コンピュータグラフィックス（コンピュータサイエンス）

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で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分野です。この用語は、3 次元コンピュータグラフィックスの研究を指すことが多いですが、2 次元グラフィックスと画像処理も含まれます。

概要

コンピュータグラフィックスは、計算技術を使用して視覚情報や幾何学情報を操作することを研究します。純粋に美的問題ではなく、画像の生成と処理の数学的および計算的基礎に重点を置いています。コンピュータグラフィックスは視覚化の分野とは区別されることが多いですが、この 2 つの分野には多くの類似点があります。

関連研究には以下が含まれます:

コンピュータグラフィックスの用途には次のようなものがあります。

歴史

コンピュータグラフィックスの最も重要な成果が発表される国際会議やジャーナルがいくつかあります。その中には、SIGGRAPHやEurographics会議、Association for Computing Machinery (ACM) Transactions on Graphics ジャーナルがあります。Eurographics とACM の合同 SIGGRAPHシンポジウムシリーズは、より専門的なサブフィールドの主要な会場として、Symposium on Geometry Processing、 ^[1] Symposium on Rendering、Symposium on Computer Animation、^{[2] Symposium} on High Performance Graphics などがあります。^[3]

他のコンピュータサイエンス分野と同様に、コンピュータグラフィックスの会議での発表は一般的にジャーナルでの発表よりも重要です（したがって、採択率も低くなります）。^[4]^[5]^[6]^[7]

サブフィールド

コンピュータグラフィックスの主なサブフィールドを大まかに分類すると、次のようになります。

幾何学：表面を表現し処理する方法
アニメーション：動きを表現し、操作する方法
レンダリング：光の伝搬を再現するアルゴリズム
イメージング：画像の取得または画像編集

幾何学

幾何学のサブフィールドでは、離散的なデジタル設定における 3 次元オブジェクトの表現を研究します。オブジェクトの外観は主にその外部に依存するため、境界表現が最も一般的に使用されます。2 次元表面は、非多様体である場合もありますが、ほとんどのオブジェクトに適した表現です。表面は有限ではないため、離散的なデジタル近似が使用されます。ポリゴンメッシュ(およびそれほどではないがサブディビジョンサーフェス) は、圧倒的に最も一般的な表現ですが、ポイントベースの表現が最近人気を集めています (たとえば、ポイントベースグラフィックスに関するシンポジウムを参照)。^[8]これらの表現はラグランジュ的であり、サンプルの空間的な位置は独立しています。最近、レベルセットなどのオイラー表面記述 (つまり、空間サンプルが固定されている) は、多くの位相変化を受ける変形表面 (最も顕著な例は流体)の便利な表現として開発されました。 ^[9]

ジオメトリのサブフィールドには以下が含まれます。

暗黙的表面モデリング – 表面表現のための代数表面、構成的立体幾何学などの使用を検討する古いサブフィールド。
デジタルジオメトリ処理（表面再構築、簡略化、フェアリング、メッシュ修復、パラメータ化、再メッシュ、メッシュ生成、表面圧縮、表面編集など）はすべてこの項目に該当します。^[10]^[11]^[12]
離散微分幾何学 – コンピュータグラフィックスで使用される離散面の幾何学的量を定義する新しい分野。^[13]
ポイントベースグラフィックス - 表面の基本的な表現としてポイントに焦点を当てた最近の分野。
サブディビジョンサーフェス
アウトオブコアメッシュ処理 – メインメモリに収まらないメッシュデータセットに焦点を当てた最近のもう 1 つの分野。

アニメーション

アニメーションのサブフィールドでは、時間の経過とともに移動または変形する表面 (およびその他の現象) の記述を研究します。歴史的に、この分野のほとんどの研究はパラメトリックおよびデータ駆動型モデルに重点を置いてきましたが、最近ではコンピューターの計算能力が向上したため、物理シミュレーションが普及してきました。

アニメーションのサブフィールドには以下が含まれます。

パフォーマンスキャプチャ
キャラクターアニメーション
物理シミュレーション（例：布のモデリング、流体力学のアニメーションなど）

レンダリング

レンダリングは、モデルから画像を生成します。レンダリングは、光の移動をシミュレートしてリアルな画像を作成したり、非フォトリアリスティックレンダリングで特定の芸術的なスタイルの画像を作成したりします。リアルなレンダリングの 2 つの基本的な操作は、移動 (ある場所から別の場所へ光がどれだけ通過するか) と散乱 (表面が光とどのように相互作用するか) です。詳細については、「レンダリング (コンピュータグラフィックス)」を参照してください。

レンダリングサブフィールドには以下が含まれます。

トランスポートは、シーン内の照明が 1 つの場所から別の場所にどのように伝わるかを表します。可視性は、光トランスポートの主要な要素です。
散乱:散乱(特定のポイントで光が表面とどのように相互作用するか) とシェーディング(表面全体で材質特性がどのように変化するか) のモデルは、表面の外観を説明するために使用されます。グラフィックスでは、これらの問題はレンダリングアルゴリズムの設計に大きく影響する可能性があるため、レンダリングのコンテキスト内で研究されることがよくあります。散乱の説明は、通常、双方向散乱分布関数(BSDF)の観点から行われます。後者の問題は、異なるタイプの散乱が表面全体でどのように分布するか (つまり、どの散乱関数がどこに適用されるか) を扱います。この種の説明は通常、シェーダーと呼ばれるプログラムで表現されます。(「シェーダー」という単語は、局所的な幾何学的変化を説明するプログラムに使用されることがあるため、混乱が生じます。)
非フォトリアリスティックレンダリング
物理ベースのレンダリング-幾何光学の法則に従って画像を生成すること
リアルタイムレンダリング- インタラクティブアプリケーションのレンダリングに焦点を当てており、通常はGPUなどの特殊なハードウェアを使用します。
リライティング– シーンを素早く再レンダリングする最近の分野

著名な研究者

使用用途

ビットマップデザイン / 画像編集

ベクター描画

建築

ビデオ編集

彫刻、アニメーション、3Dモデリング

デジタル作曲

レンダリング

Vレイ
レッドシフト
レンダーマン
オクタンレンダリング
マントラ
Lumion (建築ビジュアライゼーション)

その他のアプリケーション例

参照

参考文献

^ "geometryprocessing.org". geometryprocessing.org . 2014年5月1日閲覧。
^ [1] 2007年3月14日アーカイブ、Wayback Machine
^ 「ハイパフォーマンスグラフィックス」。highperformancegraphics.org。
^ 「ベストプラクティスメモ」Cra.org。2014年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年5月1日閲覧。
^ 「会場の選択: カンファレンスかジャーナルか?」People.csail.mit.edu . 2014年5月1日閲覧。
^ 「グラフィックス/ビジョン出版物受理率統計」vrlab.epfl.ch . 2014年5月1日閲覧。
^コンピュータグラフィックスの広範な歴史については、このページ (2007 年 4 月 5 日アーカイブ、 Wayback Machine)をご覧ください。
^ 「Point Based Graphics 2007 - PBG07」。Graphics.ethz.ch 。 2014年5月1日閲覧。
^ “Ron Fedkiw”. graphics.stanford.edu . 2014年5月1日閲覧。
^ [2] 2007年2月14日アーカイブ、Wayback Machine
^ CS 598: デジタルジオメトリ処理 (2004 年秋) 2004 年 10 月 25 日にarchive.todayにアーカイブされました
^ 「デジタルジオメトリ処理」. cs.ubc.ca . 2014年5月1日閲覧。
^ 「離散微分幾何学」. ddg.cs.columbia.edu . 2014年5月1日閲覧。

さらに読む

Foley 他著「コンピュータグラフィックス：原理と実践」
シャーリー。コンピュータグラフィックスの基礎。
ワット。3Dコンピュータグラフィックス。

外部リンク

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
コンピュータグラフィックスの歴史シリーズ記事

業界

「ブルースカイ」グラフィックス研究を行っている産業研究所には、次のものがあります。

Adobe アドバンストテクノロジーラボ
メルル
Microsoft Research – グラフィックス
エヌビディアリサーチ

グラフィックス研究で有名な主要な映画スタジオは次のとおりです。

イルム
PDI/ドリームワークスアニメーション
ピクサー

[1] "geometryprocessing.org". geometryprocessing.org . 2014年5月1日閲覧。

[2] [1] 2007年3月14日アーカイブ、Wayback Machine

[3] 「ハイパフォーマンスグラフィックス」。highperformancegraphics.org。

[cra_memo-4] 「ベストプラクティスメモ」Cra.org。2014年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年5月1日閲覧。

[ernst_note-5] 「会場の選択: カンファレンスかジャーナルか?」People.csail.mit.edu . 2014年5月1日閲覧。

[graphics_acceptance_rates-6] 「グラフィックス/ビジョン出版物受理率統計」vrlab.epfl.ch . 2014年5月1日閲覧。

[7] ^コンピュータグラフィックスの広範な歴史については、このページ (2007 年 4 月 5 日アーカイブ、 Wayback Machine)をご覧ください。

[8] 「Point Based Graphics 2007 - PBG07」。Graphics.ethz.ch 。 2014年5月1日閲覧。

[stanford_fedkiw-9] “Ron Fedkiw”. graphics.stanford.edu . 2014年5月1日閲覧。

[caltech_multires_dgp-10] [2] 2007年2月14日アーカイブ、Wayback Machine

[uiuc_graphics_dgp-11] CS 598: デジタルジオメトリ処理 (2004 年秋) 2004 年 10 月 25 日にarchive.todayにアーカイブされました

[ubc_sheffa_dgp-12] 「デジタルジオメトリ処理」. cs.ubc.ca . 2014年5月1日閲覧。

[columbia_ddg-13] 「離散微分幾何学」. ddg.cs.columbia.edu . 2014年5月1日閲覧。