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3Dコンピュータグラフィックス（ 3Dコンピュータ生成画像（3D-CGI）とも呼ばれる）とは、コンピュータに保存された幾何学的データ（多くの場合デカルト座標系）の3次元（3D）表現を使用して、計算を実行し、デジタル画像（通常は2D画像だが、場合によっては3D画像）をレンダリングするコンピュータグラフィックスのことである。生成された画像は、後で表示するために保存したり（アニメーションとして表示することもできる）、リアルタイムで表示したりすることができる。[ 1 ]
3Dコンピュータグラフィックスは、その名前とは裏腹に、多くの場合、2次元ディスプレイに表示されます。3D映画や類似の技術とは異なり、得られる画像は2次元であり、視覚的な奥行きはありません。3Dグラフィックスは、仮想現実システムのように、3Dディスプレイに表示されることが多くなっています。
3Dグラフィックスは、作成とレンダリングに全く異なる方法と形式を用いる2Dコンピュータグラフィックスとは対照的である。
3Dコンピュータグラフィックスは、ワイヤーフレームモデルでは2Dコンピュータベクターグラフィックスと、最終的なレンダリング表示では2Dコンピュータラスタグラフィックスと同じアルゴリズムの多くに依存しています。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照明などの効果を実現するために3D技術を使用することがあり、同様に、3Dでも2Dレンダリング技術の一部を使用することがあります。[ 1 ]
3D コンピュータグラフィックスのオブジェクトは、しばしば3D モデルと呼ばれます。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ック データ ファイル内に含まれています。3D モデルは、あらゆる3 次元オブジェクトの数学的表現です。モデルは、表示されるまでは厳密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によって 2 次元画像として視覚的に表示することも、非グラフィックのコンピュータ シミュレーションや計算に使用することもできます。3Dプリンティングでは、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するかにはいくつかの制限があります。[ 2 ]
ウィリアム・フェッターは、ボーイングでの自身の仕事を説明するために、1961年にコンピュータグラフィックスという用語を造語したとされている[ 3 ] [ 4 ]。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Sketchpadプログラムによって研究された[ 5 ]。コンピュータアニメーションの最初の展示の1つはFutureworld（1976年）で、そこには人間の顔と手のアニメーションが含まれており、これはもともと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1972年の実験的な短編「A Computer Animated Hand 」に登場していたものである[ 6 ]。
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た。最も初期の例として知られているのは、三田澤和正が作成し、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効果のセットである3D Art Graphicsである。[ 7 ] [ 8 ]
仮想現実3Dは、3Dコンピュータグラフィックスの一種です。[ 9 ]最初のVRヘッドセットは1950年代後半に登場しましたが、VRが広く普及したのは2000年代になってからです。2012年にOculusが発売されて以来、3D VRヘッドセットの世界は拡大しています。[ 10 ]
3Dコンピュータグラフィックスの制作ワークフローは、大きく3つの段階に分けられます。
モデリングとは、物体の形状を形成するプロセスを指します。3D モデルの最も一般的なソースは、アーティストやエンジニアが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、実世界の物体をスキャンしてコンピュータに取り込んだモデルです(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 モデリングでよく使用されるツールです)。モデルは、手続き的に、または物理シミュレーションによって生成することもできます。[ 11 ]
基本的に、3D モデルは、形状を定義し多角形を形成する頂点と呼ばれる点から構成されます。多角形は、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 個の点からなる多角形は n 角形です。[ 12 ]モデル全体の整合性とアニメーションでの使用への適合性は、多角形の構造に依存します。[ 11 ]
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動き、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。これらの技術は、しばしば組み合わせて使用されます。アニメーションと同様に、物理シミュレーションも動きを指定します。
ストップモーションには、クレイメーション、カットアウト、シルエット、レゴ、パペット、ピクセル化など、複数のカテゴリがあります。[ 9 ]
クレイメーションとは、アニメーションに粘土で作った模型を使うことです。例としては、『クレイファイター』や『クレイジャム』などがあります。[ 9 ]
レゴアニメーションは、ストップモーションアニメーションの中でも比較的よく見られるタイプの1つです。レゴストップモーションアニメーションでは、フィギュア自体が動き回ります。その例としては、レゴアイランドやレゴハリーポッターなどがあります。[ 9 ]
レンダリングとは、光輸送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レンダリングのようにアートスタイルを適用することによって、モデルを画像に変換する処理です。リアルなレンダリングにおける基本的な操作は、光輸送（ある場所から別の場所へどれだけの光が届くか）と散乱（表面が光とどのように相互作用するか）の2つです。この処理は通常、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換するには、3D投影も必要となる。これは、3次元画像を2次元で表示する技術である。3DモデリングソフトウェアやCADソフトウェアでも3Dレンダリングを実行できるものもあるが（例：Autodesk 3ds MaxやBlender）、専用の3Dレンダリングソフトウェアも存在する（例：OTOYのOctane Rendering Engine、MaxonのRedshift）。
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設定することで、レンダリングエンジンに光が表面に当たったときの処理方法を指示できます。テクスチャは、カラーマップやアルベドマップを使用してマテリアルに色を付けたり、バンプマップやノーマルマップを使用して表面の特徴を付与し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させるためにも使用できます。
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レンダリングによってコンピュータ生成画像（CGI）を生成したり、分析、科学、娯楽、産業目的のための3Dモデルを生成したりする。
3Dグラフィックスをサポートするファイル形式には、Blender（.blend）、Wavefront（.obj）、.fbx、DirectX（.x）ファイルなど、さまざまな種類があります。それぞれのファイル形式は、一般的に独自のデータ構造を持っています。
各ファイル形式は、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。あるいは、サードパーティ製のスタンドアロンプログラム、または手動による逆コンパイルによってファイルにアクセスすることも可能です。
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。この種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。[ 13 ]
3Dモデリングツールを使用すると、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、伸縮するなど、自由に変更できます。モデルはさまざまな角度から表示でき、通常は同時に表示できます。モデルを回転させたり、表示範囲を拡大縮小したりすることも可能です。
3Dモデリングでは、モデルをファイルにエクスポートすることができ、メタデータが互換性があれば、そのファイルを他のアプリケーションにインポートできます。多くのモデリングソフトは、インポーターとエクスポーターをプラグインとして組み込むことができるため、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モデリングソフトには、レイトレーサーやその他のレンダリング手法、テクスチャマッピング機能など、関連する機能が多数搭載されています。また、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を備えているものもあります。さらに、レンダリングされた一連のシーンからフルモーションビデオ（つまりアニメーション）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と同じ基本的な3Dモデリング技術を採用している場合もありますが、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プリンティング、コンピュータ支援建築設計などの分野で使用されています。
動画制作後、スタジオはAdobe Premiere ProやFinal Cut Proといった中級レベルのソフトウェア、あるいはAutodesk Combustion、Digital Fusion、Shakeといったハイエンドレベルのソフトウェアを用いて、動画の編集や合成を行います。マッチムーブソフトウェアは、ライブ映像とコンピュータ生成映像を同期させ、カメラの動きに合わせて映像を常に同じ状態に保つために一般的に使用されます。
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、最終的な形では区別がつかない場合もあります。一部のグラフィック アート ソフトウェアには、2D ベクター グラフィックスまたは透明レイヤー上の 2D ラスタ 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手動でフォトリアリスティック効果をレンダリングすることもできます。 [ 15 ]
ビデオゲームの中には、ゲームエンジンのパフォーマンス向上や、スタイルやゲームプレイ上の理由から、アイソメトリックグラフィックスや固定角度の仮想カメラなど、3次元環境を制限付きで投影する2.5Dグラフィックスを使用するものがある。これに対し、そのような制限のない3Dコンピュータグラフィックスを使用するゲームは、真の3Dを使用していると言われる。
切り抜きとは、紙などの平らな素材を使用することです。環境、キャラクター、小道具など、すべてが紙から切り抜かれています。例としては、ペーパーマリオがあります。[ 9 ]シルエットは切り抜きに似ていますが、単色（黒）です。例としては、リンボがあります。 [ 9 ]パペットとは、ゲームで使用される人形やさまざまなパペットのことです。例としては、ヨッシー ウールワールドがあります。[ 9 ]ピクセル化とは、ゲーム全体がピクセル化されて見えることで、キャラクターや周囲の環境も含まれます。例としては、ショベルナイトがあります。[ 9 ]