乱数を扱うには

◆PROCESSING　逆引きリファレンス

　カテゴリー：演算処理

【解説】

GAMEなどで敵の出現位置を決めたり、怪物や主人公のパラメータを決める処理で、適切な乱数を発生させることは、とても重要な処理となります。

PROCESSINGでも、擬似乱数を扱うことが可能です。PROCESSINGには、random() と noise() という2種類の乱数発生機能があります。

またPROCESSINGはJavaをベースにした言語であるため、Javaの乱数発生機能を利用することも可能です。

noise() については、「パーリンノイズを扱うには」で説明します。

【構文】

PROCESSINGでrandom命令を使う

●シードを変更します
void randomSeed( int seed ) ;

●疑似乱数を発生させます
float r1 = random( float high ) ;
float r2 = random( float low, float high ) ;

r1には 0.0 から hight まで（hightは含まない）範囲の値が返却されます。
r2には low から hight まで（hightは含まない）範囲の値が返却されます。

JavaでRandomクラスを使う※

●乱数操作用インスタンスを生成します
Random rs = new Random( ) ;
Random rs = new Random( long seed ) ;

●シードを変更します
void rs . setSeed( long seed ) ;

●疑似乱数を取得します
float r3 = rs . nextFloat( ) ;
int r4 = rs . nextInt( int hight ) ;

r3 には、0.0 から 1.0まで（1.0は含まない）範囲の値が返却されます。
r4 には、0 から hight まで（hightは含まない）範囲の値が返却されます。

※代表例のみ掲載しています。詳しくは以下を参照してください。

Java Randomクラス公式リファレンス

JavaでMath.randomを使う

●疑似乱数を発生させます
double r5 = Math . random( );

0.0 から 1.0まで（1.0は含まない）範囲の値が返却されます。

【注意】

JavaのRandomクラスやPROCESSINGのrandam()命令では、seedと呼ばれる乱数の「種（たね）」を与えることで、同じ系列の乱数を得ることが可能です。

seedを指定すると、常に同じ順番で同じ値が得られます。

import java.util.Random;

void setup(){
  //JPROCESSINGの乱数。seedを固定
  randomSeed( 0 );
  for( int i = 0; i < 5; i++){
    //（１）0.0 - 1.0 の間で、毎回同じ値が同じ順番で表示される
    println(  random( 1.0f ) );
  }  
  
  println("-----------------------");
  
  //Javaの乱数。seedを固定
  Random  rs  =  new  Random( 0 );
  for( int i = 0; i < 5; i++){
    //（２）0.0 - 1.0 の間で、毎回同じ値が同じ順番で表示される
    println(  rs.nextFloat() );
  }
}
void draw(){
}

import java.util.Random;

void setup(){

//JPROCESSINGの乱数。seedを固定

randomSeed( 0 );

for( int i = 0; i < 5; i++){

//（１）0.0 - 1.0 の間で、毎回同じ値が同じ順番で表示される

println( random( 1.0f ) );

}

println("-----------------------");

//Javaの乱数。seedを固定

Random rs = new Random( 0 );

for( int i = 0; i < 5; i++){

//（２）0.0 - 1.0 の間で、毎回同じ値が同じ順番で表示される

println( rs.nextFloat() );

}

void draw(){

}

上記結果は以下の通りです。

この結果は、プログラムを終了して再起動しても変わりません。なぜなら、seedがいつも一緒（この例では0）だからです。

結果だけを見ると、どうやらPROCESSINGのrandom() 命令は、JavaのRandomクラスと等価なようですね（笑）。

一方で、JavaのRandomクラスをNewする際に引数を省略した場合や、PROCESSINGでrandomSeed() 命令を使わずにいきなりrandom() 命令を使うと、seedは毎回自動的に割り当てられます。

import java.util.Random;

void setup(){
  
  //PROCESSINGの乱数。seedは「おまかせ」
  for( int i = 0; i < 5; i++){
    //（３）0.0 - 1.0 の間で、毎回異なる値が表示される
    println(  random( 1.0f ) );
  }

  println("----------------------");
  
  //Javaの乱数。seedは「おまかせ」
  Random  rn  =  new  Random();
  for( int i = 0; i < 5; i++){
    //（４）0.0 - 1.0 の間で、毎回異なる値が表示される
    println(  rn.nextFloat() );
  }  
}
void draw(){
}

import java.util.Random;

void setup(){

//PROCESSINGの乱数。seedは「おまかせ」

for( int i = 0; i < 5; i++){

//（３）0.0 - 1.0 の間で、毎回異なる値が表示される

println( random( 1.0f ) );

}

println("----------------------");

//Javaの乱数。seedは「おまかせ」

Random rn = new Random();

for( int i = 0; i < 5; i++){

//（４）0.0 - 1.0 の間で、毎回異なる値が表示される

println( rn.nextFloat() );

}

void draw(){

}

上記処理では、共に seed を指定していない（おかかせ状態）ので、new Random() される、あるいは random() 命令が実行されるたびに新しい seed が採用され、毎回異なる値が表示されます。

ただしPROCESSINGの random() では、一度 seed を指定すると、これを取り消す事（PROCESSINGにおまかせにする事）ができません。ここは注意ですね。

またJavaのMath.random( ) では seed を指定する事ができません。Math.random( )は、命令が実行される毎に、毎回異なる seed がJavaにより自動的に割り当てられます。

乱数については、ウンチクを「コラム：乱数について」にまとめました。よろしければ参考としてください。

【関連記事】

パーリンノイズを扱うには

サンプルプログラム

PROCESSINGのrandomを利用する例：

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){
  size(400, 400);
  smooth();
  background(0);
   
  for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){
    float y = random( height );
    ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);
  }
}
void draw(){
}

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){

size(400, 400);

smooth();

background(0);

for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){

float y = random( height );

ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);

}

void draw(){

}

直径10の円を左から右に向かって、順番に描きます。円を描く上下の位置を乱数で取得しています。

＜出力サンプル＞

JavaのRandomクラスを利用する例：

import java.util.Random;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){
  size(400, 400);
  smooth();
  background(0);
   
  Random  rs = new Random();
  for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){
    float y = rs.nextFloat() * height;
    ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);
  }
}
void draw(){
}

import java.util.Random;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){

size(400, 400);

smooth();

background(0);

Random rs = new Random();

for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){

float y = rs.nextFloat() * height;

ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);

}

void draw(){

}

先程の例を、JavaのRandomクラスを使って実装したものです。

＜出力サンプル＞

JavaのMath.randomを利用する例：

import java.lang.Math;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){
  size(400, 400);
  smooth();
  background(0);

  for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){
    float y = (float)Math.random() * height;
    ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);
  }
}
void draw(){
}

import java.lang.Math;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){

size(400, 400);

smooth();

background(0);

for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){

float y = (float)Math.random() * height;

ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);

}

void draw(){

}

JavaのMath.randomを利用しています。Math.randomは double 型の値を戻すため、floatにキャストしています。

＜出力サンプル＞

sfmtライブラリを使う例：

import  java.time.LocalDateTime;
import  java.time.temporal.ChronoField;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){
  size(400, 400);
  smooth();
  background(0);
  
  //ローカル日時取得
  LocalDateTime ldt = LocalDateTime.now();

  //seed は実行時のミリ秒
  Sfmt  sfmt = new Sfmt( ldt.get( ChronoField . MILLI_OF_SECOND ));
  for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){
    float y = (float)sfmt.NextUnif() * height;
    ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);
  }
}
void draw(){
}

import java.time.LocalDateTime;

import java.time.temporal.ChronoField;

final int ELLIPSE_SIZE = 10;

void setup(){

size(400, 400);

smooth();

background(0);

//ローカル日時取得

LocalDateTime ldt = LocalDateTime.now();

//seed は実行時のミリ秒

Sfmt sfmt = new Sfmt( ldt.get( ChronoField . MILLI_OF_SECOND ));

for(int x = 0; x < width; x += ELLIPSE_SIZE){

float y = (float)sfmt.NextUnif() * height;

ellipse(x, y, ELLIPSE_SIZE, ELLIPSE_SIZE);

}

void draw(){

}

和田維作のホームページ様に紹介されている Sfmt.java が組み込まれている事が前提です。

プログラム実行時のミリセカンドを seedとして与えています。

＜出力サンプル＞

コラム：乱数について

乱数はとても奥が深い要素です。コンピュータで、完全にバラツキのある予測不能な値を返すのは、とても難しいようです。

上記で挙げた命令はすべて、「擬似乱数（乱数のように見える値）」を返すものになります。

JavaのMath . random( )で発生させる乱数、JavaのRandomクラスを利用した乱数、PROCESSINGのrandom()命令で発生させる乱数は、すべて線形合同法と呼ばれる手法で乱数を発生させています。

このため、値に偏りがあり、同じ数値が現れるまでの周期が短いなどの欠点を持っているため、厳密な用途で使う（統計処理、科学技術計算、暗号化処理など）には向きません。

特に、JavaのRandomクラスとPROCESSINGのrandom()命令については、連続して出る値にかなりの偏りがあるため、バラバラである事が重要な意味をもつゲームなどでも、利用は避けたほうが良いでしょう。

じゃぁ、Javaで精度の高いバラツキがある乱数が欲しい時はどーするのさ？・・・という事になりますが、真面目にやるならメルセンヌ・ツイスタ法、または XorShift 法を使うのがオススメです。

ゲームなどライトな用途で使う場合でも、標準のrandom命令よりは、Math.randomを使うほうがマシでしょう（汗）。

また暗号化処理などに使うのであれば、java.security.SecureRandom クラスを用いるのが良いと言われています。

参考までに、参照させていただいたサイト様を紹介しておきます。

●乱数全般について

●メルセンヌ・ツイスタ法

メルセンヌ・ツイスタ法とXorShift 法については、各言語から利用できるソースプログラムが、上記「和田維作のホームページ様」に紹介されています。大変助かります。ありがとうございます。

上記で紹介されていたメルセンヌ・ツイスタ法を用いた SfmtライブラリとXorShift ライブラリを試してみましたが、PROCESSINGでもちゃんと動作しました（笑）。

PROCESSINGでSfmtライブラリ等を使う方法については、「コラム：Sfmtライブラリを使う」を参照してください。

コラム：Sfmtライブラリを使う

（１）まずライブラリをダウンロードします。

「和田維作のホームページ様」に行き、smft.zip ：ライブラリ一式をダウンロードします。

解凍すると SfmtJAVA というフォルダに Sfmt.java というソースコードがありますので、これをエディタで開いて全行コピーします。

（２）PROCESSINGで新規クラスを作成します。

PROCESSINGの標準エディタを開き、スケッチ名のタブの右横にある▼をクリックします。メニューが開くので「新規タブ」を選択します。

タブ名を入力する窓が表示されるので、好きな名前（例：Sfmt）を入力し、OKボタンを押します。

（３）できたタブにSfmt.java の内容を貼り付けます。

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