『MMDにおける航空モーションの作り方・基礎知識編(M.A.G)』
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『MMDにおける航空モーションの作り方・基礎知識編(M.A.G)』

2016-03-27 21:54
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    ▼ご注意▼

    このブログは『航空機や航空機に関わる力学に詳しくない・よく知らない』人間が、
    アバウトな知識となんとなくな感覚で制作・投稿しています。

    内容はあまり真に受けず、また間違いがありましたらテキトーに訂正お願いしますm(__)m


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    たまにMMD空軍やMMD航空で動画を作っていますM.A.Gと言います。
    今回はMMDにおける航空モーションの作り方について一歩踏み込んで書いてみようと思います。


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    ▼本日のお品書き
     0.はじめに
     1.航空機が飛んでいる状態・飛ぶ理由とは
     2.機体に働く4つの力、慣性、位置エネルギーと運動エネルギー
     3.回転翼機の場合
     4.終わりに
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    ▼0.はじめに。


    私はMMDがきっかけで航空に興味を持つようになった比較的最近からの航空ファンです。
    ぶっちゃけるとMMD空軍やMMD航空で動画投稿し始めた当初(2010~2011)は実際の航空のことは何も知らないような人でした。
    後から振り返ってみて割と問題だったなぁと思うことは、
    『航空機が何故飛べるのか』
    『飛ぶということがどういう状態なのか』
    全然知らなかったこと()

    『飛ぶことについて』知っているのといないのでは結果が変わってくると思うので、
    まずはそこに触れてみます。

    (もちろんリアリティにこだわるのも、非現実超機動を目指すのも、そこは制作者自身のお好みでOKだと思います。
    (個人的にはリアル追及も、非現実全開も好きです。)



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    ▼1.航空機が飛んでいる状態・飛ぶ理由とは


    航空機が飛んでいる状態というのは簡単に言うと『空気の上に乗っている』状態です。

    『空気』とは何かというと窒素やら酸素やらの気体の集まり。
    普段意識しないので何もないように錯覚してしまいますが、
    扇いだり、風が吹いたりすると存在を感じることができると思います。
    ※空気には重量もちゃんとあって1リットルの重さは1.2gぐらいだそうです(標準状態)

    ・空気の存在





    一方、航空機が飛ぶ理由を簡単に言うと『翼が風を受けて機体を浮かせている』ためです。

    航空機の翼には「風を受けて機体を浮かせる」ための工夫がしてあります。
    翼の形状は一部の例外を除いて上下非対称になっています。


    ・翼の断面


    これは翼を通過する空気の流れを、上面で速く、下面で遅くするための工夫です。
    空気の流れが速い部分は圧力が低くなり、遅い部分は圧力が高くなります。
    そこで圧力の低い方に引っ張られる、
    あるいは圧力の高い方が押し上げる、『力』が発生します。
    この力を『揚力』と言います。


    1.空気の流れ                    2.圧力の違い



    3.生じる力、『揚力』






    航空機が飛ぶ理由は『翼が風(空気の流れ)を受けて揚力を作り、機体を持ち上げている』ためです。
    航空機は、翼と空気の流れがないと飛べません。


    ※モーション制作者としては、
    航空機は『何もない空間に浮いているのではない』ことと
    『空気の流れから力を得ていること』を意識しておけばいいと思います。




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    ※補講・揚力と速度と迎え角の関係。動翼の効果。背面飛行時の注意点。

    1.揚力と速度と迎え角の関係
    揚力は、飛行速度が速いほど増加します。
    また迎え角(進行方向に対しての+のピッチ角)を付けることでも増加します。
    ※例えば低速飛行時に機首を上げて航過する飛行機は、速度低下による揚力減少を
    迎え角をつけ揚力増加させることで補っています。


    ・通常航過(機首水平・フラップ無)         ・低速航過(迎え角付け・フラップ下げの状態)
     


    ただし迎え角を付ける場合、一定の角度を超すと翼から気流が剥がれはじめ、限度を超すと
    一気に揚力を失う『失速(ストール)』という状態になるので注意が必要です。
    (低速時の失速対策の装備には翼の揚力を増やすフラップ・前縁フラップ。剥がれた気流をカバーするスラットなどがあります)




    2.動翼の効果
    飛行機は動翼の操作によって姿勢を変えることができますが、ここでコントロールしているのは揚力です。

    例えばエルロン(補助翼)が下を向くと上向きの揚力が強まります。
    ・エルロンが下に動いた場合の変化




    逆に、上を向くと翼の上面の圧力が高まり下向きの揚力が発生します。
    ・エルロンが上に動いた場合の変化




    ロールする場合の動作はこの状態になります。
    ・ロール時のエルロンと力の動き



    このように力を使い素早くロールを行っています。
    エレベーター・ラダーなども同様の考え方で揚力のコントロールをしています。



    3.背面飛行時の注意点
    飛行機の翼(一部の例外を除く)は、水平飛行時に上向きの揚力を発生させる仕組みになっています。
    そのため、機首水平のままで背面飛行すると下向きの揚力を作ってしまいます。
    背面飛行時は機首を腹側に向けて少し上げ、迎え角を作り、上向きの揚力を作る必要があります。

    ・背面飛行時の翼の揚力





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    ▼2.『機体に働く4つの力』、『慣性』、『位置エネルギーと運動エネルギー』

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    1.機体に働く4つの力

    さて、飛行中の航空機に働く力は揚力の他に推力、抗力、重力があります。

    『推力・抗力・揚力・重力』の四つの力は飛行状態を考えるうえでとても重要になりますので触れておきます。

    1.推力 ...エンジンの力で作る推進力。
    ※飛行機が前進するための力であり、離陸時に揚力を獲得するためにも必要な力。
     重たい飛行機が飛ぶための揚力を作るにはかなり高速の『風』が必要です。
     飛行機は高速で前進することで空気の流れを翼に当て、揚力を作ります。


    ・進行方向に対しての機首の動きとスロットル操作による推力の変化






    2.抗力 ...進行方向に対しての抵抗。
    ※機首の向きと常に同じではない。
    ※エアブレーキなど、主に制動をかける時に積極利用する要素です。
    ※……厳密には揚力を増すためのフラップなどを使用しても、抗力が増します。


    ・スピードブレーキと迎え角拡大時の抗力の変化






    3.揚力 ...空気の流れの圧力差で作る力。
    ※詳細は▼1の項目で説明済。

    ・迎え角拡大時の揚力の変化。失速状態





    4.重力 ...地球の重力
    ※常に下向き安定の力。重力加速度9.8m/s

    ・機体の動きに関わらず一定の重力






    航空機はこれらの力のつり合いをとったり均衡を崩すことで進路を決定します。

     推力 > 抗力  加速します
     推力 < 抗力  減速します
     推力 = 抗力  速度維持

     揚力 > 重力  上昇します
     揚力 < 重力  下降します
     揚力 = 重力  高度維持


    ※航空機がどこを向くかで力のかかり方が変わるので、進路を考える場合は上下左右の力の合計を意識する必要があります。


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    2.慣性。

    「外力が働かなければ、物体はその運動状態を保つという性質。惰性。(デジタル大辞林)」というのが慣性です。
    例えば摩擦が0の平地に時速10kmの自転車で突っ込むと、何もしなくても時速10kmで進み続けるというのが慣性です。
    (しかし実際は地面の摩擦や空気抵抗があるので、次第に減速して止まります。)
    航空機は地上よりも外力が少ない(地面の摩擦などがない)空気の上を飛び回っている乗り物なので、慣性は結構ガッツリ働いているという印象です。
    (急に止まったりはできませんし、うっかりすると普通に滑るみたいです。)


    航空モーション制作時、特に慣性を意識するのは旋回です。
    例えば飛行機はヨーの操作で機首の向きを変えることができます。
    しかし機首の向きを変えても、推力だけでは慣性に勝って進行方向を曲げるだけの力を出せないので旋回することができません。(一部例外を除く)

    ・ヨーの操作だけでは旋回できない。







    このため飛行機は翼面をロール角に傾け、揚力の一部を慣性に対する力に充てることで釣り合いをとり、旋回します。

    ・機体をロールさせ、揚力の一部を慣性に対する力に充てて旋回する。
     




    この時にロール角が深すぎると内滑り(slip)し、浅すぎると外滑り(skid)になります。

    ・内滑りと外滑りの力の状態
     
    ・赤スモーク機が内滑り、白スモーク機が外滑りの状態。


    ※旋回時の補足動作
     ロールしての旋回時は上向きの揚力が落ちるので、何もしないと高度が低下します。
     ピッチアップして揚力をフォローする挙動を入れるとそれっぽいモーションになります。
     (推力アップでフォローする方法もある)




    空中は安定の領域と不安定な領域が密接している世界です。
    航空モーションの肝はこの安定性と不安定性をどう表現するかだと思います。
    (飛行機の飛行は、安定の領域を捕まえている限りガッチリ空気を掴んでいるようにすら見えます。)
    (不安定の領域に入っている飛行機が見たければ曲技機の演技がおすすめです。不安定をコントロールする飛び方が見れます。)





    ※他に航空祭などの飛行で見れる慣性の使用例としては、エルロンロールやナイフエッジなどが分かりやすいかもしれません。
    技の直前にピッチアップすることが多いと思います。
    これらの技は実施中に上向きの力を安定させるのがとても困難で高度低下の危険があります
    このためピッチを上げて若干上昇することで上向きの慣性を作り高度の低下を防いでいます。
    (動翼のコントロールだけで高度を落とさないパイロットは相当レベルの高いと思われます。)
    (またF-2やF-16などの挙動はすごくスムーズに見えます。フライバイワイヤはやはり優秀なのだろうと思います。)



    ※動翼の操作補足
    1.当て舵について

    ▼1-補2の項目で、機体姿勢を変化させるのに動翼で揚力をコントロールすることは説明しましたが、実はここでも慣性がかかります。そのため例えば、素早くロールして機体をピタリと止めたい場合、少し逆方向に舵(動翼)を入れてブレーキをかける必要がでてきます。
    この逆方向に舵を入れる操作を『当て舵』といいます。
    (モーションの表現力をあげたい場合はこの辺の挙動も拾って作るといいと思います。)
    (ただしフライバイワイヤを装備している機体は、動翼を最適に調整してくれるので当て舵の必要はないらしいです。)
    ↑フライバイワイヤ機の補足2019.09.01。当て舵の必要がないというのは操縦者の話で、機体は姿勢を維持するために自動で当て舵を入れています。

    2.旋回時のラダー操作(アドバースヨー対策)
    エルロンを使って機体をロールさせ旋回する時に、左右の翼の抗力に差が生じるためにヨー方向の動きが出てくる。
    これをアドバースヨーと言います。
    (上になった翼の抗力が大きくなり、下になった翼の抗力が小さくなる。抗力が大きい方に機首が向こうとする。)
    これを抑えるためにラダーを調整する必要があります。
    (右にロールする場合は右のラダーペダル、左にロールする場合は左のラダーペダルを踏んで調整する。)
    (……正直、観客にはよくわからない部類の挙動なのでモーションに反映するかどうかは悩ましいところだと思います。)

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    3.位置エネルギーと運動エネルギー


    ここで理解しておくことを簡単に言うと
    ボールを真上に投げたら『次第に減速して高いところで止まる』、落下してくるボールは『徐々に加速して投げた時とだいたい同じ速度で落ちてくる』ということです。

    いわゆるエネルギー保存の法則というやつです。
    (『地上で投げられたボール(運動エネルギー)』と『空中で停止したボール(位置エネルギー)』の持つエネルギーは同じ。)
    (ちなみにこの場合のエネルギーは「物理学でいう物体が仕事をすることのできる能力」という意味です。………高校物理までしかやってないのでコレ以上の説明はムリ;)


    通常航空機はエネルギーを失わないように飛びます。
    単純にエネルギーを失ってしまうと次に機動する時、必要なエネルギーを獲得するために余分な推力と時間を使ってしまいます。
    『速度が速くて減速したい場合、速度を高度に変換しておく』
    『速度が足りない場合、高度を速度に変換する』など
    高度と速度を巧みに変換しながら全体としてのエネルギーの消耗を抑える。それが上手い飛び方です。

    ※空中では空気抵抗があるので何もしなくてもエネルギーは消費されます。
    ※エネルギーのロスが少ないほど長く飛べます(燃料を節約できる)し、綺麗にも飛べます。



    イメージとして分かりにくければ、エネルギーをお金のように思ってみると良いかもしれません。無駄なエネルギーの消耗はお金をドブに捨てるようなもので、基本的には堅実なやり取りが推奨されます。
    また同じ性能の戦闘機が喧嘩(ドッグファイト)するときも、お金持ち(エネルギー持ち)ほど有利です。



    航空モーションを作る上ではとりあえず
    『上昇したら減速する』『下降したら増速する』を意識しておくといいと思います。
    ・高度と速度の変換




    ※推力抗力揚力重力が釣り合った状態の話になります。
     ▼2-1の項目でもふれましたが
     飛行を考える場合は、この4つの力の力関係を意識して、操作していけば大丈夫です。
     ・上昇で減速したくない場合は推力を足して速度を維持する、あるいは増速する※エンジンの
       性能・余力次第

     ・速度を抑えたいときは推力を抑えたり抗力を増やしたりする。
     スロットル操作などのコックピット描写をはさむことでも航空表現に厚みが出ると思いま  す。



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    ※補講:グライダーと曲技機の演技。
    1.グライダーの演技
    グライダーの曲技はある意味運動エネルギーと位置エネルギーの変換ショーだと思います。
    グライダーにはエンジンがないので推力もありません。
    ウィンチや別の飛行機に引っ張ってもらい最初の位置エネルギーと運動エネルギーを作ります。
    その手持ちのエネルギーを上手くやりくりしながら空を飛びます。
    綺麗だと思います。(一度は生で見てみたいです。 ← まだ生では見たことがない
    ・グライダー ASK-21



    2.曲技機の演技
    曲技機も位置エネルギーと運動エネルギーを変換させながら行う演技が多い印象です。
    グライダーと違う点は12Gに耐えられる強靭かつ軽量な機体に強力なエンジンを積んでいること。
    つまり何でもありな派手な飛び方ができます。(ただし滑空性能は良くないらしい)
    当ブログで何度か書いた『一部例外を除く』の例外にあたるのが曲技機です。※翼は上下対称でラダー旋回もできる。
    通常では考えられないような飛び方をするので見ていてとても面白いです。
    曲技機がガチってる演技見てから恋に落ちています。(すごく好きデス)

    ・曲技機 Su-26





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    ▼3.回転翼機の場合


    このブログは『航空機』という言葉を何度も使っていますが、航空機とは空を飛ぶ乗り物の総称です。飛行機・グライダー・ヘリコプターなど色々あります。
    (本当はこの分類を『重航空機』というそうで。『軽航空機』も入れると話がややこしくなるので略m(__;)m)
    基本的にこれらの乗り物に飛行中にかかる力や物理法則は同じです。

    しかし、
    ヘリコプター(回転翼機)に関しては見た目からして差異があるので少し説明します。


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    1.ヘリコプターが飛ぶ理由。固定翼と回転翼


    さて。航空機が飛ぶ理由は何だったでしょうか。
    航空機が飛ぶ理由は、
    『翼が風(空気の流れ)を受けて揚力を作り、機体を持ち上げている』ためです。
    もちろん同じ理由でヘリコプターも飛んでいます。

    飛行機の固定翼は前進して風を当てることで揚力を作りますが、ヘリコプターの回転翼(ローター)は高速回転することでブレード一枚一枚に揚力を作ります。
    この揚力をコントロールすることで上昇したり下降したり、
    あるいは機体の姿勢を変化させて前進したり後退したりすることができます。
    (ヘリコプターの場合、推進力の操作はエンジン出力の増減ではなく、ローターブレードの翼面操作により行われます。ローターの回転数は一定だそうです。)

    ・ヘリコプターの操縦・翼面操作




    ※予備知識:プロペラとローターの推進力
    飛行機のプロペラと回転翼機のローターは使用目的や構造が違いますが、翼を回転させて力を作っている点では同じものです。ではプロペラ(ローター)はどういうふうに力を作っているのかというと、
    『空気を後ろに押し出している力の反作用(運動量理論)』『翼が作っている揚力(翼素理論)』の二通りの考え方があるようです。
    この辺の物理学はまだハッキリとしていない?感じなので、文系出身の人間としてはどうしようもない状態です。
    ……ただ今困ってしまうことに『プロペラ(ローター)の力をなんと言えばいいのか?; 推力? 揚力??』という言語上、表現の問題が出てきます。
    このブログではプロペラの力は推力、ローターの力は『ローターの推進力(揚力と推力を含む)』とさせてもらおうと思いますm(__)m




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    2.テイルローターの意味

    ヘリコプターは回転翼(メインローター)を高速回転させることで『力』を作ります。
    この『力』は上向きの揚力だけではなく、ローターを回転させる力の、『反作用の力』も作ってしまいます。

    つまりどういうことかというとメインローターの力だけだと機体がくるくると回転してしまいます。
    この横向きの力をコントロールするためについているのがテイルローターです。
    (映画などでテイルローターを破壊されたヘリコプターがくるくる回って墜落するのは反作用の力をコントロールできなくなるためです)

    ・メインローターの推進力。ローターの回転により生じる反作用の力。それに対してのテイルローターの力。





    ※この反作用の力のコントロールは、ヘリコプターの種類によっても異なります。
    ローターを同軸に二つ装備し逆回転させることで作用反作用の力を打ち消している二重反転ローターや、テイルブームから空気を噴出させるノーターのような仕組みもあります。




    ※作用反作用の法則(物体を押すと、押す力と同じ力で押されるという物理法則)
    ・(左画像)YS-11、セスナ172 ...標準的なプロペラ機。
    ・(右画像)アヴァンティⅡ   ...プロペラの回転方向が左右逆の機体。お互いの反作用を打ち消している。

     


    実はプロペラの飛行機にも作用反作用の力は発生しているのですが、
    機体の重さで安定を取っていたり、バランスが釣り合うように機体がセッティングしてあるようです。
    (動翼の操作でコントロールしたりすることもある……など対応は異なるようなのでモーション制作に反映する場合は機体 の特性をきっちり調べたほうがいいと思います。
     重箱の隅の隅にもこだわる人向けの要素だと思いますので基本、考えなくていいかなとは思います。)
    (ただし曲技機の『トルクロール』はプロペラの回る反作用の力を使った技なので
     このモーションを作る場合は考慮したほうが良いです。
     su-26とエクストラ300ではプロペラの回転方向が違うのでトルクロールの回転方向も違ってくると思われます・未確 認)




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    3.ヘリコプターの姿勢コントロール。

    ヘリコプターもピッチ角をつけたりロール角をつけたりと飛行姿勢を変えることができます。
    飛行機の場合は動翼(エルロンやエレベーター、ラダーなど)を動かし、揚力のバランスを崩して姿勢をコントロールしますが、
    ヘリコプターの場合はローター・ブレードを動かすことで回転翼全体の揚力バランスを変化させています。
    (ほぼ目視できないのでモーションとしては無視していいところです。ただ頭に置いておくと挙動のイメージはしやすいと思います。)


    ・ピッチ角の力の動き
     

    ・ロール角の力の動き
     





    ローターブレードの動きは、フラッピング(上下の動き)・ドラッギング(前後の動き)・フェザリング(迎角の動き)の三つがあります。
    またメインローターはブレードの揚力と遠心力(ローターが回転することで発生する。機動には特に関係ない力)によりローターブレードが上にフラッピングしている状態になります。
    この状態を『コーニング』と言います。
    コーニングは目視でわかることが多いので
    コーニングやフラッピングのモーフがあるモデルさんを使う場合は『駐機時は下げる』『離陸時・飛行時に上げる』ようにキーフレームを打っておけばいいと思います。

    ・フラッピングの状態。コーニング。
     
             ↓




    ※重箱の隅の隅系知識・ジャイロプリセッション
    ローターブレードの動きと実際の作用が90度ズレてしまう現象をジャイロプリセッションといいます。
    そのためローターブレードは、希望する作用の90度手前で動いています。
    モーション制作では気にしなくていい部類の話だと思いますが、
    実装されているMMDモデルさんも存在するのでMMDの世界はスゲー恐ろしいと思いますw
    (趣味の極致。スバラシイ)





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    4.モーションを作る上で意識するヘリコプターの力。

    飛行機のモーションを作る上では推力・抗力・重力・揚力の4つの力を意識しなければなりませんが、ヘリコプターのモーションで意識しておくのはメインローターの推進力テイルローターの力、あとは重力だけでいいと思います。
    もちろん他の航空機と同じように抗力もかかっているのですが、
    ヘリの挙動はローターの力が大きいように見える(自分が見る限り)のでこれを主眼にモーションを作ってもいいと判断しています。

    ・モーション制作で意識するヘリコプターの力




    ヘリコプターは飛行機と違って空中で停止できたり、かなり融通の利く飛び方ができるので、モーション制作やMMD上での運用も比較的簡単になっていると思います。





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    ▼終わりに。

    前知識が長くなってしまいましたが、これらのことは別に知らなくてもモーションは作れます。(私がいい例だと思います。このブログを書く上で新たに学んだことも多いです;)

    エンターテイメントの動画というのは『学問研究』ではありませんのでリアリティの探究にこだわる必要はありません。
    なんとなくな『作りたい』『作ってみたい』という原動力だけでモーションや動画を作っても問題ないと思っています。
    (具体的なイメージがある場合は妄想に突っ走った方が面白いものが作れるかもしれません。)

    ただ全くの無知から何かを作るのはとても大変だと思います。
    何かを考える場合、知識は確実に助けになります。
    また参考に航空機の動画を見たり、ゲームをしたり、実物を見たりしていると、そこに何かしらの規則性があることに気付いてくると思います。
    知識は着眼点を増やすことにもなるので、ものを見る楽しみも増やせます。
    自分を楽しませるという意味でも学習は面白いと思います。
    趣味は楽しんでなんぼですw(もちろん他人の迷惑になるようなことはダメデス)


    以上。『MMDにおける航空モーションの作り方・基礎知識編(M.A.G)』でした。
    最後まで拙い長文にお付き合いいただきありがとうございましたm(__)m

    実際のモーションの作り方は
    『MMDにおける航空モーションの作り方・制作編(M.A.G)』をどうぞ ⇒


    ※内容が陳腐化してしまっているため、現在非公開にしていますm(_ _)m 2019.09.01




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    ジュラーヴリク / cham様
    MOBパイロット / ディプスペ☆彡様

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    Su-26 / シナモソ様
    セスナ172 / シナモソ様
    P180_Avanti-II / シナモソ様
    YS-11 / カツオ武士(P)様
    ASK-21 / 木工ボンド様
    試作ローター機構ver0.80 / cvn68nimitz様
    Bell412EPI/蟹江様
    ちびオスプレイ/魔姫★様

    IKカメラボーン/そふぃ様
    汎用機動多段ボーン/M.A.G

    ActiveParticleSmoke_v008/針金P様

    MikuMikuDance/樋口M様
    MikuMikuEffect/舞力介入P様
    PMXエディタ/極北P様

    ありがとうございましたっm(__)m






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