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3次元コンピュータグラフィックス(さんじげんコンピュータグラフィックス、3 Dimensional Computer Graphics, 3DCG)は、仮想3次元空間上の形状情報から、それらを平面上に投射することで生成するコンピュータグラフィックス(CG)。これらの一連の技術のことを指すこともある。生成された画面は2次元コンピュータグラフィックス(2DCG)と画像としての違いはないが、生成工程に大きな差異があるため、区別してこう呼ばれる。

一般のユーザが3DCGの成果を見る場合は、シミュレーション、CADや立体地図のように、自ら物体に対する視点を変更して物体を各方面から眺めることを主体とする場合と、映画のように、製作者が視点を定め、ユーザはその視点を追うだけの場合がある。

毎年夏にアメリカで開催されるCGの祭典SIGGRAPHにて、世界中の多くの研究者により最新のCGの論文が発表され、技術更新がなされている。

◆ 3DCGの目的

3DCGは多くの場合、フォトリアリスティックな画像を制作する目的で利用される。そういった点では絵画の技術とは大きく方向性が異なっている。セルアニメーションのように毎フレームごとに手書きで絵を描く必要がないため、手軽にアニメーションを制作する手段としても効果的である。また、コンピュータシミュレーションにおいても、シミュレーション結果を視覚的に認識するのに有効であり、訓練用としてはドライブシミュレータやフライトシミュレータなどに利用されている。CAD、CAMにおいても成型品の完成イメージを把握したり、建築パースを正確に描画する目的で利用されている。建築パースの作成では設計図面さえあれば建築イメージを確認できるため、古代遺跡の復元モデルなどをフォトリアリスティックに描画する用途などにも用いられている。他に、コンピュータゲーム、映画やアニメなどの映像表現などにも用いられる。立体地図の場合は地形の起伏や大縮尺の場合の建物形状をいろいろな視点から眺められるように用いる。

◆ 3DCGの原理

3次元CGの基本原理は3点座標を持つ対象物を2次元座標の仮想スクリーン上に透視投影することである。

まず[外部リンク]図1のような3次元座標をディスプレー内に考える。原点に視点があるとして座標内の3点の座標を持つ点Aはどのように見えるだろうか。

[外部リンク]図2のように原点と点Aの間にスクリーンを置いた場合、スクリーン平面上に映し出される点Aの投影座標は h=x*(s/z)、v=y*(s/z) で求められる。zが大きくなれば、スクリーン上の点Aは限りなく原点に近付く。つまり遠くのものは小さく見えるわけである。スクリーンを置く座標sは大きくなればパースが緩く、小さくなればパースがきつくなるので、レンズの画角を表現することが出来る。

これが透視投影の原理であり、三点座標を持つ点をそれぞれ結べばワイヤーフレーム画像が、結んだ点から面を作ればポリゴンによる表現が可能となる。

◆ 3DCGの制作工程

3DCGの制作は次のような行程にわけることができる。

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◇ モデリング(Modeling)

仮想3次元空間上に個々の物体の形状をつくる。多くの3DCGソフトウェアでは、一つの面を三角形や四角形といった多角形の集合として表現する。三角形と四角形しか扱えないソフトウェアも多い。これらの多角形はポリゴン(英語で多角形の意)と呼ぶ。各形状はポリゴンの集合で表現される。モデリングで作られた形状をモデルやオブジェクトと呼ぶ。

他に面を定義する方法としては自由曲面がある。自由曲面はNURBS曲線、スプライン曲線、ベジェ曲線などで曲面を構成する方法で、ポリゴンのみでモデリングされた形状に比べ滑らかで正確な形状が得られる。ポリゴンのみでモデリングすることを、ポリゴンモデリングと呼んで、自由曲面を利用したモデリングと区別することがある。

形状が出来たら、オブジェクトに材質(マテリアル)を設定する。材質を設定しなければ、オブジェクトはただ一様に光を反射するだけの均質な物体になる。多くの3DCGソフトウェアでは、色、透明度、反射、屈折率、自己発光、バンプ、ディスプレイスメントなどの設定項目がある。

◇ シーンレイアウト設定

モデリングで制作したオブジェクトを、仮想3次元空間上に配置する。現実世界と同様、光源も配置しなければ何も表示されない(黒一色の画像が出力される)。また、仮想的なカメラを配置することで視点を設定する。これらを配置・設定した仮想的な舞台をシーンと呼ぶ。

◇ レンダリング(Rendering)

レンダリングは、これまでに設定したシーンから、仮想的なカメラに写されるはずの画像を生成する工程である。オブジェクトの形状や位置、光のあたり具合などをコンピュータが計算し、最終的な画像が生成される。レンダリングのアルゴリズムには、それぞれ処理速度や品質の違う多くの種類があり、用途に合わせて使い分ける。各種の設定を済ませレンダリングを開始した後は、レンダリングが終了するまで制作者がすることは特にない。一般にレンダリングには多くの時間を要する。シーン内に多くの形状があったり、高度なレンダリングアルゴリズムを利用している場合、数時間から数日かかる場合もある。ゲームなどリアルタイムにレンダリングしなければならないときは、単純で高速なレンダリングアルゴリズムを適用したり、シーンの総ポリゴン数を少なくするなど、大きな制限が加えられる。映画など大規模な制作現場では、同時に複数のコンピュータにレンダリング処理をさせて、計算時間を短縮することがある。

レンダリング手法によっては空気による遠近法・光の照り返しなども計算される。そういった複雑な計算をするレンダリング処理は専用回路(GPU)で行われることも多い。高い対話性と双方向性が得られるので、ゲームに用いられる場合はこの形態をとる。

◇ レタッチ(Retouch)

レンダリングで得られた画像が、完全に制作者の意図したものになるとは限らない。PhotoshopやAdobe After Effectsなどのフォトレタッチツールなどで、コントラストや色味を手直しすることもある。

◆ 制作のための技術

3DCG制作の各工程で用いられる様々な技術について解説する。

◇ テクスチャマッピング(Texture mapping)

3DCGのモデルに画像を貼り付けることをテクスチャマッピング、その貼り付けられる画像をテクスチャという。テクスチャを貼ることにより、モデリングやシェーダーのみでは表現の困難な、モデル表面の細かな色彩情報や質感などを設定することができる。

テクスチャの貼り付け方としては、単純にカメラ方向からモデルにテクスチャを投影するだけの方法や、UV座標によってモデルへのテクスチャの投影を正確に設定する方法がある。カメラ方向からの単純な投影では、動き回るキャラクターのテクスチャがズレることが回避できないため、現在では、3DCGを扱う者にとって、モデルにはUVをきちんと設定するのが常識である。

反射の強度を設定する反射マッピング、小さな凹凸を擬似的に表現するパンプマッピング/ディスプレイスメントマッピング、透明度を設定する透明度マッピングなどがある。形状の表面に画像の情報を加えることによって、表面の模様や質感が表現されて、より現実的な画像になる。

特にコンピュータゲームにおいては、リアルタイムで3DCGキャラクターを描画する必要から、極力少ないポリゴンで作成されたモデル(ローポリゴンモデル)に、ディテールや陰影などを描き込んだテクスチャを貼り付ける手法が行われている。

「テクスチャマッピング」も参照のこと。

◇ バンプマッピング

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