3D（3次元）とは｜定義から測定・3Dグラフィックス入門

3D（または3-D）とは、3次元、または3次元を持つことを意味します。例えば、箱は立体的で、紙のように薄いものではなく、しっかりしています。箱にはボリュームがあり、上下、左右（側面）、正面と背面があります。箱を裏返して別の面（面、面、単純に側面と呼ぶ）から見ることができます。

寸法は、インチ、ミクロン、マイル、キロメートル、またはその他の長さの単位で測定可能です。

三次元は、長さ（または奥行き）、幅（または幅）、高さと呼ばれることが多い。目的によっては別の言葉を使うこともあります。

3Dグラフィックスは、ビデオゲームやアニメーション映画を作るために使用されます。画像を画面上で立体的に見せるためには、多くの計算が必要です。現代のコンピュータは通常、これらの計算を処理するためにGPU（Graphics Processing Unit）を搭載しています。

両眼視は第三次元を見やすくします。

三次元（3D）の基本概念

3次元とは、物体が空間内で幅（横）、高さ（縦）、奥行き（前後）の3つの独立した方向を持つことを指します。数学や物理では通常、これらを直交する座標軸 x, y, z で表現します。立方体や箱のような直方体では、各辺の長さを掛け合わせることで体積（ボリューム）を求められます（例：体積 = 長さ × 幅 × 高さ）。

3Dの特徴として次の点が挙げられます：

• 表面（面）・辺・頂点といった幾何学的要素がある。
• 物体の内部に体積が存在する（「薄い」2Dの面とは異なる）。
• 位置だけでなく、向き（回転）やスケール（大きさ）を持つ。

3Dの測定と単位

長さや幅、高さはお使いの用途に合わせた単位で測定します。記事冒頭のように、インチやミクロン、マイル、キロメートル、長さの単位はどれでも使えます。精度が必要な産業用途ではミクロン（μm）やナノメートル（nm）で、土木や地理空間ではメートルやキロメートルで測ります。

体積の単位例：

• 立方メートル（m³）
• 立方センチメートル（cm³）やリットル（L）
• 立方インチ（in³）

3Dの表現方法：幾何学とボクセル

3Dのモデル化には主に2つのアプローチがあります。

• ポリゴン／メッシュ：多数の三角形や四角形（ポリゴン）で表現する方法。ゲームやリアルタイムレンダリングで広く使われます。メッシュは頂点、エッジ、面から構成され、テクスチャ（画像）を貼るためのUV展開や法線（ノーマル）情報が重要です。
• ボクセル（体積ピクセル）：3D空間を小さな立方体セルで分割して表現する方法。医療画像（CT、MRI）や一部のシミュレーション、特殊なレンダリングで使われます。

3Dグラフィックス入門（基本パイプライン）

3Dグラフィックスは複数の段階を経て最終的な画像になります。代表的な処理の流れ：

• モデリング：形状を作る工程（ポリゴン、スプライン、サーフェスモデリングなど）。
• テクスチャリングとUVマッピング：表面に色や模様を貼り付ける作業。
• リギングとアニメーション：関節やボーンを設定して動かす準備と実際の動作付け。
• ライティング（照明）：光源の配置や強さ、色を設定することで物体の見え方が決まる。
• シェーディング：面がどのように光を受けるか（反射、拡散、屈折など）を計算する。
• レンダリング：最終的な画像を生成する工程。ラスタライズ（高速な描画法）やレイトレーシング（光の伝播を物理的に追う高品質法）などがある。

現代のコンピュータでは、こうした計算を高速に行うためにGPUが用いられます。GPUは多数のコアで並列処理を行い、ポリゴンの変換やピクセルの色計算を効率よく処理します。

立体視と奥行き知覚

人間が3次元を認識するための手がかり（深度手がかり）にはいくつか種類があります：

• 両眼視（ステレオ視）：左右の目で見える視差から奥行きを感じる。冒頭のリンクにあるように、両眼視は第三次元を見やすくします。
• 透視投影（パースペクティブ）：遠くの物ほど小さく見えることで奥行きが分かる。
• 遮蔽（オクルージョン）：ある物体が別の物体を隠すことで手前・奥の関係が分かる。
• 陰影とライティング：影や明暗の付き方で形状と奥行きが分かる。
• 動くことによる視差（モーションパララックス）：自分や物体が動くと近くの物は速く、遠くの物はゆっくり動く。

3Dの応用例と技術

• エンターテインメント：ビデオゲーム、アニメーション映画、VR/ARコンテンツ。
• 産業・設計：CADやプロトタイピング、3Dプリント。
• 医療：CTやMRIの3D再構成、手術シミュレーション。
• 地理情報：地形の3Dモデル化や都市の可視化。
• 科学・シミュレーション：流体力学や構造解析の可視化。

実務的なヒント

• 3Dモデルを作る際はまず簡単な形から始め、トポロジー（メッシュの流れ）を意識する。
• ゲームなどリアルタイム用途ではポリゴン数とテクスチャサイズのバランスが重要。
• レンダリング品質を上げたい場合はレイトレーシングや高品質なシャドウ、環境光遮蔽（AO）を検討する。
• 計測や製造の用途では単位やスケールを厳密に管理する（寸法単位の統一や寸法公差など）。

まとめると、3Dは空間内の幅・高さ・奥行きを持つ概念であり、測定や表現には多様な方法と技術が存在します。コンピュータグラフィックス分野ではモデリングからレンダリングまでの一連の手順を通じて立体感のある画像や映像が作られます。応用範囲は広く、日常の物理的対象の表現から高度なシミュレーションまで多岐にわたります。

質問と回答

Q: 3Dとはどういう意味ですか?

Q: 箱はどのように表現できますか?

Q: 三次元は何と呼ばれていますか?

Q: 3Dグラフィックスは何に使われるのですか?

Q: 最近のコンピュータは3Dグラフィックスを処理するために何を備えていますか?

Q: 3次元を簡単に見ることができるのはなぜですか?

Q:スクリーン上の絵はどのようにして立体的に見えるのですか?

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