点（スリムな通路、穴、接続ミス）を見つける。
性能最適化のテクニック
タイル化：NavMeshをタイル単位で分割すると、再構築とストリーミングが容易になりメモリとCPUを節約できる。
解像度の調整：ボクセルサイズやポリゴン簡略化のパラメータはポリゴン数と品質をトレードオフする。見た目よりAIの通行性を優先して調整する。
レイヤ分割：2.5Dな重なり床（橋や二階）などはマルチレイヤNavMeshやオフメッシュリンクで扱い、無駄な接続を避ける。
キャッシュとインクリメンタル検索：頻繁に同じ経路を問い合わせる場合は結果をキャッシュ、A*のヒューリスティックや探索範囲の制限で計算量を削減する。
高度なトピック：群衆シミュレーションとローカル制御
NavMeshは群衆（crowd）制御の基盤を提供しますが、群衆の自然な挙動を実現するにはローカルな回避や追従制御が必要です。
Detour Crowd：Recast/Detourに含まれる群衆システムは、NavMesh上で複数エージェントの移動と衝突回避を統合して処理する。
ローカルアルゴリズム：RVO、ORCAなどは衝突回避に強く、NavMeshが示すグローバル目標に対して自然な回避を行える。
ヒエラルキー：大規模群衆ではフロー場（flowfield）やグリッドベースのナビゲーションを併用し、NavMeshは局所的解決に使うなどの設計が有効。
設計上のベストプラクティス
エージェント定義を明確に：異なるサイズや能力のエージェントごとにNavMeshやパラメータを分ける。
小さなオブジェクトの除外：細かい装飾（小石、植生）はNavMesh生成時にノイズとなる。必要なら低精度モードで無視する。
ステートレスな経路処理：経路生成は可能な限りステートレスにして、実行時のローカルな決定は別レイヤで処理する。
可視化とテスト：様々な環境、エージェントで可視化して不具合を洗い出す。狭い通路、段差、動的障害物で重点的に検証する。
実装上よくある問題と対処法
問題：エージェントが狭い隙間にハマる。対処：ボクセル解像度やエージェント半径を調整、必要なら当該領域を再設計。
問題：上層と下層が不適切に接続される。対処：マルチレイヤNavMeshの導入、オフメッシュリンクで明示的に接続。
問題：動的オブジェクトの影響で頻繁にNavMeshを再生成すると重い。対処：Carvingとタイル更新を組み合わせ、部分更新やローカル回避で代替。
具体的な適用例
アクションゲーム：精密な動作が必要なので、NavMeshは詳細メッシュとオフメッシュリンクを組み合わせて実装。
RTS（大型群衆）：フロー場を活用し、NavMeshは障害物回避や特殊経路に使用。群衆の最適化が最重要。
ロボティクス：SLAMや地図情報と組み合わせ、NavMesh的表現を使う場合はより正確な地形把握と高度情報が必要。
まとめ
NavMeshは経路探索の強力な表現であり、効率的で現実的なナビゲーションを実現します。生成パイプライン、探索アルゴリズム（A*とファネル）、動的更新の設計、ローカル回避の組み合わせが実務上の鍵になります。UnityやRecast/Detourといった既存ツールを理解し、タイル化、パラメータ調整、可視化を駆使することで堅牢なナビゲーションシステムを構築できます。
参考文献
投稿者プロフィール
