概要

• Game Boy Color でリアルタイム画像レンダリングを実現した自作ゲームの技術解説
• Blender を用いた3Dワークフローとノーマルマップ生成手法
• 球面座標系 と ログ演算・テーブル参照 による高速化
• 自己書き換えコード など、ハードウェア制約下での最適化手法
• 実際の パフォーマンス測定 と工夫点のまとめ

Game Boy Color向けリアルタイム3Dライティングゲーム制作デモ

• Game Boy Color 上でリアルタイムに画像をレンダリングするゲームの開発
  • プレイヤーは 軌道上の光源 を操作し、オブジェクトを回転させる体験
• GitHub でコード・ROMファイルを公開
  • nukep/gbshaderにてソースコード・ROMダウンロード可能

3DワークフローとBlenderでのLookdev

• Blender で事前にビジュアルを検証し、プロジェクト開始判断
• 擬似ディザリング を法線ベクトルにランダムベクトルを加える方法で表現
• ノーマルマップ生成には Cryptomatte やカスタムシェーダを活用
  • 特定色の維持や画面部分の合成に利用

ノーマルマップとシェーディングの数理

• ノーマルマップは ベクトル場 として機能
  • RGB ＝ XYZ でベクトル情報をエンコード
• Lambertシェーダ はドット積計算で表現
  • ( v = N \cdot L )（N: 法線, L: 光ベクトル）

球面座標系による高速ドット積

• 球面座標 （r, θ, φ）を使い、計算量削減
  • 法線・光源ともに単位ベクトルと仮定し半径1で簡略化
  • ( v = \sin N_\theta \sin L_\theta \cos(N_\varphi - L_\varphi) + \cos N_\theta \cos L_\theta )

Game Boy Colorでの実装と最適化

• Lθ （光源のθ）は定数化し、 Lφ （光源のφ）をプレイヤーが操作
• 各ピクセルは (Nφ, log(m), b) の3バイトでエンコード
  • log(m) を使う理由は、Game BoyのCPUが乗算・浮動小数点非対応のため
• 加算・乗算 は全て ログ空間 ＋ ルックアップテーブル で処理
  • 負数対応のため符号ビットをMSBにエンコード
  • 8ビット分解能で-1.0～+1.0を表現

コア計算式とルックアップテーブル

• コア計算: ( v = m \cos(N_\varphi - L_\varphi) + b )
  • 実装上は ( v = pow(m_{log} + cos_{log}(N_\varphi - L_\varphi)) + b )
• 1ピクセルあたり
  • 減算1回
  • cos_log参照1回
  • 加算1回
  • pow参照1回
  • 加算1回
  • 合計: 加減算3回、テーブル参照2回

パフォーマンスと最適化

• 1フレームで 15タイル （960ピクセル）処理
  • 1ピクセル約130サイクル、空行は3サイクル
  • 1フレームの約 89% をレンダリングに使用
• 自己書き換えコード による高速化
  • 可変数値処理を命令書き換えで高速化
  • 1ピクセルごとに12サイクル削減、全体で約10%短縮

まとめ

• レトロハードウェア の制約下での創意工夫
  • ログ演算・テーブル参照・自己書き換えコード活用
• 現代的な3Dワークフロー と 低レベル最適化 の融合
• GitHub でソース・ROM公開、技術的な参考資料としても有用

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参考リンク

• ソースコード・ROM: https://github.com/nukep/gbshader