C++でつくる歴史シミュレーションGIS

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C++でつくる歴史シミュレーションGIS C++ MIX #9 2023-02-09

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GitHubリポジトリのQRコードと URLを表示するのでお手持ちのスマホ or パソコンをご用意ください

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https:// github.com/ AsPJT/PAX_SAPIENTICA GitHubリポジトリ

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PAX SAPIENTICA 文献学・考古学・人類学データを用いた ABS & GIS 各国・各時代の暦表示機能や各時代の環境復元機能を持つ XYZ タイルや地物を自由に追加することが可能

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補足（学問）文献学：日本書紀，古事記等の文字資料から歴史を考察考古学：遺跡から出た遺物・遺構から歴史を考察人類学：人骨の形質や遺伝子の情報から歴史を考察

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補足（用語） ABS：Agent-based Simulation（後に解説） GIS：地理情報システム - Geographic Information System XYZタイル・地物：GISで表示する地図や点のこと

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開発期間 2023年1月10日から現在まで（１年ちょっと） 927 コミット / 96 プルリクエスト 2024年1月10日ソフトウェア正式リリース

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開発意義歴史的事象の分析を得意とするGISは少ない一般のGISは空間情報の扱いに長けているが歴史にとって重要な時間情報の扱いは不向きなことが多い

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開発意義そのため，歴史的事象の分析のためのABSとGISの双方の機能を持つソフトウェアを開発した時間情報，空間情報，シミュレーションの３つの機能を持つ汎用性・拡張性の高いソフトウェアを目指した

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開発者（2人体制）企画の立案が得意 Windows環境で開発厳密な設計が得意 Mac環境で開発私相方

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開発担当データ作成・デザイン描画関連・仕様の作成暦と地図機能の作成 Windows/Android 対応 CI/CD・自動化周り CMake・ビルド環境整備シミュレーションの作成 Mac/Linux 対応私相方

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サポート環境両方が担当

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対応言語 C++17 をサポート【理由】スマホ対応のためAndroid NDKに合わせた ※最近C++20に対応した噂を聞いている（要確認）いずれC++20や23へと対応していきたい両方が担当

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コンパイラ GCC・Clang・MSVCをサポート CI (GitHub Actions) ではGCCとClangでビルド実行私の手元ではMSVCでビルド実行相方の手元ではClangでビルド実行主に相方が担当

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CI/CD関連 CI は GitHub Actionsを使用単体テスト，全体ビルド等がある現在は６種類存在テストはGoogle Test を使用相方が担当

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スクリプト一覧 CodeCounter.py:コード行数をカウント / CTest.*: CTestを実行 DevelopmentBuild.sh(.bat): MapViewerの開発ビルドを行う ProductionBuild.sh(.bat): MapViewerの本番ビルドを行う SyncSubmodule.sh(.bat): submoduleを同期する UbuntuBuild/Build.sh: Ubuntu上でのビルドを行う UbuntuBuild/docker-compose.yml: build環境を構築するためのdocker-composeファイル相方が担当

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ライブラリ行数内製ライブラリの行数の合計は「10803行」意外とたくさん書いている（大規模なのか，それとも無駄が多くて汚いコードなのか）両方が担当

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ライブラリの構造 3種類用意 PAX_SAPIENTICA：描画ライブラリに依存しないもの PAX_GRAPHICA：描画ライブラリをラップするもの PAX_MAHOROBA：描画ライブラリに依存するもの私が担当

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描画Libraryのラップ書籍のように100年後も扱える製品にしたい大きい外部ライブラリの依存を少なくしたい長方形の描画など基本的な機能を追加マクロ分岐で自由に描画ライブラリを選択私が担当

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対応した描画Library OpenSiv3D・SFML・DxLibに対応 DirectX, Vulkan, Metal 等を直接使用はしていない時間がかかるので簡単に描画できるものを使用 Qt などにも対応したらより便利かも本質じゃないのであまり時間はかけたくない主に私が担当

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開発時の主な描画 OpenSiv3Dが便利で使いやすいので愛用スマホ対応で究極のC++描画ライブラリになると期待 Android対応でDxLib，外で人前で作品を見せるときにスマホやタブレットで動くものがあると便利私が担当

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その他のライブラリ Google Test：テストに使用 stb：画像の入出力に使用 OpenMP：並列化に使用（ただしほぼ未使用）今後更に追加される可能性あり両方が担当

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対応OS（GUI） Windows・Mac・Android・Linuxをサポート iOS はサポート無し（いずれサポートしたい）入力デバイスも自由：マウスのみ，キーボードのみ，タッチのみでも基本動作はほぼすべて対応両方が担当

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開発環境（GUI）【 SFML 】 CMake，ソリューション (.sln) 【 OpenSiv3D 】ソリューション (.sln) 【 DxLib (Windows) 】ソリューション (.sln) 【 DxLib (Android) 】 Android Studio 両方が担当

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地図機能私が担当

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地図の描画 GISなので地図を描画する機能が必要様々な地図投影法が存在するが，メルカトル図法のみ使用メルカトル図法とは経度と緯度が常に直交する図法メルカトル図法の地図を分割して表示する形式が望ましいその形式である「XYZタイル形式」をサポートした私が担当

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XYZタイルとは世界測地系の経緯度が正方形に変換されるよう極域の一部地域（北緯及び南緯約85.05112878度以上）を除外した範囲をメルカトル投影を使って変換された地図地図をコンピュータで管理しやすくした形式 Z（Zは0以上の整数）がズームレベル，2のZ乗が分割数私が担当

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XYZタイルの座標私が担当

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初期の地図表示二次元 std::vector で管理表示範囲が変わった時に画像全て読み直しトンデモ実装・めちゃくちゃ重い私が担当

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初期の地図表示表示範囲が変わった時に元々読み込んであるものを保持しつつも新しい画像を読み込んで管理する良い方法ないかな std::unordered_map を使えば簡単にできるのでは？私が担当

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地図の仕組み std::unordered_map の Key の型は uint64 を使用 Z=8bit, Y=24bit, X=24bit としている（※8bit 余っている） XYZタイルのズームレベルとX・Y座標を入れるだけで簡単かつ高速に管理が可能となった私が担当

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地図の仕組み Z=7が約1km間隔，Z=17が約1m間隔つまり、Z=24が約7.6mm間隔基本的にタイルはZ=17までのものがほとんど Z=24まで対応しているが24まで使用することはほぼ無い私が担当

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列挙型撲滅プロジェクト私が担当

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enum定義の問題点ユーザが自由に定義できない点ソースファイルに直接書き込んでしまう点数値で管理するため，文字列と相性が悪い点などなど私が担当

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文字列で管理自由にユーザが追加しやすい一方でenumや数値管理よりも処理が重くなる自由度を保ち，処理を軽くするには文字列を数値へ変換すれば良い私が担当

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文字列を数値へ変換文字列を数値へ変換して管理する MurmurHash3関数という文字列をuint32へ変換する機能を用意コードの大部分を改修私が担当

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TSV読み込みと管理・画像・地名/人名・言語/テキスト・暦・シミュレーション・その他設定私が担当

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TSV読み込みと管理 1行目を読み込む→MurMur3で数値に変換し，数値で保持対応する構造体へ変換，2行目以降を格納文字列データを数値として保持することによって高速にもなり，汎用性も上がった私が担当

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主に相方が担当シミュレーション

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ABSとはエージェントを用いた仮想実験（シミュレーション）日本ではマルチエージェントシミュレーション（MAS）と呼ばれることが多い「マルチエージェントシステム」や「エージェントベースモデル」等の似た用語がある主に相方が担当

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主に相方が担当シミュレーションは巨大で今回の時間内で話すのは不可能また次の機会に……

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簡単なまとめ CIでGCC/Clangをビルド実行，C++17を使用開発環境はCMake・VS sln・Android Studioに対応分割された地図は std::unordered_map で管理文字列をMurMur3で uint32 へ変換して処理高速化