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ベクターグラフィックスは、点、線、曲線、多角形など、直交平面上で定義された幾何学的形状から直接視覚画像を作成するコンピュータグラフィックスの一種です。関連するメカニズムには、ベクター表示および印刷ハードウェア、ベクターデータモデルとファイル形式、およびこれらのデータモデルに基づくソフトウェア（特にグラフィックデザインソフトウェア、コンピュータ支援設計、地理情報システム）が含まれます。ベクターグラフィックスはラスターグラフィックスやビットマップグラフィックスの代替手段であり、それぞれ特定の状況で長所と短所があります。[1]
ベクターハードウェアはラスターベースのモニターやプリンターに取って代わられてほとんど姿を消しましたが、[2]ベクターデータとソフトウェアは、特に高度な幾何学的精度が必要な場合や、複雑な情報を単純な幾何学的プリミティブに分解できる場合に、引き続き広く使用されています。したがって、エンジニアリング、建築、測量、3Dレンダリング、タイポグラフィなどの分野では好ましいモデルですが、ラスターの方が効果的で効率的な写真やリモートセンシングなどのアプリケーションにはまったく不適切です[要出典] 。地理情報システム (GIS) やグラフィックデザインなどの一部のアプリケーション分野では、目的に応じてベクターグラフィックスとラスターグラフィックスの両方を使用することがあります。
ベクターグラフィックスは、解析幾何学または座標幾何学の数学に基づいており、ベクターという用語の他の数学的用法とは関係がありません。そのため、両方の意味が使用される分野では混乱が生じる可能性があります。
データモデル
ベクター グラフィックスの論理データ モデルは、座標幾何学の数学に基づいています。座標幾何学では、図形は 2 次元または 3 次元の直交座標系における点の集合として、p = ( x, y ) またはp = ( x, y, z ) として定義されます。ほとんどすべての図形は無限の数の点で構成されるため、ベクター モデルは、頂点と呼ばれる突出した点の有限のサンプルを使用して指定できる、限られた幾何学的プリミティブのセットを定義します。たとえば、正方形は、4 つの角のうち 3 つの位置によって明確に定義でき、ソフトウェアはそこから接続境界線と内部空間を補間できます。正方形は規則的な図形であるため、1 つの角の位置、サイズ (幅 = 高さ)、および回転角度によって定義することもできます。
基本的な幾何学プリミティブは次のとおりです。
- 一つの点。
- 2 つの端点によって定義され、その間の線の単純な線形補間を可能にする線分。
- 多角形のチェーンまたはポリライン。点の順序付きリストによって定義される、接続された線分の集合です。
- 境界によって定義される空間領域を表すポリゴン。開始頂点と終了頂点が一致するポリライン。
より複雑なさまざまな形状がサポートされる可能性があります。
- パラメトリック曲線。ポリラインまたはポリゴンにパラメータを追加して頂点間の非線形補間を定義します。これには、円弧、3次スプライン、 Catmull -Rom スプライン、ベジェ曲線、ベジゴンが含まれます。
- 円、楕円、正方形、超楕円、球、四面体、超楕円体など、2 次元または 3 次元の標準的なパラメトリック形状。
- 不規則な 3 次元サーフェスおよびソリッドは、通常、接続されたポリゴンのセット (ポリゴン メッシュなど) またはパラメトリック サーフェス ( NURBSなど) として定義されます。
- フラクタルは、反復関数システムとして定義されることが多い。
多くのベクターデータセットでは、各形状は一連のプロパティと組み合わせることができます。最も一般的なのは、色、線の太さ、破線パターンなどの視覚特性です。GISやBIMなど、形状が現実世界の地物を表すシステムでは、名前、年齢、サイズなど、表現された各地物のさまざまな属性を保存できます。[3]
一部のベクターデータ、特にGISでは、交通ネットワーク内の道路区間間の接続を追跡するなど、オブジェクト間の位相関係に関する情報がデータモデルで表現されることがあります。[4]
あるベクター ファイル形式で保存されたデータセットを、その特定の画像で使用されるすべてのプリミティブ オブジェクトをサポートする別のファイル形式に変換すると、変換はロスレスになります。
ベクトル表示ハードウェア
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ベクトルCRTやペンプロッタなどのベクトルベースのデバイスは、描画メカニズムを直接制御して幾何学的形状を生成します。ベクトル表示デバイスは、2つの点（つまり、線の各端の座標）を処理するだけで線を定義できるため、デバイスは画像を点のペアで整理することで、処理しなければならないデータの総量を削減できます。[5]
ベクターグラフィックディスプレイは、1958年に米国のSAGE防空システムで初めて使用されました。[6]ベクターグラフィックシステムは、1999年に米国の航空管制システムから廃止されました。 [要出典]ベクターグラフィックは、 1963年にマサチューセッツ工科大学リンカーン研究所のTX-2で、コンピュータグラフィックスの先駆者であるイヴァン・サザーランドがスケッチパッドというプログラムを実行するために使用しました。 [7]
その後のベクターグラフィックスシステムには、動的に変更可能な保存された描画命令リストを反復処理するシステムが多くあり、IBM 2250、Imlac PDS-1、DEC GT40などがある。ベクターグラフィックスを使用するビデオゲームコンソールにはVectrexがあり、アーケードゲームにはAsteroids、Space Wars、 Tempestなどがあり、シネマトロニクスのタイトルにはベクターモニターを使用するものが多かった。[8] Tektronix 4014などのストレージスコープディスプレイはベクター画像を表示できたが、表示を消去しないと画像を変更できなかった。しかし、これらはテレビで使用されていたラスターベースのスキャンディスプレイほど広く使用されることはなく、1980年代半ばまでに特殊な用途を除いてほとんど見られなくなった。
製図で使用されるプロッタは、現在でも、紙の 2 次元空間で指示通りにペンを動かすことで、ベクトルを直接紙に描画します。ただし、モニタと同様に、プロッタはラスタ イメージ (ベクトル データからレンダリングされる場合もあります) を印刷する ワイド フォーマット プリンタに大きく置き換えられています。
ソフトウェア
このモデルはさまざまなアプリケーション ドメインで役立つため、ベクター グラフィックスを描画、操作、視覚化するためのさまざまなソフトウェア プログラムが作成されています。これらはすべて同じ基本的なベクター データ モデルに基づいていますが、ファイル形式が大きく異なるため、図形の解釈や構造化の仕方が大きく異なります。
- ベクター グラフィック エディターまたはAdobe Illustratorなどのグラフィック アート ソフトウェアを使用したグラフィック デザインとイラストレーション。機能については、 「ベクター グラフィック エディターの比較」を参照してください。
- 地理情報システム（GIS）。ベクター形状と属性セットの組み合わせによって地理的特徴を表すことができます。[9] GISには、ベクター編集、マッピング、ベクター空間解析機能が含まれています。
- エンジニアリング、建築、測量で使用されるコンピュータ支援設計(CAD)。ビルディング インフォメーション モデリング(BIM) モデルは、GIS と同様に、各図形に属性を追加します。
- コンピュータアニメーションを含む3D コンピュータ グラフィックスソフトウェア。
ファイル形式
ベクター グラフィックスは、現在、SVG、WMF、EPS、PDF、CDR 、またはAIタイプのグラフィック ファイル形式でよく見られ、 JPEG、 PNG、APNG、GIF、WebP、 BMP、MPEG4などのより一般的なラスター グラフィック ファイル形式とは本質的に異なります。
ベクター グラフィックスのワールド ワイド ウェブ コンソーシアム (W3C) 標準は、スケーラブル ベクター グラフィックス (SVG) です。この標準は複雑で、少なくとも部分的には商業的利益のために、確立されるまでに比較的時間がかかりました。現在、多くの Web ブラウザーは SVG データのレンダリングをある程度サポートしていますが、この標準を完全に実装したものはまだ比較的まれです。
近年、SVG は、レンダリング デバイス (通常はプリンターまたはディスプレイ モニター) の解像度にまったく依存しない重要な形式になりました。SVG ファイルは、基本的に、直線と曲線の両方のパスとその他の属性を記述する印刷可能なテキストです。Wikipedia では、写真やその他の連続階調画像とは異なる、単純な地図、線画、紋章、旗などの画像に SVG が推奨されています。[要出典] SVG をレンダリングするには、現在のタスクに適した解像度でラスター形式に変換する必要があります。SVG は、アニメーション グラフィックスの形式でもあります。
携帯電話用の SVG バージョンもあります。特に、携帯電話用の特定の形式は SVGT (SVG Tiny バージョン) と呼ばれます。これらの画像はリンクをカウントでき、アンチエイリアシングも利用できます。壁紙として表示することもできます。
CAD ソフトウェアは独自のベクター データ形式を使用します。通常、これらの形式はソフトウェア ベンダーによって作成された専用形式であり、Autodesk の DWG や DXF などのパブリック交換形式などがあります。これまでに、GIS データ用に何百もの異なる ベクターファイル形式が作成されてきました。これには、Esri ファイル ジオデータベースなどの専用形式、ShapefileやオリジナルのKMLなどの専用だがパブリックな形式、 GeoJSONなどのオープン ソース形式、Open Geospatial ConsortiumのSimple FeaturesやGMLなどの標準化団体によって作成された形式が含まれます。
変換
ラスターへ
現代のディスプレイやプリンターはラスターデバイスです。ベクター形式は、レンダリング（表示または印刷）する前に、ラスター形式（ビットマップ - ピクセル配列）に変換する必要があります。[10]変換によって生成されるビットマップ/ラスター形式ファイルのサイズは必要な解像度によって異なりますが、ビットマップ/ラスターファイルを生成するベクターファイルのサイズは常に同じままです。したがって、ベクターファイルからさまざまなビットマップ/ラスターファイル形式に変換するのは簡単ですが、逆方向に変換するのははるかに困難です。特に、ベクター画像の編集が必要な場合は困難です。ベクターソースファイルから作成された画像をビットマップ/ラスター形式で保存すると、システムによってベクター形式が異なり（互換性がなく）、ベクターグラフィックスをまったくサポートしていないシステムもあるため、有利になる場合があります。ただし、ファイルをベクター形式から変換すると、サイズが大きくなる可能性があり、解像度を失わずにスケーラビリティを活用できるという利点が失われます。また、画像の個々の部分を個別のオブジェクトとして編集することもできなくなります。ベクター グラフィック イメージのファイル サイズは、含まれるグラフィック要素の数によって決まります。これは説明のリストです。
ラスターから
印刷
ベクターアートは一連の数学的曲線から作られているため、印刷に最適です。サイズを変更しても非常に鮮明に印刷されます。 [11]たとえば、ベクターロゴを小さなコピー用紙に印刷し、同じベクターロゴを看板サイズに拡大しても、同じ鮮明な品質を維持できます。低解像度のラスターグラフィックは、名刺サイズから看板サイズに拡大すると、ぼやけたり、ピクセル化が過度に発生したりします。(高品質の結果に必要なラスターグラフィックの正確な解像度は、見る距離によって異なります。たとえば、見る距離が十分に離れていれば、看板は低解像度でも高品質に見えることがあります。) [12]
印刷文字を画像とみなすと、グラフィックスの場合と同じ考慮事項が、印刷用のテキストの構成 (タイプセッティング) にも適用されます。古い文字セットはビットマップとして保存されていました。したがって、最高の印刷品質を実現するには、特定の解像度でのみ使用する必要がありました。これらのフォント形式は非スケーラブルであると言われています。今日の高品質の印刷は、通常ベクター グラフィックスとして保存される文字描画 (フォント) に基づいており、任意のサイズにスケーラブルです。文字のベクター形式の例としては、Postscript フォントやTrueType フォントがあります。
手術
ラスター グラフィックスと比較したこの描画スタイルの利点:
- ベクターグラフィックは直線や曲線で囲まれた座標で構成されているため、表現のサイズはオブジェクトの寸法に依存しません。この最小限の情報量は、ピクセルごとに定義される大きなラスター画像と比較して、はるかに小さい[13] ファイルサイズに変換されます。ただし、ファイルサイズの小さいベクターグラフィックは、実際の写真と比較すると詳細が不足していると言われることがよくあります。
- 同様に、例えば円弧を無限に拡大しても滑らかなままです。一方、曲線を表す多角形は、実際には曲がっていないことがわかります。
- ズームインすると、直線や曲線は比例して広くなる必要はありません。多くの場合、幅は増加しないか、比例より狭くなります。一方、単純な幾何学的形状で表現される不規則な曲線は、ズームインすると比例して広くなり、幾何学的形状に見えず滑らかに見えるようにすることができます。
- オブジェクトのパラメータは保存され、後で変更できます。つまり、移動、拡大縮小、回転、塗りつぶしなどを行っても、描画の品質は低下しません。さらに、通常はデバイスに依存しない単位で寸法を指定するため、ラスターデバイス上で最適なラスター化が実現します。
- 3D の観点から見ると、ベクター グラフィックスでは影のレンダリングもはるかにリアルになります。これは、影を、影が形成される光線に抽象化できるためです。これにより、写真のようにリアルな画像やレンダリングが可能になります。
例えば、半径rの円を考えてみましょう。[14]この円を描くためにプログラムが必要とする 主な情報は、
- 描くべきものが円であることを示す
- 半径r
- 円の中心点の位置
- 線のスタイルと色（透明も可）
- 塗りつぶしのスタイルと色（透明も可）
ベクター形式はグラフィック作業に必ずしも適しているわけではなく、多くの欠点もあります。[15]たとえば、カメラやスキャナーなどのデバイスは、本質的に連続トーンのラスターグラフィックを生成しますが、これをベクターに変換するのは実用的ではありません。そのため、この種の作業では、画像エディターは、数式で定義された描画オブジェクトではなく、ピクセルに対して操作を行います。包括的なグラフィックツールは、ベクターソースとラスターソースの画像を組み合わせ、画像の一部がカメラソースから取得され、他の部分がベクターツールを使用して描画されている可能性があるため、両方に対する編集ツールを提供する場合があります。
ベクターグラフィックスという用語は紛らわしいと批判する著者もいる。[16] [17]特に、ベクターグラフィックスは単にユークリッドベクトルで記述されたグラフィックスを指すのではない。[18]代わりにオブジェクト指向グラフィックスを使用することを提案する著者もいる。[16] [19] [20]しかし、この用語はオブジェクト指向プログラミングを使用して実装されたあらゆる種類のグラフィックスとして解釈できるため、混乱を招く可能性もある。[16]
ベクトル演算
ベクターグラフィックエディタでは、通常、平行移動、回転、ミラーリング、伸縮、傾斜、アフィン変換、 Zオーダーの変更（大まかに言えば、何が何の前にあるか）、プリミティブを組み合わせてより複雑なオブジェクトを作成することができます。[16]より洗練された変換には、閉じた図形に対する集合演算（和集合、差集合、積集合など）が含まれます。 [21] SVGでは、合成演算はアルファ合成に基づいています。[22]
ベクターグラフィックスは、デバイスに依存しない必要がある単純な描画や複合描画、または[23]写真のようなリアリズムを実現する必要がない描画に最適です。たとえば、PostScriptやPDFの ページ記述言語では、ベクターグラフィックスモデルが使用されています。
ベクター画像リポジトリ
多くのストックフォトウェブサイトは、ホストされている画像のベクトル化されたバージョンを提供していますが、グラフィックデザイナーの間で人気が高まっていることから、特定のリポジトリはベクトル画像に特化しています。[24]
参照
注記
- ^ ナイジェル・チャップマン、ジェニー・チャップマン (2002) [2000]。デジタルマルチメディア。ワイリー。p. 86。ISBN 0-471-98386-1。
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- ^ ベクターデータモデル、Wayback Machineで2022年4月11日にアーカイブ、地理情報システムの基礎、Saylor Academy、2012年
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参考文献
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- Murray, Stephen (2002)。「グラフィック デバイス」。Roger R. Flynn (編)。『コンピュータ サイエンス、第 2 巻: ソフトウェアとハードウェア』、Macmillan Reference USA。Gale eBooks。2020年8 月 3 日に取得。
外部リンク
Wikiversityにはベクター描画に関する学習リソースがあります
ウィキメディア・コモンズのベクターグラフィックに関連するメディア