UnityのQuaternionを理解しよう：回転制御をスムーズに扱うための基本ガイド

ゲーム開発•2025/1/24

はじめに

Unityで3Dオブジェクトを回転させるときに扱うのが Quaternion です。みなさんの中には「なぜ回転制御にQuaternionが必要なのだろう？」と疑問を抱いている方もいるかもしれません。

実際、ゲーム開発の作業では、オブジェクトを自然な動きで回転させたい場面がたくさんあります。しかし回転を表現する手段としては、Euler角や角度そのものを扱う方法もあるので、「Quaternionってなんだろう？」と悩むケースも多いのではないでしょうか？

ここでは、Quaternionがどのように機能し、なぜ利用すると便利なのかを具体的に説明します。また、実務で役立つシーンやコード例も紹介しますので、ゲーム開発や3Dアプリケーションの制作に挑戦しているみなさんの一助になればと思います。

Quaternionとは何か

Quaternion は、3D空間における回転を表す特殊な数学的概念です。角度や軸の情報を一つのパッケージにまとめているイメージを持つと理解しやすいでしょう。

もしこれが初めて聞く言葉だとしても、あまり身構える必要はありません。なぜなら、UnityではQuaternionを明示的に扱わないときでも、内部的にオブジェクトの回転がQuaternionで管理されているからです。つまり、はじめは概念をざっくり理解し、少しずつ慣れ親しんでいくほうがスムーズかもしれません。

QuaternionとEuler角の違い

Unityでは、回転を表すときに Euler角 という方法も用意しています。「x軸に何度、y軸に何度、z軸に何度」と数値で分かりやすく表現できる点は魅力的ですね。

一方で、Euler角には、いわゆるジンバルロックという問題が起きる場合があります。これは特定の回転角度で軸が重なり、意図しない動作になる現象です。 Quaternionを使うと、この問題を回避しやすいと言われています。

初心者のみなさんが「どちらを使えばいいの？」と迷ったときは、以下のようなポイントがあるかもしれません。

Euler角：数字で回転を指定しやすいが、ジンバルロックのリスクがある
Quaternion：ややとっつきにくいが、複雑な回転をスムーズに扱いやすい

実務では、回転を直接制御したい場面（例：オブジェクトを一定角度だけ傾けるなど）ではEuler角を使うこともあります。しかし、連続的に回転する動きを滑らかにしたい場合などは、Quaternionに慣れておくと安心ですね。

UnityでのQuaternionの活用シーン

Quaternionは、ゲームやアプリ開発のいろいろなシーンで使われます。例えば、次のようなケースが考えられます。

キャラクターやカメラが上下左右に回転する動作を自然に表現したい
飛行機や車が連続的に回転しながら移動するときのモーションをリアルにしたい
360度回転を繰り返すような仕組みで、角度が混乱しないように管理したい

こういった状況では、Euler角を細かく制御するよりも、Quaternionを適切に扱うほうが無理なく開発できる場面が多いでしょう。ジンバルロックを気にしなくてよいため、開発中に「思っていた挙動と違う」というエラーが出にくい傾向があります。

UnityのAPIを見ると、オブジェクトの回転を設定するプロパティ transform.rotation はQuaternionで管理されています。また、transform.eulerAngles を利用してEuler角として取得したり設定したりもできますが、最終的には内部でQuaternionが使われることを頭に置いておくといいですね。

Quaternionの基本構造

数学的には、Quaternionは w, x, y, z という4つの要素で構成されます。 Unityのエディタ上では、この4要素を直接いじることはあまりないと思います。しかし、中身がこうなっていると知っていると、後々「なぜ4つ必要なのだろう？」と興味が湧くかもしれません。

実際に数式レベルの理解を深めると、回転の合成や補間をシンプルに書けるメリットがあるとわかります。ただし、初心者がいきなり数式を追うのは大変に感じるかもしれません。最初は、Quaternionが4つのパラメータで回転を表現しているのだ、という程度を押さえておくのがおすすめです。

Quaternionの主なメソッドとプロパティ

Unityでは、Quaternionを操作するためのメソッドやプロパティがいくつか用意されています。代表的なものを見てみましょう。

Quaternion.identity

初期値のようなもので、回転なし（0度）の状態を表します。オブジェクトの回転をリセットしたいときに便利です。

Quaternion.Euler (float x, float y, float z)

Euler角(x, y, z)からQuaternionに変換します。角度指定しながら回転を扱いたい場合に使いやすいです。

Quaternion.Angle (Quaternion a, Quaternion b)

2つのQuaternionの間の角度差を求めます。たとえば、キャラクターが実際どれだけ回転したかをチェックしたいときに便利です。

Quaternion.Lerp (Quaternion a, Quaternion b, float t)

線形補間を行います。オブジェクトをaからbへ、なめらかに回転させたいときに使われます。

Quaternion.Slerp (Quaternion a, Quaternion b, float t)

球面補間を行います。 Lerpよりも回転が自然に見えることが多いのが特徴です。

これらをうまく組み合わせると、キャラクターの動きやカメラ演出を自分のイメージ通りにコントロールしやすくなります。慣れてきたら、Euler角変換や補間メソッドを多用してスムーズな動作を狙っていくといいでしょう。

簡単なコード例：オブジェクトの回転

ここでは、具体的にオブジェクトを回転させるコード例を示します。 C#スクリプトを作成し、UnityのGameObjectにアタッチしてみるとイメージが湧きやすいでしょう。


using UnityEngine;

public class RotateObject : MonoBehaviour
{
    public float rotationSpeed = 50f; // オブジェクトが回転するスピード

    void Update()
    {
        // 左右キー入力で回転を制御する
        float horizontalInput = Input.GetAxis("Horizontal");

        // Quaternion.Eulerを使って回転分を作る
        Quaternion targetRotation = Quaternion.Euler(0, horizontalInput * rotationSpeed * Time.deltaTime, 0);

        // 現在の回転にさらに回転を乗算する
        transform.rotation = transform.rotation * targetRotation;
    }
}

この例では、 Input.GetAxis ("Horizontal") でキー入力を取得し、その値に応じてオブジェクトをY軸まわりに回転させています。 transform.rotation に乗算している部分がポイントで、今の回転に対して新たな回転を重ねていることがわかります。

なぜ乗算なのかというと、Quaternion同士の乗算が「回転の合成」を表すためです。「もともと回転している状態に、さらに別の回転を加える」というイメージを持つと理解しやすいのではないでしょうか？

Quaternion.Slerpを使ったスムーズな回転

次に、Quaternionの補間を使ったコード例を紹介します。オブジェクトを特定の角度へゆっくり回転させたい場合、Slerpが便利です。


using UnityEngine;

public class SmoothRotate : MonoBehaviour
{
    public Transform target;
    public float duration = 2f; // 回転完了までの時間
    private float timer = 0f;
    private Quaternion initialRotation;
    private Quaternion finalRotation;

    void Start()
    {
        // 回転の開始と終了を事前に記憶
        initialRotation = transform.rotation;
        finalRotation = Quaternion.Euler(0, 180, 0);
    }

    void Update()
    {
        if (timer < duration)
        {
            timer += Time.deltaTime;
            float t = timer / duration;

            // Slerpで回転を補間
            transform.rotation = Quaternion.Slerp(initialRotation, finalRotation, t);
        }
    }
}

ここでは、Startメソッドで回転の開始状態 (initialRotation) と、最終的に向かせたい角度 (finalRotation) を設定しています。 Updateメソッドでは、補間係数tを計算し、Quaternion.Slerp を使って回転を徐々に変化させています。

慣性やアニメーションっぽい動きを演出したい場合は、このような補間の手法をうまく利用するとよいでしょう。線形補間（Lerp）と比べて、回転の軌跡が球面上を動くので、自然に感じられるケースが多いです。

実務での活用シーンとTips

みなさんの開発プロジェクトでQuaternionを活かすには、いくつかヒントがあります。実務シーンを想定しながら整理してみましょう。

カメラコントロール

プレイヤー視点を上下左右に動かす場合、角度の管理が複雑になりやすいです。 Quaternionを使うことで、極端な傾きやジンバルロックが起きにくいようにできます。

AIの視線追従

敵キャラクターがプレイヤーを注視するような演出では、オブジェクトの向きをターゲット方向へゆっくり回転させると臨場感が高まります。このときもSlerpやLookRotationなどを活用すると便利ですね。

物理演算との組み合わせ

Rigidbodyを使った物理演算では、回転にも力やトルクが加わることがあります。 Quaternionの知識があると、実行時の姿勢を安全に扱えます。

実際にゲームを作っていると、単なる「Euler角での回転」では意図せぬ挙動が出て困る場面に出会うかもしれません。そんなときこそ、Quaternionを理解していると、回転制御をスムーズにできるでしょう。

Quaternionを直接4つの成分で扱うより、Euler角との変換や、用意されたメソッドを活用するほうが取り組みやすい場面が多いです。

回転方向の制限をかける方法

実務では、自由に回転させるだけでなく、「特定の軸だけ回転させたい」「一定角度以上には回転させたくない」という要望もあるかもしれません。そんなときは、Euler角に変換して特定の値をClamp（上限と下限で制限）する方法があります。


using UnityEngine;

public class LimitedRotation : MonoBehaviour
{
    public float minAngle = -45f;
    public float maxAngle = 45f;

    void Update()
    {
        float verticalInput = Input.GetAxis("Vertical");
        Vector3 currentAngles = transform.eulerAngles;

        // Unity内部では0〜360度で保持されるため、制限用に一旦-180〜180へ変換
        float normalizedX = (currentAngles.x > 180) ? currentAngles.x - 360 : currentAngles.x;

        // 入力に応じて回転
        normalizedX += verticalInput;

        // minAngle〜maxAngleでClamp
        normalizedX = Mathf.Clamp(normalizedX, minAngle, maxAngle);

        // 再度0〜360度の範囲に変換してEulerへ戻す
        float clampedX = (normalizedX < 0) ? normalizedX + 360 : normalizedX;
        transform.eulerAngles = new Vector3(clampedX, currentAngles.y, currentAngles.z);
    }
}

ここでは、X軸の回転だけを制限して、-45度から45度までに収めています。最初からQuaternionで制限する方法もありますが、やや難易度が上がるので、まずはEuler角を経由する方法が理解しやすいでしょう。

このように、QuaternionとEuler角の両方を使い分けると、柔軟な回転制御ができるようになります。どちらか一方だけを使い続けるのではなく、状況に応じて選ぶと開発がはかどるのではないでしょうか？

トラブルシューティングと対策

Quaternionを扱っていると、初心者の方は次のような疑問やトラブルに遭遇することがあるかもしれません。

「回転が思った向きと違う」
「オブジェクトがぐるぐる回りすぎて混乱する」
「Euler角に変換したら値が不連続に見える」

こうした場合、まずは以下の点をチェックしてみると良いでしょう。

軸の順序

X→Y→Zなど、どの順序で回転を重ねるかによって結果が変わります。余計な回転が上書きされていないか、あるいは期待する順番で処理されているかを確認します。

度数法と弧度法

Unityは基本的に度数法（Degree）を使いますが、一部のAPIや数学的処理では弧度法（Radian）が出てくることがあります。値の単位を間違えないようにチェックしましょう。

正規化

Quaternionを直接操作した場合、正規化されているかどうかで回転の計算結果が変わることがあります。 Unityの標準APIを使う分にはあまり気にしなくて大丈夫ですが、怪しいと感じたらQuaternion.Normalizeやnormalizedプロパティを検討してみるのも一案です。

細かい制御をしたいときの工夫

Quaternionで回転を扱うと、どうしても黒箱のように感じる部分があるかもしれません。「細かい回転制御を自前で書きたい」「角度計算を明示的に管理したい」といった要望が出てくることもあるでしょう。

その場合、以下のようなアプローチがあります。

部分的にEuler角を使用

完全にQuaternionだけで完結させるのではなく、Euler角で計算したあとにQuaternionに変換する手段を使う。こうすることで、開発者が直感的に理解しやすい数値を扱いながら、最終的な回転はQuaternionのメリットを得られます。

LookAtやLookRotationの利用

対象物を向くときに使用する transform.LookAt(target) や Quaternion.LookRotation を使うと、ベクトルの方向を回転に変換してくれます。ベクトル演算の方が分かりやすい人には便利な選択肢です。

補間メソッドのパラメータ調整

LerpやSlerpのt（0〜1）を、時間経過だけでなく、他の要素（プレイヤーの入力状況など）に応じて変化させる。例えば、プレイヤーが操作した瞬間は素早く回転し、操作をやめるとゆっくり止まるといった表現がしやすくなります。

現場では「Quaternionだけ」「Euler角だけ」と縛らず、双方の強みを組み合わせると開発が快適になります。

まとめ

ここまで、Unityの Quaternion について概要から実務での活用シーン、具体的なコード例などを紹介してきました。初心者のみなさんにとっては、はじめは馴染みにくい部分もあるかもしれませんが、慣れてくると回転制御が自由になる感覚を得られるのではないでしょうか？

Quaternionはゲーム開発だけでなく、VRやARの分野でも使われるので、しっかり理解しておくと応用範囲が広がります。 Euler角と組み合わせれば、数値的にわかりやすい部分と、複雑な回転を管理しやすい部分を両立できます。

今後は、ご自身のプロジェクトで「なぜこの挙動になるのかな？」と感じたときに、Quaternionに着目してみると、新しい気づきがあるかもしれません。多様な演出や操作感を追求するためにも、Quaternionを積極的に使っていってみてくださいね。