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コンピュータグラフィックス（CG）は、コンピュータの助けを借りて画像やアートを生成することを扱います。コンピュータグラフィックスは、デジタル写真、映画、ビデオゲーム、デジタルアート、携帯電話やコンピュータのディスプレイ、および多くの特殊なアプリケーションにおけるコアテクノロジーです。多くの特殊なハードウェアとソフトウェアが開発されており、ほとんどのデバイスのディスプレイはコンピュータグラフィックスハードウェアによって駆動されています。これは、コンピュータサイエンスの広大で最近開発された分野です。この用語は、1960 年にボーイングのコンピュータグラフィックス研究者であるヴァーン・ハドソンとウィリアム・フェッターによって造語されました。CG と略されることが多く、映画の文脈ではコンピュータ生成画像（CGI）と呼ばれるのが一般的です。コンピュータグラフィックスの非芸術的な側面は、コンピュータサイエンスの研究対象です。[ 1 ]
コンピュータグラフィックスは、アートや画像データを消費者に効果的かつ分かりやすく表示する役割を担っています。また、写真やビデオコンテンツなど、現実世界から受け取った画像データの処理にも使用されます。コンピュータグラフィックスの開発は、多くの種類のメディアに大きな影響を与え、アニメーション、映画、広告、そしてビデオゲーム全般に革命をもたらしました。
コンピュータグラフィックスという用語は、「テキストや音声以外のコンピュータ上のほぼすべてのもの」を説明するために広く使われてきました。[ 2 ]通常、コンピュータグラフィックスという用語は、いくつかの異なるものを指します。
今日、コンピュータグラフィックスは広く普及している。このような画像は、テレビ、新聞、天気予報、さまざまな医学的調査や外科手術などで見られる。適切に作成されたグラフは、複雑な統計をより理解しやすく解釈しやすい形で提示することができる。メディアでは、「このようなグラフは、論文、報告書、学位論文」やその他のプレゼンテーション資料を説明するために使用されている。[ 3 ]
データを視覚化するためのツールが数多く開発されてきました。コンピュータ生成画像は、2次元 (2D)、3次元 (3D)、アニメーショングラフィックスなど、いくつかの異なるタイプに分類できます。技術の進歩に伴い、3D コンピュータグラフィックスがより一般的になっていますが、2D コンピュータグラフィックスも依然として広く使用されています。コンピュータグラフィックスは、視覚コンテンツをデジタル的に合成および操作する方法を研究するコンピュータサイエンスのサブフィールドとして登場しました。過去 10 年間で、情報視覚化や科学的視覚化などの他の専門分野が開発され、これらは「3 次元現象 (建築、気象、医療、生物学など) の視覚化」に重点を置き、ボリューム、表面、光源などの現実的なレンダリング、場合によっては動的な (時間) 要素の強調が行われています。[ 4 ]
現代のコンピュータグラフィックス開発の先駆けとなったのは、20世紀前半に起こった電気工学、電子工学、テレビの進歩でした。スクリーンにアートを表示することは、リュミエール兄弟が1895年の初期映画で特殊効果を作成するためにマットを使用して以来可能でしたが、そのような表示は限定的でインタラクティブではありませんでした。最初の陰極線管であるブラウン管は1897年に発明され、それによってオシロスコープや軍用制御パネルが実現しました。これらは、プログラム入力またはユーザー入力に反応する最初の2次元電子ディスプレイを提供したため、この分野のより直接的な先駆者となりました。しかし、コンピュータグラフィックスは1950年代と第二次世界大戦後まで、学問分野として比較的知られていませんでした。この時期に、より高度なコンピュータに関する純粋な大学および研究所の学術研究と、戦争中に開発されたレーダー、航空、ロケットなどの技術の米国軍によるさらなる開発が組み合わさって、この学問分野が誕生しました。こうしたプロジェクトから生じる膨大な情報を処理するために新しいタイプのディスプレイが必要となり、コンピュータグラフィックスという学問分野の発展につながった。[ 5 ]
WhirlwindやSAGEプロジェクトのような初期のプロジェクトでは、 CRTが実用的なディスプレイおよびインタラクションインターフェースとして導入され、ライトペンが入力デバイスとして導入されました。Whirlwind SAGEシステムのDouglas T. Rossは、指の動きをキャプチャしてそのベクトル（トレースした名前）をディスプレイスコープに表示する小さなプログラムを作成するという個人的な実験を行いました。認識可能なインタラクティブグラフィックスを特徴とする最初のインタラクティブビデオゲームの1つであるTennis for Twoは、 1958年にブルックヘブン国立研究所の訪問者を楽しませるためにWilliam Higinbothamによってオシロスコープ用に作成され、テニスの試合をシミュレートしました。1959年、Douglas T. Rossは、MITで数学ステートメントをコンピュータ生成の3D工作機械ベクトルに変換する作業中に、ディズニーの漫画キャラクターのディスプレイスコープ画像を生成しました。[ 6 ]
電子機器のパイオニアであるヒューレット・パッカードは、10年前に法人化され、1957年に株式を公開しました。創業者はスタンフォード大学の卒業生であり、同大学との強い繋がりを築きました[ 7 ] 。これが、サンフランシスコ湾岸南部地域が世界有数のコンピュータ技術の中心地（現在のシリコンバレー）へと数十年にわたる変貌を遂げるきっかけとなりました。コンピュータグラフィックスの分野は、コンピュータグラフィックスハードウェアの登場とともに発展しました。
コンピューティングのさらなる進歩は、インタラクティブなコンピュータグラフィックスのさらなる進歩につながりました。1959年、MITのリンカーン研究所でTX-2コンピュータが開発されました。TX-2には、数多くの新しい人間と機械のインターフェースが統合されていました。イヴァン・サザーランドの革新的なSketchpadソフトウェアを使用して、ライトペンでコンピュータ上にスケッチを描くことができました。[ 8 ] Sketchpadを使用すると、ライトペンを使ってコンピュータ画面上に簡単な図形を描き、保存し、後で呼び出すことができました。ライトペン自体の先端には小さな光電セルが内蔵されていました。このセルは、コンピュータ画面の前に置かれ、画面の電子銃が直接セルに発射されると、電子パルスを発しました。電子銃の現在の位置に合わせて電子パルスのタイミングを合わせるだけで、ペンが画面上のどこにあるのかをいつでも正確に特定することが容易でした。それが特定されると、コンピュータはその場所にカーソルを描画することができました。サザーランドは、彼が直面していた多くのグラフィックスの問題に対する完璧な解決策を見つけたようでした。今日でも、多くのコンピュータグラフィックスインターフェースの標準は、この初期のSketchpadプログラムから始まりました。その一例として、描画制約が挙げられます。例えば、正方形を描きたい場合、四角形の辺を完璧に描くために4本の線を引く必要はありません。単にボックスを描きたいと指定し、ボックスの位置とサイズを指定するだけで済みます。すると、ソフトウェアが適切な寸法と位置に完璧なボックスを構築します。もう一つの例は、サザーランドのソフトウェアが単なる物体の画像ではなく、物体そのものをモデル化していたことです。つまり、車のモデルであれば、車の他の部分に影響を与えることなくタイヤのサイズを変更したり、タイヤを変形させることなく車体を伸ばすことができたのです。
「コンピュータグラフィックス」という言葉は、 1960年にボーイング社のグラフィックデザイナーであったウィリアム・フェッターに由来するとされている。フェッター自身は、同じくボーイング社のヴァーン・ハドソンに由来すると述べている。[ 8 ] [ 9 ]
1961年、MITの学生だったスティーブ・ラッセルは、ビデオゲームの歴史において重要なもう一つのタイトル、「スペースウォー」を制作しました。DEC PDP -1向けに開発されたスペースウォーは瞬く間に大成功を収め、他のPDP-1ユーザーにもコピーが流通し始め、最終的にDECも入手しました。DECのエンジニアたちは、出荷前のすべての新型PDP-1の診断プログラムとしてスペースウォーを使用しました。営業担当者もすぐにこのことに気づき、新製品の設置時に「世界初のビデオゲーム」を顧客にプレイさせるようになりました。（ヒギンボサムの「テニス・フォー・ツー」はスペースウォーより3年近く前に発売されていましたが、研究機関や学術機関以外ではほとんど知られていませんでした。）
ほぼ同時期（1961～1962年）、ケンブリッジ大学では、エリザベス・ウォルドラムが陰極線管に電波天文学マップを表示するコードを書いた。[ 10 ]
ベル電話研究所(BTL)の科学者である EE ザジャックは、1963 年に「2 ジャイロ重力姿勢制御システムのシミュレーション」という映画を制作しました。[ 11 ]このコンピュータ生成の映画で、ザジャックは衛星が地球を周回する際に姿勢をどのように変更できるかを示しました。彼はIBM 7090メインフレーム コンピュータでこのアニメーションを制作しました。同じく BTL では、ケン ノールトン、フランク シンデン、ルース A. ワイス、マイケル ノールがコンピュータ グラフィックスの分野で働き始めました。シンデンは、ニュートンの運動法則の動作を示す「力、質量、運動」という映画を制作しました。ほぼ同時期に、他の科学者も研究を説明するためにコンピュータ グラフィックスを制作していました。ローレンス放射線研究所では、ネルソン マックスが「粘性流体の流れ」と「固体形態における衝撃波の伝播」という映画を制作しました。ボーイング エアクラフトは「航空機の振動」という映画を制作しました。
また、1960年代初頭には、自動車業界も大きな推進力となった。ルノーのピエール・ベジエが、ポール・ド・カステルジョーの曲線（ベジエの業績にちなんでベジエ曲線と呼ばれるようになった）を用いて、ルノー車のボディの3Dモデリング技術を開発したのである。曲線は多角形とは異なり、数学的に複雑なため、適切に描画・モデリングするには、これらの曲線がその後の多くの曲線モデリング作業の基礎となった。
大手企業がコンピュータグラフィックスに興味を持ち始めるまでそう時間はかかりませんでした。TRW 、ロッキード・ジョージア、ゼネラル・エレクトリック、スペリー・ランドなどは、1960年代半ばまでにコンピュータグラフィックスに着手した多くの企業のうちの1つです。IBMは、この関心に迅速に対応し、市販のグラフィックスコンピュータとして初めてIBM 2250グラフィックス端末を発売しました。サンダース・アソシエイツの監督エンジニアであるラルフ・ベアは、 1966年に家庭用ビデオゲームを考案し、後にマグナボックス社にライセンス供与され、「オデッセイ」と呼ばれました。非常に単純で、比較的安価な電子部品を必要とするものでしたが、プレイヤーは画面上の光の点を動かすことができました。これは最初の消費者向けコンピュータグラフィックス製品でした。デビッド・C・エバンスは、1953年から1962年までベンディックス社のコンピュータ部門のエンジニアリングディレクターを務め、その後5年間バークレーの客員教授として働きました。そこで彼はコンピュータと人間とのインターフェースへの関心を持ち続けました。 1966年、ユタ大学はエバンスを招聘し、コンピュータ科学プログラムを設立した。そして、コンピュータグラフィックスはすぐに彼の主要な研究分野となった。この新しい学科は、1970年代を通じて、コンピュータグラフィックスにおける世界有数の研究拠点へと発展していった。
また、1966年、イヴァン・サザーランドはMITで革新を続け、初のコンピュータ制御式ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を発明しました。これは、左右の目にそれぞれ1つずつ、2つの独立したワイヤーフレーム画像を表示するものでした。これにより、視聴者はコンピュータのシーンを立体視3Dで見ることができました。ディスプレイとトラッカーを支えるために必要な重いハードウェアは、装着者に落下した場合の危険性から「ダモクレスの剣」と呼ばれていました。MITで博士号を取得後、サザーランドはARPA （高等研究計画局）の情報処理部長となり、後にハーバード大学の教授となりました。1967年、サザーランドはエヴァンスにスカウトされ、ユタ大学のコンピュータサイエンスプログラムに参加しました。この出来事により、同大学はその後約10年間、グラフィックス分野で最も重要な研究センターの1つとなり、最終的にはこの分野で最も重要な先駆者たちを輩出することになりました。そこでサザーランドはHMDを完成させ、20年後、NASAは仮想現実の研究で彼の技術を再発見することになります。ユタ大学時代、サザーランドとエバンスは大手企業から引く手あまたのコンサルタントだったが、当時入手できるグラフィックハードウェアの不足に不満を感じ、自分たちで会社を設立する計画を立て始めた。
1968年、デイブ・エバンスとイヴァン・サザーランドは、初のコンピュータグラフィックスハードウェア会社であるエバンス＆サザーランド社を設立した。サザーランドは当初、マサチューセッツ州ケンブリッジに会社を設立することを希望していたが、ユタ大学の教授陣の研究グループに近いという理由から、ソルトレイクシティが選ばれた。
また、1968年にはアーサー・アペルが最初のレイキャスティングアルゴリズムを発表しました。これは、光源からシーン内の表面を経てカメラへと至る光線の経路をモデル化することで、グラフィックスにおけるフォトリアリズムを実現する上で不可欠な、レイトレーシングに基づくレンダリングアルゴリズムの先駆けとなりました。
1969年、ACMはコンピュータグラフィックス分野における会議、グラフィックス規格、出版物を組織するSIGGRAPH（A Special Interest Group on Graphics ）を設立しました。1973年には第1回SIGGRAPH年次会議が開催され、これは同組織の主要活動の一つとなりました。コンピュータグラフィックス分野の発展に伴い、SIGGRAPHの規模と重要性も拡大しています。
その後、 1970年代にユタ大学でこの分野における数々の画期的な成果が生まれました。同大学はアイバン・サザーランドを雇用し、彼はデビッド・C・エバンスと組んで高度なコンピュータグラフィックスの授業を担当しました。この授業は、この分野の基礎研究に大きく貢献し、後に業界で最も重要な企業のいくつか（ピクサー、シリコングラフィックス、アドビシステムズなど）を設立することになる学生を数多く輩出しました。トム・ストックハムはユタ大学の画像処理グループを率い、コンピュータグラフィックス研究室と密接に連携していました。
学生の一人にエドウィン・キャットマルがいた。キャットマルはボーイング社から来たばかりで、物理学の学位取得を目指していた。ディズニー作品を見て育ったキャットマルはアニメーションが大好きだったが、すぐに自分には絵を描く才能がないことに気づいた。キャットマル（そして他の多くの人々）は、コンピューターがアニメーションの自然な進化形だと考え、その革命に参加したいと思った。キャットマルが初めて見たコンピューターアニメーションは、彼自身の作品だった。彼は自分の手が開いたり閉じたりするアニメーションを作成した。また、1974年には3Dモデルにテクスチャをペイントするテクスチャマッピングを先駆的に行い、これは現在では3Dモデリングの基本技術の一つと考えられている。コンピューターグラフィックスを使って長編映画を制作することが彼の目標の一つとなり、20年後にピクサーの創設メンバーとしてその目標を達成することになる。同じクラスでは、フレッド・パークが妻の顔のアニメーションを作成した。この2つのアニメーションは、1976年の長編映画『フューチャーワールド』に収録された。
ユタ大学のコンピュータグラフィックス研究所は世界中から人々を惹きつけていましたが、ジョン・ワーノックもその初期のパイオニアの一人でした。彼は後にアドビシステムズを設立し、 PostScriptページ記述言語で出版業界に革命を起こしました。アドビはその後、業界標準の写真編集ソフトウェアであるAdobe Photoshopや、映画業界で著名な特殊効果プログラムであるAdobe After Effectsを開発しました。
ジェームズ・クラークもそこにいた。彼は後にシリコン・グラフィックス社を設立し、1990年代初頭までハイエンドグラフィックス分野を席巻することになる、高度なレンダリングシステムメーカーとなった。
3D コンピュータグラフィックスにおける大きな進歩は、ユタ大学でこれらの初期の先駆者たちによって生み出されました。それは隠面判定です。3D オブジェクトの表現を画面上に描画するには、コンピュータはビューアの視点から見てオブジェクトの「後ろ」にある面を特定し、コンピュータが画像を作成 (またはレンダリング) する際に「隠す」必要があるのです。3D Core Graphics System (またはCore ) は、最初に開発されたグラフィックス標準でした。ACM Special Interest Group SIGGRAPH の 25 人の専門家グループがこの「概念フレームワーク」を開発しました。仕様は 1977 年に公開され、この分野における多くの将来の発展の基礎となりました。
1970年代には、アンリ・グーロー、ジム・ブリン、ブイ・トゥオン・フォンが、グーローシェーディングとブリン・フォンシェーディングモデルの開発を通じて、CGIにおけるシェーディングの基礎を築き、グラフィックスが「平面的」な見た目から、より正確に奥行きを表現できる見た目へと進化することを可能にしました。ジム・ブリンは1978年、凹凸のある表面をシミュレートする技術であるバンプマッピングを導入し、さらに革新を進めました。これは、今日使用されている多くの高度なマッピング技術の先駆けとなりました。
今日知られているような現代のビデオゲームアーケードは1970年代に誕生し、最初のアーケードゲームはリアルタイム2Dスプライトグラフィックスを使用していた。 1972年のポンは、最初のヒットアーケードゲームの一つだった。1974年のスピードレースは、縦スクロールする道路に沿ってスプライトが動くのが特徴だった。1975年のガンファイトは人間のようなアニメーションキャラクターを特徴とし、1978年のスペースインベーダーは画面上に多数のアニメーションキャラクターを特徴としていた。どちらも、Intel 8080マイクロプロセッサがフレームバッファグラフィックスをアニメーション化できるように、個別のチップで構成された特殊なバレルシフター回路を使用していた。
1980年代に入ると、コンピュータグラフィックスの商業化が始まった。家庭用コンピュータの普及に伴い、それまで学術分野に限られていたこの分野は、より幅広い層に受け入れられるようになり、コンピュータグラフィックス開発者の数も大幅に増加した。
1980年代初頭、金属酸化膜半導体（MOS）超大規模集積回路（VLSI）技術により、16ビット中央処理装置（CPU）マイクロプロセッサと最初のグラフィックス処理装置（GPU）チップが利用可能になり、コンピュータグラフィックスに革命が起こり始め、コンピュータグラフィックス端末やパーソナルコンピュータ（PC）システムで高解像度グラフィックスが可能になった。NECのμPD7220は、完全統合型NMOS VLSIチップ上に製造された最初のGPUだった。最大1024x1024の解像度をサポートし、新興のPCグラフィックス市場の基礎を築いた。多くのグラフィックスカードで使用され、Intelの最初のグラフィックス処理装置であるIntel 82720などのクローンにもライセンス供与された。[ 12 ] MOS メモリも 1980 年代初頭に安価になり、手頃な価格のフレームバッファメモリの開発が可能になりました。 [ 13 ]特に、1980 年代半ばにテキサス インスツルメンツ(TI)が導入したビデオ RAM (VRAM) が挙げられます。 [ 14 ] 1984 年、日立は初の相補型 MOS (CMOS) GPU である ARTC HD63484 をリリースしました。カラーモードでは高解像度、モノクロモードでは最大4K 解像度を表示でき、1980 年代後半には多くのグラフィック カードや端末で使用されました。[ 15 ] 1986 年、TI は初の完全プログラマブルMOSグラフィック プロセッサであるTMS34010 を発表しました。[ 14 ]
この10年間、コンピュータグラフィックス端末はますますインテリジェントになり、セミスタンドアロンおよびスタンドアロンのワークステーションへと進化しました。グラフィックスとアプリケーション処理は、中央のメインフレームやミニコンピュータに頼り続けるのではなく、ワークステーションのインテリジェンスへと移行していきました。高解像度コンピュータグラフィックスへの初期の移行を象徴する例として、コンピュータ支援エンジニアリング市場向けのインテリジェントワークステーションとして、ベル・ノーザン・リサーチからスピンオフしたオタワのOrcatech社が開発し、初期のワークステーションのパイオニアであるDavid Pearson氏が率いたOrca 1000、2000、3000ワークステーションがありました。Orca 3000は、16ビットのMotorola 68000マイクロプロセッサとAMDビットスライスプロセッサをベースとし、オペレーティングシステムとしてUnixを採用していました。これは、設計エンジニアリング分野の高度なユーザー層をターゲットとしていました。アーティストやグラフィックデザイナーは、パーソナルコンピュータ、特にAmigaとMacintoshを、他の方法よりも時間を節約し、より正確に描画できる本格的なデザインツールとして捉えるようになりました。Macintoshは、グラフィックデザインスタジオや企業の間で、コンピュータグラフィックスのための非常に人気のあるツールであり続けています。1980年代以降の現代のコンピュータは、テキストではなく、記号、アイコン、画像を使用してデータや情報を表示するために、グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を使用することがよくあります。グラフィックスは、マルチメディア技術の5つの主要要素の1つです。
リアルなレンダリングの分野では、日本の大阪大学が1982年に、リアルな3Dコンピュータグラフィックスをレンダリングする目的で、最大257個のZilog Z8001マイクロプロセッサを使用したスーパーコンピュータであるLINKS-1コンピュータグラフィックスシステムを開発しました。日本情報処理学会によると、「3D画像レンダリングの中核は、与えられた視点、光源、およびオブジェクトの位置から、レンダリングされた表面を構成する各ピクセルの輝度を計算することです。LINKS-1システムは、レイトレーシングを使用して各ピクセルを独立して並列処理できる画像レンダリング手法を実現するために開発されました。高速画像レンダリング専用の新しいソフトウェア手法を開発することにより、LINKS-1は非常にリアルな画像を迅速にレンダリングすることができました。」[ 16 ] LINKS-1は、1984年時点で世界で最も強力なコンピュータでした。 [ 17 ]
また、写実的なレンダリングの分野では、 1986年にデビッド・イメルとジェームズ・カジヤによる一般レンダリング方程式が開発されました。これは、コンピュータグラフィックスにおけるフォトリアリズムを追求するために必要なグローバルイルミネーションの実装に向けた重要な一歩でした。
スター・ウォーズをはじめとするSFフランチャイズの人気が続いたことは、この時期の映画におけるCGIにとって重要な意味を持ち、ルーカスフィルムとインダストリアル・ライト＆マジックは、映画における最高レベルのコンピュータグラフィックスを求める多くのスタジオにとって頼りになる存在となった。クロマキー合成（ブルースクリーンなど）の重要な進歩は、オリジナル三部作の後期の作品で実現した。また、この時代を超えて歴史的に重要な作品として残るビデオが2つある。1つは、 1985年にダイアー・ストレイツが発表した、ほぼ完全にCGIで制作された楽曲「マネー・フォー・ナッシング」の象徴的なビデオで、当時の音楽ファンの間でCGIを普及させた。もう1つは、同じ年に公開された映画「ヤング・シャーロック・ホームズ」の一場面で、長編映画で初めて完全にCGIで制作されたキャラクター（アニメーションのステンドグラスの騎士）が登場する。 1988年、シェーディングを独立したアルゴリズムとして行うために特別に設計された小さなプログラムである最初のシェーダーが、すでにインダストリアル・ライト＆マジックから独立したピクサーによって開発されました。ただし、こうした技術進歩の成果が一般に公開されるのは、次の10年になってからのことでした。1980年代後半には、シリコン・グラフィックス（SGI）のコンピュータがピクサーで最初の完全コンピュータ生成短編映画の制作に使用され、シリコン・グラフィックスのマシンは、この10年間におけるこの分野の最高峰とみなされていました。
1980年代はビデオゲームの黄金時代とも呼ばれています。アタリ、任天堂、セガなどの企業が数百万台を売り上げたシステムによって、コンピュータグラフィックスが初めて若く感受性の強い新しい層に紹介されました。MS -DOSベースのパーソナルコンピュータ、Apple II、Mac、Amigaも同様で、これらのコンピュータでは、十分なスキルがあればユーザーが独自のゲームをプログラミングすることもできました。アーケードでは、商用リアルタイム3Dグラフィックスの進歩がありました。1988年には、ナムコシステム21 [ 18 ]とタイトーエアシステム[ 19 ]で、アーケード向けに最初の専用リアルタイム3Dグラフィックスボードが導入されました。プロフェッショナルの分野では、エバンス＆サザーランドとSGIが3Dラスタグラフィックスハードウェアを開発し、これが後にシングルチップグラフィックス処理ユニット（GPU）に直接影響を与えました。GPUは、 CPUと並列処理でグラフィックスを最適化するために、独立した非常に強力なチップを使用する技術です。
この10年間には、E&S Digistarを用いたロケーションベースのエンターテイメントや教育、車両設計、車両シミュレーション、化学など、コンピュータグラフィックスがさらに多くの専門分野に応用されるようになった。
1990年代のハイライトは、 3Dモデリングが大規模に普及し、CGIの品質が全般的に向上したことである。家庭用コンピュータでも、これまで数千ドルもするワークステーションでしかできなかったレンダリング作業が可能になった。家庭用システム向けの3Dモデラーが登場するにつれ、シリコン・グラフィックスのワークステーションの人気は衰え、3D StudioなどのAutodesk製品やその他の家庭用レンダリングソフトウェアを搭載した高性能なMicrosoft WindowsおよびApple Macintoshマシンが重要性を増していった。1990年代末には、GPUが今日まで続くほどの地位を確立し始めた。
この分野では、訓練を受けていない目には写真のようにリアルに見える最初のレンダリングされたグラフィックスが登場し始めました（ただし、訓練を受けたCGIアーティストでもまだそこまではできませんでした）。そして、 3Dグラフィックスはゲーム、マルチメディア、アニメーションで非常に人気が高まりました。1980年代後半から90年代初頭にかけて、フランスでは最初のコンピュータグラフィックスTVシリーズが制作されました。スタジオMac Guff LigneによるLa Vie des bêtes （1988年）、スタジオFantômeによるLes Fables Géométriques（1989～1991年）、そしてモーリス・ベナユンとフランソワ・シュイテンによる最初のHDTVコンピュータグラフィックスシリーズQuarxs（スタジオZA production、1990～1993年）です。
映画業界では、ピクサーはエドウィン・キャットムルの指揮の下、この時代に本格的な商業的成功を収め始め、1995年に初の長編映画『トイ・ストーリー』を公開しました。この作品は批評的にも商業的にも大成功を収め、興行収入は9桁に達しました。プログラマブルシェーダーを発明したこのスタジオは、その後も数々のアニメーションヒット作を生み出し、プリレンダリングビデオアニメーションに関する同社の研究は、今なお業界のリーダーであり、研究の先駆者として高く評価されています。
ビデオゲームでは、1992年にセガ モデル 1アーケード システム ボード上で動作するVirtua Racingが、完全 3Dレーシング ゲームの基礎を築き、リアルタイム3D ポリゴン グラフィックスをビデオゲーム業界のより幅広い層に普及させた。[ 20 ]その後、1993 年のセガモデル 2と1996 年のセガ モデル 3が、商用リアルタイム 3D グラフィックスの限界を押し広げた。PC に戻ると、最初の大人気 3Dファースト パーソン シューティングゲームであるWolfenstein 3D、Doom、Quakeの 3 つが、主にジョン カーマックによって革新されたレンダリング エンジンを使用して、この 10 年間にid Softwareからリリースされ、批評家と一般大衆から高い評価を受けた。ソニー プレイステーション、セガ サターン、ニンテンドー 64などのコンソールが数百万台売れ、家庭用ゲーム機向けに 3D グラフィックスを普及させた。 1990年代後半の第一世代3Dタイトルの中には、コンソールユーザーの間で3Dグラフィックスを普及させる上で影響力があったと見なされるものがあり、例えばプラットフォームゲームの『スーパーマリオ64』や『ゼルダの伝説 時のオカリナ』、初期の3D格闘ゲームである『バーチャファイター』、『バトルアリーナ闘神伝』、『鉄拳』などが挙げられる。
レンダリングの技術とアルゴリズムは大きく進歩し続けました。1996年、KrishnamurtyとLevoyは、 Jim Blinnのバンプマッピングを改良したノーマルマッピングを発明しました。1999年には、 Nvidiaが画期的なGeForce 256をリリースしました。これは、グラフィックス処理ユニット（GPU）として宣伝された最初の家庭用ビデオカードで、Nvidia自身は「統合された変換、ライティング、三角形設定/クリッピング、レンダリングエンジン」を搭載していると述べていました。1990年代末までに、コンピュータはDirectXやOpenGLなどのグラフィックス処理の共通フレームワークを採用しました。それ以来、より強力なグラフィックスハードウェアと3Dモデリングソフトウェアのおかげで、コンピュータグラフィックスはより詳細でリアルになっています。AMDもこの10年間でグラフィックスボードの主要開発企業となり、今日まで続くこの分野の「二大寡占」を築きました。
この時代にCGIは本格的に普及し始めた。 1990年代後半にはビデオゲームやCGI映画によってコンピュータグラフィックスは一般に広く知られるようになり、2000年代にはさらに急速に普及が進んだ。また、 1990年代後半から2000年代にかけてテレビCMにもCGIが広く採用され、膨大な視聴者に親しまれるようになった。
グラフィックス処理ユニットの継続的な成長と高度化は、この 10 年間において極めて重要であり、3D グラフィックス GPU がデスクトップ コンピュータメーカーにとって必須の機能とみなされるようになったため、3D レンダリング機能は標準機能となった。10年代前半は、Nvidia GeForceシリーズのグラフィックス カードが市場を席巻し、 ATIが時折大きな競合相手として登場した。[ 21 ] 10 年代が進むにつれて、 NvidiaとAMD の両方が低価格のチップ セットを導入し、引き続き市場を支配したため、ローエンド マシンでも通常は何らかの 3D 対応 GPU を搭載するようになった。1980 年代に GPU 上で特殊な処理を実行するために導入されたシェーダーは、10 年代末までにほとんどの消費者向けハードウェアでサポートされるようになり、グラフィックスが大幅に高速化され、ノーマル マップ、バンプ マップ、その他さまざまな技術が広く採用されたことにより、コンピュータ グラフィックスのテクスチャとシェーディングが大幅に改善され、非常に多くの詳細をシミュレートできるようになった。
映画やビデオゲームで使用されるコンピュータグラフィックスは徐々にリアルになり、不気味の谷に突入するほどになった。CGI映画が急増し、アイス・エイジやマダガスカルなどの従来のアニメーション映画や、ファインディング・ニモなどのピクサー作品が興行収入を席巻した。 2001年に公開されたファイナルファンタジー：ザ・スピリッツ・ウィズインは、フォトリアルなCGIキャラクターを使用し、モーションキャプチャで完全に制作された初のフルコンピュータ生成長編映画だった。[ 22 ]しかし、この映画は興行的に成功しなかった。[ 23 ]一部の評論家は、これは主要なCGIキャラクターの顔の特徴が「不気味の谷」に陥ったことが一因かもしれないと示唆している。[注1 ]ポーラー・エクスプレスなどの他のアニメーション映画もこの時期に注目を集めた。スター・ウォーズも前日譚三部作で復活し、その効果は映画におけるCGIの基準を引き続き引き上げた。
ビデオゲームでは、ソニーのPlayStation 2と3、マイクロソフトのXboxシリーズのコンソール、任天堂のゲームキューブなどの製品がWindows PCと同様に大きな人気を維持した。グランド・セフト・オート、アサシン クリード、ファイナルファンタジー、バイオショック、キングダム ハーツ、ミラーズ エッジなどのCGIを多用した大作タイトルはフォトリアリズムに近づき続け、ビデオゲーム業界を成長させ、人々を魅了し、その業界の収益は映画業界の収益に匹敵するようになった。マイクロソフトはXNAプログラムでDirectXを独立系開発者の世界にもっと簡単に公開することを決定したが、成功しなかった。しかし、DirectX自体は商業的に成功した。OpenGLも成熟を続け、 DirectXとともに大幅に改善された。第2世代シェーダー言語であるHLSLとGLSLはこの10年間で人気を博し始めた。
科学計算の分野では、GPUとCPU間で大量のデータを双方向にやり取りするGPGPU技術が開発され、バイオインフォマティクスや分子生物学の様々な実験における解析速度が向上しました。この技術はビットコインマイニングにも利用されており、コンピュータビジョンにも応用されています。
2010年代には、CGIはビデオにおいてほぼ普遍的な技術となり、プリレンダリングされたグラフィックスは科学的に見てほぼ写真のようにリアルになり、適切な高性能システム上でリアルタイムグラフィックスを実行すれば、訓練を受けていない目には写真のようにリアルに見えるようになるかもしれない。
テクスチャマッピングは、多くのレイヤーを持つ多段階プロセスへと成熟しました。一般的に、テクスチャマッピング、バンプマッピング、アイソサーフェス、ノーマルマッピング、スペキュラーハイライトや反射技術を含むライティングマップ、シャドウボリュームを、シェーダーを使用して1つのレンダリングエンジンに実装することは珍しくありません。シェーダーは、この分野の高度な作業においてほぼ必須となっており、要素ごとにピクセル、頂点、テクスチャを操作する際の複雑さと、無数の可能な効果を提供します。シェーダー言語であるHLSLとGLSLは、活発な研究開発分野です。物理ベースレンダリング（PBR）も活発な研究分野であり、多くのマップを実装し、高度な計算を実行して実際の光の流れをシミュレートします。また、アンビエントオクルージョン、サブサーフェススキャタリング、レイリー散乱、フォトンマッピング、レイトレーシングなどの高度な分野も同様に活発な研究分野です。4K Ultra HDのような超高解像度モードでリアルタイムにグラフィックを提供するために必要な処理能力に関する実験が開始されたが、これは最高級のハードウェア以外では実現不可能なレベルである。
映画界では、現在ほとんどのアニメーション映画がCGIで制作されています。毎年多くのCGIアニメーション映画が制作されていますが、不気味の谷現象への懸念から、フォトリアリズムを試みるものはほとんどありません。そのほとんどは3Dアニメーションです。
ビデオゲーム分野では、マイクロソフトのXbox One、ソニーのPlayStation 4、そして任天堂のSwitchが家庭用ゲーム機市場を席巻し、いずれも高度な3Dグラフィックスに対応していた。Windowsもまた、依然として最も活発なゲームプラットフォームの一つであった。
2020年代には、レイトレーシング技術の進歩により、リアルタイムレンダリングだけでなく、フレームの生成やアップスケーリングのためのAI搭載グラフィックスにも利用できるようになりました。
レイトレーシング自体は以前から存在していたが、Nvidiaはレイトレーシングコアによるレイトレーシングの推進、そしてDLSSとTensorコアによるAIの推進を最初に行った。AMDもこれに続き、FSR、Tensorコア、レイトレーシングコアを開発した。
2Dコンピュータグラフィックスとは、コンピュータを用いてデジタル画像を生成する技術であり、主にデジタル画像などのモデルから、それらに特有の技術を用いて生成される。
2Dコンピュータグラフィックスは、主に活版印刷などの伝統的な印刷・描画技術に基づいて開発されたアプリケーションで使用されます。これらのアプリケーションでは、2次元画像は現実世界の物体の単なる表現ではなく、意味的な価値が付加された独立した成果物です。そのため、2次元モデルは、 3Dコンピュータグラフィックスよりも画像に対するより直接的な制御が可能であるため、好まれます。3Dコンピュータグラフィックスのアプローチは、活版印刷よりも写真に近いからです。
ピクセルアートは、ラスターグラフィックスソフトウェアを用いてピクセル単位で画像を編集することで作成される、デジタルアートの大きな形態です。古い（あるいは比較的機能が限られた）コンピュータゲームやビデオゲーム、グラフ電卓ゲーム、そして多くの携帯電話ゲームのグラフィックは、主にピクセルアートで構成されています。
スプライトとは、より大きなシーンに組み込まれる2次元の画像またはアニメーションのことです。当初はビデオディスプレイのメモリビットマップとは別に処理されるグラフィックオブジェクトのみを指していましたが、現在では様々な種類のグラフィックオーバーレイも含まれるようになりました。
元々、スプライトは、無関係なビットマップを統合して、画面上の通常のビットマップの一部であるかのように見せるための方法でした。例えば、画面全体のデータを変更することなく、画面上で移動できるアニメーションキャラクターを作成する場合などです。このようなスプライトは、電子回路またはソフトウェアのどちらでも作成できます。回路の場合、ハードウェアスプライトは、カスタムDMAチャネルを使用して視覚要素をメイン画面に統合するハードウェア構造であり、2つの独立したビデオソースを重ね合わせることで実現されます。ソフトウェアは、特殊なレンダリング方法によってこれをシミュレートできます。
ベクターグラフィックス形式はラスターグラフィックスを補完するものです。ラスターグラフィックスはピクセルの配列として画像を表現するもので、通常は写真画像の表現に使用されます。[ 24 ]ベクターグラフィックスは、画像を構成する形状と色に関する情報をエンコードするもので、レンダリングの柔軟性を高めることができます。ベクターツールと形式を使用するのが最適な場合もあれば、ラスターツールと形式を使用するのが最適な場合もあります。両方の形式が組み合わされる場合もあります。各テクノロジーの利点と制限、およびそれらの関係を理解することが、ツールの効率的かつ効果的な使用につながる可能性が最も高くなります。
2010年代半ば以降、深層ニューラルネットワークの進歩により、自然言語による記述を入力として受け取り、その記述に一致する画像を出力として生成するモデルが作成されました。テキストから画像へのモデルは一般的に、入力テキストを潜在表現に変換する言語モデルと、その表現に基づいて画像を生成する生成画像モデルを組み合わせています。最も効果的なモデルは、一般的にウェブから収集した膨大な量の画像データとテキストデータでトレーニングされています。2022年までに、これらのモデルの中で最も優れたもの、例えばDall-E 2やStable Diffusionは、十分な性能のハードウェアがあれば、生きているアーティストの模倣からほぼ写真のようにリアルなものまで、さまざまなスタイルの画像を数秒で作成できるようになりました。[ 25 ]
3Dグラフィックスは、2Dグラフィックスと比較して、幾何学的データを3次元で表現するグラフィックスです。パフォーマンス向上のため、このデータはコンピュータに保存されます。これには、後で表示するための画像や、リアルタイムで表示するための画像が含まれます。
こうした違いはあるものの、3Dコンピュータグラフィックスは、フレーム内では2Dコンピュータグラフィックスと同様のアルゴリズムを使用し、最終的なレンダリング表示では（2Dと同様に）ラスターグラフィックスを使用します。コンピュータグラフィックスソフトウェアにおいては、2Dと3Dの区別が曖昧になる場合があり、2Dアプリケーションが照明などの効果を実現するために3D技術を使用したり、3Dアプリケーションが主に2Dレンダリング技術を使用したりすることがあります。
3Dコンピュータグラフィックスは3Dモデルと同じです。レンダリングとは別に、モデルはグラフィックデータファイル内に含まれています。ただし、3Dモデルはあらゆる3Dオブジェクトの表現であるという点など、いくつかの違いがあります。視覚的に表示されるまでは、モデルはグラフィックではありません。印刷のおかげで、3Dモデルは仮想空間だけに限定されません。3Dレンダリングは、モデルを表示する方法です。また、非グラフィックのコンピュータシミュレーションや計算にも使用できます。
コンピュータアニメーションとは、コンピュータを用いて動画を作成する技術です。コンピュータグラフィックスとアニメーションの分野の一つです。近年では3Dコンピュータグラフィックスを用いた制作が増えていますが、スタイリッシュな表現、低帯域幅、高速なリアルタイムレンダリングといったニーズには、依然として2Dコンピュータグラフィックスが広く用いられています。アニメーションの対象となるのはコンピュータ自体の場合もあれば、映画などの他の媒体の場合もあります。特に映画で使用される場合は、 CGI（コンピュータ生成画像）とも呼ばれます。
仮想エンティティは、オブジェクトの変換行列に格納される変換値（位置、向き、スケール）などのさまざまな属性を含み、それらによって制御されることがあります。アニメーションとは、時間の経過とともに属性が変化することです。アニメーションを実現する方法は複数存在します。基本的な形式は、アニメーション化する属性ごとに、特定の時点での値を格納するキーフレームの作成と編集に基づいています。2D/3D グラフィックス ソフトウェアは、各キーフレームで変化し、時間の経過とともにマッピングされた値の編集可能な曲線を作成し、その結果としてアニメーションが生成されます。アニメーションの他の方法には、プロシージャルおよび式ベースの手法があります。前者は、アニメーション化されたエンティティの関連要素を属性のセットに統合し、パーティクルエフェクトや群衆シミュレーションの作成に役立ちます。後者は、数学と組み合わせたユーザー定義の論理式から返される評価結果を使用して、予測可能な方法でアニメーションを自動化します（スケルトン システムの設定で階層が提供する範囲を超えて骨の挙動を制御するのに便利です）。
動きの錯覚を生み出すために、コンピュータ画面に画像が表示された後、すぐに前の画像と似ているがわずかにずらした新しい画像に置き換えられます。この技術は、テレビや映画における動きの錯覚を生み出す手法と全く同じです。
画像は通常、カメラ、鏡、レンズ、望遠鏡、顕微鏡などの装置によって生成されます。
デジタル画像にはベクター画像とラスター画像の両方が含まれますが、ラスター画像の方が一般的に使用されています。
デジタル画像処理において、ピクセル（または画素[ 26 ] ）はラスタ画像内の単一の点です。ピクセルは規則的な2次元グリッド上に配置され、ドットや正方形で表現されることがよくあります。各ピクセルは元の画像のサンプルであり、サンプル数が多いほど元の画像をより正確に表現できます。各ピクセルの強度は可変です。カラーシステムでは、各ピクセルは通常、赤、緑、青などの3つのサブピクセルを持ちます。
グラフィックとは、コンピュータ画面などの表面上に視覚的に表現されたものです。例としては、写真、絵、グラフィックデザイン、地図、エンジニアリング図面、その他の画像などが挙げられます。グラフィックは、テキストとイラストを組み合わせたものが多いです。グラフィックデザインは、パンフレット、チラシ、ポスター、ウェブサイト、書籍など、他の要素を一切含まないタイポグラフィのみを意図的に選択、作成、配置することによって構成される場合もあります。その目的は、明瞭さや効果的なコミュニケーションであったり、他の文化的要素との関連性を求めたり、あるいは単に独自のスタイルを創造することであったりします。
プリミティブとは、グラフィックスシステムがより複雑な画像やモデルを作成するために組み合わせることができる基本単位です。例としては、2Dビデオゲームにおけるスプライトやキャラクターマップ、 CADにおける幾何学的プリミティブ、3Dレンダリングにおけるポリゴンや三角形などが挙げられます。プリミティブは、効率的なレンダリングのためにハードウェアでサポートされている場合もあれば、グラフィックスアプリケーションによって提供される構成要素である場合もあります。
レンダリングとは、コンピュータ プログラムによって 3D モデルから 2D 画像を生成することです。シーン ファイルには、厳密に定義された言語またはデータ構造でオブジェクトが含まれています。仮想シーンの説明として、ジオメトリ、視点、テクスチャ、照明、シェーディング情報が含まれます。シーン ファイルに含まれるデータは、レンダリング プログラムに渡され、処理されてデジタル 画像またはラスター グラフィックス画像ファイルに出力されます。レンダリング プログラムは通常、コンピュータ グラフィックス ソフトウェアに組み込まれていますが、プラグインとして、または完全に独立したプログラムとして利用できるものもあります。「レンダリング」という用語は、シーンの「アーティストのレンダリング」に類似している可能性があります。レンダリング方法の技術的な詳細は異なりますが、シーン ファイルに格納された 3D 表現から 2D 画像を生成する際に克服すべき一般的な課題は、GPUなどのレンダリング デバイスに沿ったグラフィックス パイプラインとして概説されます。GPU は、CPU の計算を支援できるデバイスです。シーンが仮想照明の下で比較的リアルで予測可能な外観になるには、レンダリング ソフトウェアがレンダリング方程式を解く必要があります。レンダリング方程式はすべての照明現象を網羅しているわけではありませんが、コンピュータ生成画像のための一般的な照明モデルです。「レンダリング」は、ビデオ編集ファイル内のエフェクトを計算して最終的なビデオ出力を生成するプロセスを指す場合にも使用されます。
ボリュームレンダリングとは、 3次元の離散的にサンプリングされたデータセットを2次元に投影して表示する技術です。典型的な3次元データセットは、 CTスキャナーやMRIスキャナーで取得した2次元スライス画像のグループです。
通常、これらは規則的なパターン（例えば、1ミリメートルごとに1スライス）で取得され、規則的なパターンで一定数の画像ピクセルを持ちます。これは規則的な体積グリッドの一例であり、各体積要素（ボクセル）は、ボクセルの周囲の領域をサンプリングすることによって得られる単一の値で表されます。
3Dモデリングとは、専用ソフトウェアを用いて、あらゆる三次元物体を数学的なワイヤーフレーム表現（「3Dモデル」と呼ばれる）として作成するプロセスです。モデルは自動または手動で作成できます。3Dコンピュータグラフィックス用の幾何学的データを準備する手動モデリングプロセスは、彫刻などの造形芸術に似ています。3Dモデルは、NURBSを使用して正確で滑らかな表面パッチを生成する方法、多角形メッシュモデリング（ファセット形状の操作）、または多角形メッシュ分割（多角形の高度なテッセレーションで、NURBSモデルと同様の滑らかな表面が得られます）など、複数の手法を用いて作成できます。3Dモデルは、 3Dレンダリングと呼ばれるプロセスによって二次元画像として表示したり、物理現象のコンピュータシミュレーションに使用したり、他の目的で直接アニメーション化したりできます。また、 3Dプリンティング装置を使用して物理的に作成することも可能です。
コンピュータグラフィックスの研究は、コンピュータ科学の一分野であり、視覚コンテンツをデジタル的に合成・操作する方法を研究する。この用語はしばしば三次元コンピュータグラフィックスを指すが、二次元グラフィックスや画像処理も包含する。
学問分野としてのコンピュータグラフィックスは、計算技術を用いて視覚情報や幾何学的情報を操作する学問です。純粋に美的側面よりも、画像生成と処理における数学的・計算的基盤に重点を置いています。コンピュータグラフィックスは、ビジュアライゼーションの分野とはしばしば区別されますが、両分野には多くの共通点があります。
コンピュータグラフィックスは、以下の分野で活用される可能性があります。