三次元CG (サンジゲンシーヂー) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

三次元CG (サンジゲンシーヂー) の読み方

日本語表記

三次元CG (サンジゲンシージー)

英語表記

3D computer graphics (スリーディーコンピュータグラフィックス)

三次元CG (サンジゲンシーヂー) の意味や用語解説

三次元CGとは、コンピュータグラフィックスの一種であり、コンピュータの仮想空間に三次元的な形状を持つオブジェクト（物体）を作成し、それを様々な視点から観察、操作、そして二次元の画像として出力する技術全般を指す。二次元CGが平面上に絵や図形を描くのに対し、三次元CGは奥行きや立体感を持った仮想空間を作り出す点が最大の特徴である。これにより、現実世界に存在するような、あるいは想像上のあらゆる物体や空間を、あたかもそこに実在するかのように表現できる。この技術は、映画やゲームの映像制作、建築物の設計シミュレーション、自動車や製品の工業デザイン、医療分野での臓器モデル化、さらには科学技術計算におけるデータ可視化など、多岐にわたる分野で不可欠なツールとなっている。 三次元CGの制作プロセスは、大きく分けて「モデリング」「アニメーション」「レンダリング」の三段階に分けられる。モデリングは形状の作成、アニメーションは動きの表現、レンダリングは最終的な画像生成を行う工程である。 詳細な解説に移る。まず「モデリング」とは、仮想空間に物体の形状を定義する作業である。最も一般的なモデリング手法は「ポリゴンモデリング」であり、これは点（頂点）、線（辺）、面（ポリゴン、多くは三角形や四角形）の組み合わせで物体の表面を表現する手法である。頂点の座標を定義し、それらを辺で結び、さらに辺で囲まれた領域を面とすることで、複雑な形状も表現可能となる。例えば、球体を表現するには多くの小さなポリゴンを組み合わせて滑らかな曲面を近似する。この他、滑らかな曲面を数式で表現する「NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）」モデリングや、立方体の最小単位である「ボクセル」を積み重ねて立体を表現する手法なども存在する。 形状が作成された後、その表面に色や質感を与えるために「テクスチャマッピング」という技術が用いられる。これは、二次元の画像データ（テクスチャ）を三次元モデルの表面に貼り付けることで、木の年輪、金属の光沢、石の凹凸などをリアルに表現する手法である。テクスチャを正確に貼り付けるためには、三次元モデルの表面を二次元平面に展開する「UVマッピング」という作業が必要となる。これは、プレゼントのラッピングを平らな紙から立体物に包む作業に似ている。さらに、表面の微細な凹凸を光の反射で表現する「ノーマルマップ」や「バンプマップ」といった技術を用いることで、少ないポリゴン数でも詳細な質感を表現し、見た目のリアルさを向上させる。近年では、粘土をこねるように直感的にモデルを造形する「スカルプティング」という手法も普及しており、有機的な形状やキャラクター制作に多用されている。 次に「アニメーション」は、作成した三次元モデルに時間経過に伴う動きを与える工程である。最も基本的な手法は「キーフレームアニメーション」であり、これは特定の時間におけるモデルの位置や姿勢、形状などの状態（キーフレーム）を設定し、その間の動きをコンピュータが自動的に補間（トゥイーン）することで滑らかなアニメーションを生成する。例えば、キャラクターが手を振るアニメーションを作成する場合、手を上げた状態と下げた状態の二つのキーフレームを設定すれば、その間の手の動きはコンピュータが計算して生成する。より複雑なキャラクターアニメーションでは、「リギング」という作業が重要となる。これは、モデルの内部に骨格（リグ）を構築し、関節の可動域や親子関係を設定する作業である。リグに「スキニング」という技術を適用することで、骨格の動きに合わせてモデルの表面（スキン）が自然に変形するようになる。また、現実の人間や動物の動きをセンサーで計測し、それを三次元モデルに適用する「モーションキャプチャ」は、非常にリアルな動きを効率的に作成するための強力な手段である。さらに、重力、衝突、摩擦、風などの物理法則をコンピュータ上でシミュレートし、モデルの動きを自動生成する「物理シミュレーション」も、煙や水の流れ、布の揺れ、物体の崩壊などの表現に不可欠な技術である。 最後に「レンダリング」は、モデリングとアニメーションによって作成された三次元シーン（モデル、光源、カメラ、動きなどの情報）から、最終的な二次元の画像や映像を生成する工程である。これは、仮想空間に配置されたカメラがシーンを撮影し、光の当たり方や影のつき方を計算して一枚の絵として表現する作業に例えられる。レンダリングには、まずシーンに「光源」を設定する必要がある。点光源、指向性光源、面光源、環境光など様々な種類があり、それぞれの位置や強度、色によって、モデルの明るさや影の形が大きく変化する。次に「カメラ」は、シーンのどの部分を、どのような画角で、どのくらいの被写界深度で切り取るかを決定する。レンダリングの核となるのが「シェーディング」という計算であり、これは光と物体表面の相互作用を数学的にモデル化し、各ピクセルにおける色や明るさ、影の濃淡を決定する。例えば、「グーローシェーディング」や「フォンシェーディング」は、面の陰影を滑らかに補間することで、ポリゴンが少ないモデルでも曲線的な表面に見せる効果がある。レンダリングには複数のアルゴリズムが存在する。「ラスタライズ」は、三次元モデルのポリゴンを高速に二次元の画素（ピクセル）へと変換し、表示する手法で、主にリアルタイム性が求められるゲームなどで利用される。一方、「レイトレーシング」は、カメラから発せられた仮想の光線が物体に当たり、光源へと到達するまでの経路を追跡し、その過程での反射、屈折、透過などを忠実にシミュレートすることで、極めてリアルな画像生成を可能にする。レイトレーシングは計算負荷が高いが、写真のような高品質な映像制作に用いられる。また、斜め線や曲線のギザギザ（エイリアシング）を目立たなくする「アンチエイリアシング」処理も、レンダリングの品質を高めるために不可欠である。 これらの三次元CGの制作には、Blender、Autodesk Maya、3ds Maxといった専用のソフトウェアが使用される。これらのソフトウェアは、モデリング、アニメーション、レンダリング機能に加え、さまざまな補助ツールを統合している。また、これらのソフトウェアを効率的に動作させるためには、高性能なCPU、大量のメモリ、そして特にグラフィックス処理を専門に行うGPU（Graphics Processing Unit）を搭載したコンピュータが不可欠である。特にレンダリング作業は計算量が多く、GPUの性能が直接的な処理速度に影響する。 三次元CG技術は現在も急速な進化を続けている。リアルタイムレンダリングの技術は、ゲームエンジン（UnityやUnreal Engineなど）の発展により、映画品質に迫る映像をリアルタイムで生成できるようになりつつある。これにより、インタラクティブな体験が求められるVR（仮想現実）やAR（拡張現実）といった分野での応用が拡大している。また、AI（人工知能）の進化は、三次元モデルの自動生成、テクスチャの自動作成、アニメーションの自動生成といった形で、制作プロセスをさらに効率化する可能性を秘めている。さらに、作成された三次元モデルは、3Dプリンティング技術と組み合わせることで、仮想空間だけでなく物理的な物体として現実世界に出力することも可能である。三次元CGは、もはやエンターテイメントだけでなく、あらゆる産業のデジタル化とイノベーションを推進する基盤技術の一つとして、その重要性を増しているのである。