3Dコンピュータグラフィックス

3D コンピュータ グラフィックスは、 CGI、3-D-CGI 、または3 次元コンピュータ グラフィックスとも呼ばれ、計算の実行やデジタル画像(通常は2D 画像だが 3D 画像の場合もある)のレンダリングを目的としてコンピュータに保存されている幾何学データ (多くの場合は直交座標)の3 次元表現を使用するグラフィックスです。結果の画像は、後で表示するために保存したり (アニメーションとして)、リアルタイムで表示したりできます。

3D コンピュータ グラフィックスは、その名前が示すものとは反対に、ほとんどの場合、2 次元ディスプレイ上に表示されます。3D映画や類似の技術とは異なり、結果は視覚的な奥行きのない 2 次元です。多くの場合、3D グラフィックスは、仮想現実システム のように3D ディスプレイ上に表示されます。

3D グラフィックスは、作成とレンダリングに通常まったく異なる方法と形式を使用する 2D コンピュータ グラフィックスとは対照的です。

3D コンピュータ グラフィックスは、ワイヤ フレーム モデルの2D コンピュータベクター グラフィックスや、最終的なレンダリング表示の 2D コンピュータラスター グラフィックスと同じアルゴリズムを多く利用しています。コンピュータ グラフィックス ソフトウェアでは、2D アプリケーションが 3D 技術を使用して照明などの効果を実現することがあり、同様に 3D では 2D レンダリング技術がいくつか使用されることがあります。

3D コンピュータ グラフィックスのオブジェクトは、3D モデルと呼ばれることがよくあります。レンダリングされた画像とは異なり、モデルのデータはグラフィカル データ ファイル内に格納されます。3D モデルは、3次元オブジェクトの数学的 表現です。モデルは、表示されるまでは技術的にはグラフィックではありません。モデルは、 3D レンダリングと呼ばれるプロセスを通じて 2 次元画像として視覚的に表示することも、非グラフィカルなコンピュータ シミュレーションや計算に使用することもできます。3D印刷では、モデルは実際の 3D 物理表現にレンダリングされますが、物理モデルが仮想モデルとどれだけ正確に一致できるかについてはいくつかの制限があります。^[1]

ウィリアム・フェッターは、 1961年にボーイングでの仕事を説明するためにコンピュータグラフィックスという用語を作り出したと言われています^{[2] [3]}。インタラクティブな3Dコンピュータグラフィックスの初期の事例は、1963年にマサチューセッツ工科大学リンカーン研究所のスケッチパッドプログラムによって研究されました。^[4]コンピュータアニメーションの最初の展示の1つはフューチャーワールド（1976年）で、ユタ大学の学生エドウィン・キャットマルとフレッド・パークが作成した1971年の実験的な短編映画「コンピュータアニメーションの手」で最初に登場した人間の顔と手のアニメーションが含まれていました。^[5]

3Dコンピュータグラフィックスソフトウェアは、1970年代後半に家庭用コンピュータ向けに登場し始めました。最も古い例は、三田沢一正が作成し、1978年6月にApple II向けにリリースされた3Dコンピュータグラフィックスエフェクトのセットである3Dアートグラフィックスです。^{[6] [7]}

3D コンピュータ グラフィックスの制作ワークフローは、次の 3 つの基本的なフェーズに分かれます。

1. 3Dモデリング– 物体の形状をコンピュータモデル化するプロセス
2. レイアウトとCGIアニメーション- シーン内のオブジェクト（モデル、ライトなど）の配置と移動
3. 3Dレンダリング– 光の配置、表面の種類、その他の品質に基づいて、シーンを画像にラスタライズするコンピュータ計算

モデルは、物体の形状を形成するプロセスを表します。3Dモデルの最も一般的な2つのソースは、アーティストやエンジニアが何らかの3Dモデリングツールを使用してコンピュータ上で作成するものと、現実世界の物体からコンピュータにスキャンされたモデルです（ポリゴンモデリング、パッチモデリング、NURBSモデリングは、3Dモデリングで使用される一般的なツールです）。モデルは、手続き型または物理シミュレーションによって作成することもできます。基本的に、3Dモデルは、形状を定義してポリゴンを形成する頂点と呼ばれる点から形成されます。ポリゴンは、少なくとも3つの頂点（三角形）から形成される領域です。n個の点を持つポリゴンはn角形です。^[8]モデルの全体的な整合性とアニメーションでの使用の適合性は、ポリゴンの構造によって決まります。

画像にレンダリングする前に、オブジェクトを3D シーンに配置する必要があります。これにより、位置やサイズなど、オブジェクト間の空間的な関係が定義されます。アニメーションとは、オブジェクトの時間的な記述 (つまり、時間の経過とともにどのように移動し、変形するか) を指します。一般的な方法には、キーフレーム、逆運動学、モーション キャプチャなどがあります。これらの手法は、組み合わせて使用​​されることがよくあります。アニメーションと同様に、物理シミュレーションでも動きが指定されます。

マテリアルとテクスチャは、レンダリング エンジンがモデルをレンダリングするために使用するプロパティです。モデルにマテリアルを与えることで、光が表面に当たったときにレンダリング エンジンに光をどのように処理するかを指示できます。テクスチャは、カラー マップまたはアルベド マップを使用してマテリアルに色を付けたり、バンプ マップまたは法線マップを使用して表面に特徴を与えたりするために使用されます。また、ディスプレイスメント マップを使用してモデル自体を変形するためにも使用できます。

レンダリングは、光の移動をシミュレートしてフォトリアリスティックな画像を得るか、非フォトリアリスティックなレンダリングのようにアートスタイルを適用して、モデルを画像に変換します。リアルなレンダリングにおける 2 つの基本的な操作は、移動 (ある場所から別の場所に到達する光の量) と散乱 (表面が光と相互作用する方法) です。このステップは通常、3D コンピュータ グラフィックス ソフトウェアまたは3D グラフィックス APIを使用して実行されます。シーンをレンダリングに適した形式に変更するには、3D 投影も必要であり、3D 画像を 2 次元で表示します。3D モデリングおよび CADソフトウェアでも 3D レンダリングを実行できますが ( Autodesk 3ds MaxやBlender など)、専用の 3D レンダリング ソフトウェアも存在します (OTOY のOctane レンダリング エンジン、Maxon の Redshift など)。

• 3Dレンダリングの例
• 
  Blenderと YafaRayを使用したレイ トレーシングとアンビエント オクルージョンによる 3D レンダリング
• 
  フラットシェーディングでレンダリングされたダンケルク級戦艦の3Dモデル
• 
  3D レンダリング ステップでは、「光線」が受けることができる反射の数やその他のさまざまな属性を調整して、目的の視覚効果を実現できます。Cobalt でレンダリングされます。
• 
  ペントハウスの3Dレンダリング

3D コンピュータ グラフィックス ソフトウェアは、3D モデリングと3D レンダリングを通じてコン​​ピュータ生成画像(CGI)を生成したり、分析、科学、産業の目的で 3D モデルを生成したりします。

3D グラフィックスをサポートするファイルには、Wavefront .obj ファイルや .x DirectX ファイルなど、さまざまな種類があります。通常、各ファイル タイプは独自のデータ構造を持つ傾向があります。

各ファイル形式には、DirectX ファイルやQuakeなどのそれぞれのアプリケーションを通じてアクセスできます。また、サードパーティのスタンドアロン プログラムや手動の逆コンパイルを通じてファイルにアクセスすることもできます。

3D モデリング ソフトウェアは、3D モデルを作成するために使用される 3D コンピュータ グラフィックス ソフトウェアの一種です。このクラスの 個々のプログラムは、モデリング アプリケーションまたはモデラーと呼ばれます。

3Dモデリングは、点の描画、線の描画、三角形やその他の多角形のパッチの描画という3つの表示モデルを記述することから始まります。^[9]

3D モデラーを使用すると、ユーザーは 3Dメッシュを介してモデルを作成および変更できます。ユーザーは、メッシュを追加、削除、伸縮したり、必要に応じて変更したりできます。モデルは、通常は同時に、さまざまな角度から表示できます。モデルを回転したり、ビューを拡大または縮小したりできます。

3D モデラーはモデルをファイルにエクスポートし、メタデータに互換性がある限り、他のアプリケーションにインポートすることができます。多くのモデラーでは、インポーターとエクスポーターをプラグインできるため、他のアプリケーションのネイティブ形式でデータを読み書きできます。

ほとんどの 3D モデラーには、レイ トレーサーやその他のレンダリング方法、テクスチャ マッピング機能など、関連する機能が多数含まれています。モデルのアニメーションをサポートまたは可能にする機能が含まれているものもあります。レンダリングされた一連のシーンのフルモーション ビデオ(アニメーションなど) を生成できるものもあります。

コンピュータ支援設計ソフトウェアは、3D モデリング ソフトウェアが使用するのと同じ基本的な 3D モデリング手法を採用する場合がありますが、その目的は異なります。コンピュータ支援エンジニアリング、コンピュータ支援製造、有限要素解析、製品ライフサイクル管理、3D 印刷、コンピュータ支援建築設計で使用されます。

ビデオを制作した後、スタジオでは中級レベルではAdob​​e Premiere ProやFinal Cut Pro 、上級レベルではAutodesk Combustion、 Digital Fusion、Shakeなどのプログラムを使用してビデオを編集または合成します。マッチムービングソフトウェアは、ライブ ビデオとコンピューター生成ビデオを一致させ、カメラが動いても 2 つのビデオを同期させるためによく使用されます。

リアルタイムコンピュータグラフィックスエンジンを使用して映画のような作品を制作することをマシニマと呼びます。^[10]

3D に見えるコンピュータ グラフィックスのすべてがワイヤーフレーム モデルに基づいているわけではありません。3D フォトリアリスティック効果を持つ 2D コンピュータ グラフィックスは、ワイヤーフレーム モデリングなしで実現されることが多く、最終的な形式では区別がつかないこともあります。一部のグラフィック アート ソフトウェアには、透明レイヤー上の 2D ベクター グラフィックスまたは 2D ラスター グラフィックスに適用できるフィルターが含まれています。ビジュアル アーティストは、 3D 効果をコピーまたは視覚化し、フィルターを使用せずにフォトリアリスティック効果を手動でレンダリングすることもあります。

一部のビデオゲームでは、ゲームエンジンのパフォーマンスを向上させるため、またはスタイルやゲームプレイ上の配慮から、等角投影グラフィックや固定角度の仮想カメラなどの 3 次元環境の制限された投影を伴う2.5Dグラフィックを使用しています。対照的に、そのような制限のない 3D コンピュータ グラフィックを使用するゲームは、真の 3D を使用していると 言われています^{[誰によって？ ] 。}

^[1]

ウィキメディア・コモンズには、 3D コンピュータグラフィックスに関連するメディアがあります。

無料辞書のウィクショナリーでコンピュータグラフィックスを調べてください。

• コンピュータグラフィックスとアニメーションの批評的歴史 ( Wayback Machineコピー)
• 仕組み - 3D グラフィックス
• コンピュータグラフィックスの歴史に関する一連の記事 (Wayback Machine コピー)
• 3D の仕組み - 装飾写本の 3D モデリングについて説明します