コンピュータグラフィックスとは：定義・用途・歴史・主要技術の解説

コンピュータグラフィックスとは何かを定義から用途・歴史・主要技術まで図解でわかりやすく解説。映画・ゲーム・科学応用の事例も満載。

コンピュータ・グラフィックスは、コンピュータで作られたモニターに表示されるデータの視覚的表現です。コンピュータグラフィックスには、一連の画像（最もよくビデオと呼ばれる）または単一の画像があります。

コンピュータ・グラフィックスはとても便利です。映画製作、ビデオゲームやコンピュータプログラムの開発、科学的なモデリング、広告やその他の商業美術のデザインなどに、コンピュータで作成された画像が使われているのです。中には、コンピュータグラフィックスをアートとして制作する人もいます。

定義をもう少し詳しく

コンピュータグラフィックス（CG）は、コンピュータを使って2次元・3次元の画像や映像を生成・編集・表示する技術とそれに関連する理論の総称です。単純なアイコンや図形から、リアルタイムで動くゲーム世界、映画用の高精細な合成映像、医療用の断層画像の可視化まで、その範囲は広いです。

主な用途

• 映画・映像制作：VFX（視覚効果）やアニメーション制作で実写と合成された高品質な画像を作成します。
• ゲーム：リアルタイムレンダリングを用いてインタラクティブな3D世界を表現します。
• 設計・工学（CAD/CAM）：製品設計や建築の可視化、シミュレーションに使われます。
• 科学・医療可視化：分子構造、流体解析、CT/MRIの断層画像表示など。
• 広告・商業デザイン：ポスター、Web用グラフィック、プロダクトビジュアライゼーション。
• 教育・トレーニング、VR/AR：仮想環境でのシミュレーションや体験学習。

簡単な歴史

コンピュータグラフィックスの歴史は1950〜60年代に始まります。初期の研究ではベクター表示や2D描画が中心で、代表的な成果にアイヴァン・サザランド（Ivan Sutherland）のSketchpad（1963年）があり、インタラクティブなグラフィック編集の先駆けとなりました。1970〜80年代にかけて、ライン描画からラスタ表示（ピクセル単位の画像）への移行、3Dモデルと投影の理論の発展が進みました。

1990年代以降はハードウェア（GPU）の進化とともにリアルタイム3D表現が急速に発展し、映画用の高品質レンダリングやゲームのリアルタイムレンダリングが普及しました。近年は物理的に正しい光の振る舞いを再現するレイトレーシングや、物理ベースレンダリング（PBR）、機械学習を使った生成技術などが注目されています。

主要技術と用語（概要）

• モデリング：3次元オブジェクトの形状を作る工程（ポリゴン、NURBS、スカルプトなど）。
• テクスチャ／マテリアル：表面の色や凹凸、反射特性を定義する。PBRは現実の物理特性を近似します。
• レンダリング：3Dシーンから2D画像を生成する処理。主に以下の手法があります：
  • ラスタライゼーション：GPUで高速にポリゴンを画面に描く方式（主にリアルタイム用途）。
  • レイトレーシング：光線を追跡して反射・屈折を計算する方式。フォトリアルな映像表現に優れる。
  • パストレーシング：レイトレーシングの一種でグローバルイルミネーションを扱う。
• シェーディング：光と材料の相互作用を計算してピクセルごとの色を決める処理（Phong、Blinn、PBRなど）。
• シェーダー：GPU上で動作する小さなプログラム。頂点シェーダー、フラグメント（ピクセル）シェーダーなど。
• アニメーション／スキニング：キャラクタや物体を時間で動かす手法（キーフレーム、モーションキャプチャ、ボーン/スキニング）。
• ポストプロセス：レンダリング後に色補正、被写界深度、モーションブラーなど効果を加える工程。
• レンダリングパイプライン：モデリング → トランスフォーム → ラスタライゼーション/シェーディング → ポストプロセス、という一連の流れ。

実用的なツールと規格

• ソフトウェア：Blender、Autodesk Maya、3ds Max、Cinema 4D、ZBrush など。
• レンダラー：Cycles、Arnold、V-Ray、RenderMan、Unreal Engine、Unityなどのリアルタイムエンジン。
• API／標準：OpenGL、DirectX、Vulkan、Metal。ファイル形式ではOBJ、FBX、GLTFなどが広く使われる。

今日のトレンドと今後

近年は以下の分野が急速に発展しています：

• リアルタイムレイトレーシング：ハードウェアの進化でゲームエンジンでも物理的に近い光学表現が可能に。
• 機械学習の応用：ノイズ除去、テクスチャ合成、スタイル変換などで効率と表現力が向上。
• 仮想現実（VR）／拡張現実（AR）：没入型体験のための表示・インタラクション技術。
• クラウドレンダリング：大規模な計算をクラウドで処理し、短時間で高品質な画像を生成。

まとめ

コンピュータグラフィックスは、数学、物理、プログラミング、デザインが交差する分野であり、映画やゲームだけでなく医療や産業設計など社会の多くの領域で重要な役割を果たしています。基礎的な概念（モデリング、マテリアル、レンダリング、シェーディング）を理解すると、用途に応じた技術やツールの選択が容易になります。

質問と回答

Q:コンピュータ・グラフィックスとは何ですか?

Q:コンピュータ・グラフィックスはどのように使われるのですか?

Q:コンピュータグラフィックスにはどのような形態があるのですか?

Q:コンピュータグラフィックスの画像はどのように作られるのですか?

Q:コンピュータグラフィックスには、アート以外の用途もあるのでしょうか?

Q:コンピュータで立体画像を作ることはできるのでしょうか?

Q:コンピュータでリアルな映像を作ることができるのか?

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