Genesis 物理シミュレーション完全チュートリアル

2025年11月29日 19:41

🎯 このチュートリアルの目的

Genesisは、ロボット工学や物理シミュレーションのためのオープンソースエンジンです。このチュートリアルでは、クラウドGPU環境（vast.ai）でディスプレイなしでGenesisを動かし、布・液体・雪などの物理シミュレーションを行う方法を、初心者向けに解説します。

1. 環境構築

1.1 前提条件

クラウドGPU: vast.ai
GPU: NVIDIA GPU（RTX 4090 推奨）
OS: Ubuntu 24.04
Python: 3.10以上

1.2 必須パッケージのインストール

PyTorchが必要なためVast.aiで、PyTorchを含んだTemplateを選んでください。

また、クラウド環境にはディスプレイがないため、EGL（組み込みグラフィックスライブラリ）を使います。

# システムパッケージをインストール
apt-get update
apt-get install -y libegl1 libegl-dev libgl1 libgles2 libglvnd-dev

なぜ必要？

libegl1: EGLランタイム（ディスプレイなしでOpenGLを使うため）
libgl1: OpenGLライブラリ
libgles2: OpenGL ES（組み込み向けOpenGL）
libglvnd-dev: GPU選択用ライブラリ

1.3 環境変数の設定

# 現在のセッションに設定
export PYOPENGL_PLATFORM=egl
export __EGL_VENDOR_LIBRARY_FILENAMES=/usr/share/glvnd/egl_vendor.d/10_nvidia.json

# 永続化（次回ログイン時も有効）
echo 'export PYOPENGL_PLATFORM=egl' >> ~/.bashrc
echo 'export __EGL_VENDOR_LIBRARY_FILENAMES=/usr/share/glvnd/egl_vendor.d/10_nvidia.json' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

各環境変数の意味：

1.4 Genesisのインストール

pip install genesis-world

1.5 インストール確認

import genesis as gs
gs.init(backend=gs.gpu)
print("Genesis installed successfully!")

2. 基本テスト：箱の落下

2.1 コンセプト

最初のテストとして、シンプルな箱が落下するシミュレーションを作ります。

学ぶこと：

シーンの作成
エンティティ（物体）の追加
カメラの設定
動画の録画・保存

2.2 コード

"""
Step 1: 基本テスト - 箱の落下
初心者向け：最もシンプルなGenesisシミュレーション
"""

import genesis as gs

# ========================================
# 1. Genesis初期化
# ========================================
# backend=gs.gpu でGPUを使用
gs.init(backend=gs.gpu)

# ========================================
# 2. シーン作成
# ========================================
scene = gs.Scene(
    sim_options=gs.options.SimOptions(
        dt=4e-3,        # タイムステップ（小さいほど精密、遅い）
        substeps=10,    # 1ステップあたりの内部計算回数
    ),
    show_viewer=False,  # ★重要：ヘッドレス環境ではFalse
    vis_options=gs.options.VisOptions(
        show_world_frame=True,  # 座標軸を表示
    ),
    renderer=gs.renderers.Rasterizer(),  # レンダラー
)

# ========================================
# 3. 地面を追加
# ========================================
plane = scene.add_entity(
    morph=gs.morphs.Plane(),  # 無限の平面
)

# ========================================
# 4. 箱を追加
# ========================================
box = scene.add_entity(
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.2, 0.2, 0.2),  # 20cm x 20cm x 20cm
        pos=(0, 0, 1.0),       # 高さ1mの位置
    ),
    material=gs.materials.Rigid(),  # 剛体
)

# ========================================
# 5. カメラを追加
# ========================================
cam = scene.add_camera(
    res=(1280, 720),           # 解像度
    pos=(3.0, -3.0, 2.5),      # カメラ位置
    lookat=(0, 0, 0.5),        # 注視点
    fov=40,                    # 視野角
    GUI=False,                 # ★重要：ヘッドレスではFalse
)

# ========================================
# 6. シーンをビルド
# ========================================
# build()を呼ぶと、全ての設定が確定される
scene.build()

# ========================================
# 7. シミュレーション実行＆録画
# ========================================
cam.start_recording()

for i in range(500):  # 500ステップ
    scene.step()      # 物理シミュレーションを1ステップ進める
    cam.render()      # カメラでレンダリング

# ========================================
# 8. 動画保存
# ========================================
cam.stop_recording(save_to_filename="step1_box_drop.mp4", fps=60)
print("✅ 完了: step1_box_drop.mp4")

2.3 実行方法

PYOPENGL_PLATFORM=egl python step1_basic.py

出力: step1_box_drop.mp4 - 箱が落下して地面で跳ねる動画

3. 布シミュレーション（PBD）

3.1 PBDとは？

PBD (Position Based Dynamics) は、布やロープなど柔らかい物体をシミュレートする手法です。

特徴：

高速で安定
リアルタイム向け
布、ロープ、ソフトボディに最適

3.2 布メッシュの作成

まず、布の形状を定義するメッシュファイル（.obj）を作成します。

"""
布メッシュ生成スクリプト
2m x 2m の平面メッシュを作成
"""

import numpy as np
import os

def create_cloth_mesh(filename, size=2.0, divisions=20):
    """
    Parameters:
        filename: 出力ファイル名
        size: 布のサイズ（メートル）
        divisions: 分割数（多いほど細かい）
    """
    
    half = size / 2
    vertices = []
    faces = []
    
    # 頂点を生成
    for j in range(divisions + 1):
        for i in range(divisions + 1):
            x = -half + (i / divisions) * size
            y = -half + (j / divisions) * size
            z = 0
            vertices.append((x, y, z))
    
    # 面を生成（三角形）
    for j in range(divisions):
        for i in range(divisions):
            # 4つの頂点インデックス
            v0 = j * (divisions + 1) + i
            v1 = v0 + 1
            v2 = v0 + (divisions + 1)
            v3 = v2 + 1
            
            # 2つの三角形で1つの正方形を構成
            faces.append((v0 + 1, v1 + 1, v3 + 1))  # OBJは1始まり
            faces.append((v0 + 1, v3 + 1, v2 + 1))
    
    # OBJファイルとして保存
    os.makedirs(os.path.dirname(filename), exist_ok=True)
    with open(filename, 'w') as f:
        f.write("# Cloth mesh\n")
        for v in vertices:
            f.write(f"v {v[0]} {v[1]} {v[2]}\n")
        for face in faces:
            f.write(f"f {face[0]} {face[1]} {face[2]}\n")
    
    print(f"✅ メッシュ生成完了: {filename}")
    print(f"   頂点数: {len(vertices)}, 面数: {len(faces)}")

# 実行
create_cloth_mesh("meshes/cloth.obj", size=2.0, divisions=20)

3.3 布シミュレーションコード

"""
Part 1: PBD布シミュレーション
4角を固定したハンモック状の布
"""

import genesis as gs

gs.init(backend=gs.gpu)

# シーン作成（PBDソルバー有効）
scene = gs.Scene(
    sim_options=gs.options.SimOptions(
        dt=4e-3,
        substeps=10,
    ),
    pbd_options=gs.options.PBDOptions(),  # ★PBDソルバーを有効化
    show_viewer=False,
    vis_options=gs.options.VisOptions(
        show_world_frame=True,
    ),
    renderer=gs.renderers.Rasterizer(),
)

# 地面
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())

# 布を追加
cloth = scene.add_entity(
    material=gs.materials.PBD.Cloth(),  # ★PBD布マテリアル
    morph=gs.morphs.Mesh(
        file='meshes/cloth.obj',
        scale=1.0,
        pos=(0, 0, 1.0),  # 高さ1m
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.2, 0.4, 0.8, 1.0),  # 青色
        vis_mode='particle',          # 粒子表示（変形が見やすい）
    )
)

# カメラ
cam = scene.add_camera(
    res=(1280, 720),
    pos=(4.0, -4.0, 2.5),
    lookat=(0, 0, 0.5),
    fov=45,
    GUI=False,
)

# ビルド
scene.build()

# ========================================
# 布の4角を固定
# ========================================
# 固定したい角の座標（布の4隅）
corners = [
    (-1, -1, 1.0),  # 左下
    (1, 1, 1.0),    # 右上
    (-1, 1, 1.0),   # 左上
    (1, -1, 1.0),   # 右下
]

# 各角に最も近い粒子を見つけて固定
particle_indices = []
for corner in corners:
    idx = cloth.find_closest_particle(corner)
    particle_indices.append(idx)

# ★重要：fix_particles()はリストで渡す（複数形に注意！）
cloth.fix_particles(particle_indices)

# シミュレーション実行
cam.start_recording()

for i in range(1000):
    scene.step()
    cam.render()

cam.stop_recording(save_to_filename="cloth_hammock.mp4", fps=60)
print("✅ 完了: cloth_hammock.mp4")

3.4 実行結果

布が重力で垂れ下がり、ハンモック状になる
4角が固定されているため、中央が最も下がる

4. 液体シミュレーション（SPH）

4.1 SPHとは？

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) は、流体を粒子の集まりとしてシミュレートする手法です。

特徴：

水、油などの液体に最適
粒子ベースで飛沫も表現可能
計算コストは高め

4.2 液体シミュレーションコード

"""
Part 2: SPH液体シミュレーション
水のブロックが落下して広がる
"""

import genesis as gs

gs.init(backend=gs.gpu)

# シーン作成（SPHソルバー有効）
scene = gs.Scene(
    sim_options=gs.options.SimOptions(
        dt=4e-3,
        substeps=10,
    ),
    sph_options=gs.options.SPHOptions(
        lower_bound=(-1.0, -1.0, 0.0),   # シミュレーション領域の下限
        upper_bound=(1.0, 1.0, 2.0),     # シミュレーション領域の上限
        particle_size=0.015,              # 粒子サイズ
    ),
    show_viewer=False,
    renderer=gs.renderers.Rasterizer(),
)

# 地面
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())

# 水ブロックを追加
water = scene.add_entity(
    material=gs.materials.SPH.Liquid(),  # ★SPH液体マテリアル
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.3, 0.3, 0.3),  # 30cm立方体
        pos=(0, 0, 0.5),       # 高さ0.5m
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.3, 0.5, 0.9, 0.8),  # 青色（半透明）
        vis_mode='particle',
    )
)

# カメラ
cam = scene.add_camera(
    res=(1280, 720),
    pos=(2.5, -2.5, 1.5),
    lookat=(0, 0, 0.2),
    fov=50,
    GUI=False,
)

# ビルド
scene.build()

# シミュレーション実行
cam.start_recording()

for i in range(800):
    scene.step()
    cam.render()
    
    if (i + 1) % 200 == 0:
        print(f"進行中... {i+1}/800 ステップ")

cam.stop_recording(save_to_filename="liquid_splash.mp4", fps=60)
print("✅ 完了: liquid_splash.mp4")

4.3 パフォーマンス

FPS: 約8 FPS（粒子数27,000個）
SPHは近傍探索が計算負荷高いため、他のソルバーより遅い

5. 雪・砂シミュレーション（MPM）

5.1 MPMとは？

MPM (Material Point Method) は、雪・砂・粘土など粒状体をシミュレートする手法です。

特徴：

大きな変形に強い
雪の圧縮、砂の崩壊を表現可能
Disney映画「アナと雪の女王」で使用

5.2 MPMシミュレーションコード

"""
Part 3: MPMシミュレーション
雪と砂が落下して変形
"""

import genesis as gs

gs.init(backend=gs.gpu)

# シーン作成（MPMソルバー有効）
scene = gs.Scene(
    sim_options=gs.options.SimOptions(
        dt=4e-3,
        substeps=100,  # ★重要：MPMは100以上推奨
    ),
    mpm_options=gs.options.MPMOptions(
        grid_density=64,  # グリッド密度
    ),
    show_viewer=False,
    renderer=gs.renderers.Rasterizer(),
)

# 地面
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())

# 雪ブロック
snow = scene.add_entity(
    material=gs.materials.MPM.Snow(),  # ★MPM雪マテリアル
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.3, 0.3, 0.3),
        pos=(0, 0, 0.8),
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.95, 0.95, 1.0, 1.0),  # 白
        vis_mode='particle',
    )
)

# 砂ブロック
sand = scene.add_entity(
    material=gs.materials.MPM.Sand(),  # ★MPM砂マテリアル
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.2, 0.2, 0.2),
        pos=(0.5, 0, 0.6),
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.9, 0.8, 0.5, 1.0),  # 黄色
        vis_mode='particle',
    )
)

# カメラ
cam = scene.add_camera(
    res=(1280, 720),
    pos=(2.5, -2.5, 1.5),
    lookat=(0.2, 0, 0.3),
    fov=50,
    GUI=False,
)

# ビルド
scene.build()

# シミュレーション実行
cam.start_recording()

for i in range(800):
    scene.step()
    cam.render()

cam.stop_recording(save_to_filename="snow_sand.mp4", fps=60)
print("✅ 完了: snow_sand.mp4")

5.3 ⚠️ 重要な発見：substepsの設定

教訓：MPMは高いsubsteps値が必要！

6. 統合シミュレーション

6.1 複数ソルバーの同時使用

布（PBD）+ 液体（SPH）+ 雪（MPM）を同時にシミュレート。

"""
Part 4: 統合シミュレーション
布・液体・雪を同時にシミュレート
"""

import genesis as gs

gs.init(backend=gs.gpu)

# 全ソルバーを有効化
scene = gs.Scene(
    sim_options=gs.options.SimOptions(
        dt=4e-3,
        substeps=100,
    ),
    pbd_options=gs.options.PBDOptions(),
    sph_options=gs.options.SPHOptions(
        lower_bound=(-1.5, -1.5, 0.0),
        upper_bound=(1.5, 1.5, 2.0),
        particle_size=0.02,
    ),
    mpm_options=gs.options.MPMOptions(
        grid_density=64,
    ),
    show_viewer=False,
    renderer=gs.renderers.Rasterizer(),
)

# 地面
scene.add_entity(morph=gs.morphs.Plane())

# 布（PBD）
cloth = scene.add_entity(
    material=gs.materials.PBD.Cloth(),
    morph=gs.morphs.Mesh(
        file='meshes/cloth.obj',
        scale=0.8,
        pos=(0, 0, 0.4),
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.2, 0.4, 0.8, 1.0),
        vis_mode='particle',
    )
)

# 水（SPH）
water = scene.add_entity(
    material=gs.materials.SPH.Liquid(),
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.15, 0.15, 0.15),
        pos=(0, 0, 0.9),
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.3, 0.5, 0.9, 0.8),
        vis_mode='particle',
    )
)

# 雪（MPM）
snow = scene.add_entity(
    material=gs.materials.MPM.Snow(),
    morph=gs.morphs.Box(
        size=(0.15, 0.15, 0.15),
        pos=(0.3, 0.3, 0.8),
    ),
    surface=gs.surfaces.Default(
        color=(0.95, 0.95, 1.0, 1.0),
        vis_mode='particle',
    )
)

# 2つのカメラ（斜めと真上）
cam1 = scene.add_camera(res=(1280, 720), pos=(3, -3, 2), lookat=(0, 0, 0.3), fov=45, GUI=False)
cam2 = scene.add_camera(res=(1280, 720), pos=(0, 0, 3), lookat=(0, 0, 0.3), fov=60, GUI=False)

# ビルド
scene.build()

# 布の4角を固定
corners = [(-0.4, -0.4, 0.4), (0.4, 0.4, 0.4), (-0.4, 0.4, 0.4), (0.4, -0.4, 0.4)]
particle_indices = [cloth.find_closest_particle(c) for c in corners]
cloth.fix_particles(particle_indices)

# シミュレーション実行（2カメラ同時録画）
cam1.start_recording()
cam2.start_recording()

for i in range(1000):
    scene.step()
    cam1.render()
    cam2.render()

cam1.stop_recording(save_to_filename="combined_side.mp4", fps=60)
cam2.stop_recording(save_to_filename="combined_top.mp4", fps=60)
print("✅ 完了!")

6.2 ⚠️ 発見された制限

原因： GenesisのPBD-SPH間の衝突検出が完全にはサポートされていない可能性

7. トラブルシューティング

7.1 よくあるエラーと解決策

7.2 API変更への対応（Genesis 0.3.7）

# ❌ 旧API（エラーになる）
cloth.fix_particle(idx)

# ✅ 新API（正しい）
cloth.fix_particles([idx])  # リストで渡す

8. 得られた知見とベストプラクティス

8.1 ソルバー別推奨設定

8.2 パフォーマンス最適化

粒子数を減らす: particle_size を大きく
解像度を下げる: res=(640, 360) など
substepsを調整: 最小限で安定する値を探す
ステップ数を減らす: 必要な動きが見えたら終了

8.3 録画のベストプラクティス

# 複数カメラで同時録画
cam1.start_recording()
cam2.start_recording()

for i in range(steps):
    scene.step()
    cam1.render()  # 両方レンダリング
    cam2.render()

cam1.stop_recording(save_to_filename="view1.mp4", fps=60)
cam2.stop_recording(save_to_filename="view2.mp4", fps=60)

8.4 表示モードの違い

8.5 ソルバー間の相互作用（制限事項）

実験から判明した重要な制限：

📝 まとめ

学んだこと

ヘッドレス環境ではEGL設定が必須
ソルバー選択は用途に合わせて（PBD/SPH/MPM）
MPMは高いsubsteps（100以上）が必要
API変更に注意（fix_particle → fix_particles）
ソルバー間の相互作用には制限がある

次のステップ

ロボットアームの追加
URDFモデルの読み込み
強化学習との連携

📚 参考リンク

このチュートリアルは、2025年11月の実験に基づいています。 Genesis バージョン: 0.3.7

Genesis 物理シミュレーション 完全チュートリアル

🎯 このチュートリアルの目的

1. 環境構築

1.1 前提条件

1.2 必須パッケージのインストール

1.3 環境変数の設定

1.4 Genesisのインストール

1.5 インストール確認

2. 基本テスト：箱の落下

2.1 コンセプト

2.2 コード

2.3 実行方法

3. 布シミュレーション（PBD）

3.1 PBDとは？

3.2 布メッシュの作成

3.3 布シミュレーションコード

3.4 実行結果

4. 液体シミュレーション（SPH）

4.1 SPHとは？

4.2 液体シミュレーションコード

4.3 パフォーマンス

5. 雪・砂シミュレーション（MPM）

5.1 MPMとは？

5.2 MPMシミュレーションコード

5.3 ⚠️ 重要な発見：substepsの設定

6. 統合シミュレーション

6.1 複数ソルバーの同時使用

6.2 ⚠️ 発見された制限

7. トラブルシューティング

7.1 よくあるエラーと解決策

7.2 API変更への対応（Genesis 0.3.7）

8. 得られた知見とベストプラクティス

8.1 ソルバー別推奨設定

8.2 パフォーマンス最適化

8.3 録画のベストプラクティス

8.4 表示モードの違い

8.5 ソルバー間の相互作用（制限事項）

📝 まとめ

学んだこと

次のステップ

📚 参考リンク

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