コンピュータグラフィックス (コンピュータグラフィックス) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

コンピュータグラフィックス (コンピュータグラフィックス) の読み方

日本語表記

コンピュータグラフィックス (コンピュータグラフィックス)

英語表記

Computer Graphics (コンピューターグラフィックス)

コンピュータグラフィックス (コンピュータグラフィックス) の意味や用語解説

コンピュータグラフィックス（CG）は、コンピュータを用いて画像や映像を生成する技術の総称である。人間が視覚的に認識できるあらゆる情報をデジタルデータとして表現し、コンピュータの計算能力を駆使して創造する技術分野を指す。その応用範囲は多岐にわたり、映画、ゲーム、アニメーションといったエンターテイメント分野はもちろんのこと、工業デザイン、建築、医療、科学技術計算、教育といった社会のあらゆる側面で不可欠なツールとなっている。デジタル化が進む現代社会において、CGは視覚情報を表現する主要な手段の一つとして、その重要性を増している。システムエンジニアを目指す者にとって、CGの基礎を理解することは、多岐にわたるシステム開発において、視覚表現に関わる要件を適切に把握し、技術的な解決策を導き出す上で重要な素養となる。 CGは大きく分けて、2次元（2D）CGと3次元（3D）CGの二つのカテゴリに分類できる。2D CGは、平面上に画像を描画する技術であり、ビットマップ画像とベクター画像が代表的な形式である。ビットマップ画像は、画素（ピクセル）と呼ばれる小さな点の色情報の集合で画像を表現する。写真や複雑な絵画に適しているが、拡大すると画質が荒くなるという特性を持つ。一方、ベクター画像は、点や線、円などの幾何学的図形を数学的な式で定義し、それらの集合として画像を表現する。ロゴやイラスト、地図など、拡大・縮小しても画質が劣化しないという利点がある。ウェブサイトのユーザーインターフェースやプレゼンテーション資料、印刷物のデザインなど、幅広い場面で利用されている。 3D CGは、仮想の3次元空間内にオブジェクトを配置し、光源を設定し、カメラの視点からその空間を撮影するかのように画像を生成する技術である。このプロセスは通常、モデリング、テクスチャリング、ライティング、レンダリング、そしてアニメーションの段階を経て行われる。 まず、モデリングは、3次元オブジェクトの形状を作成する工程である。最も一般的な手法はポリゴンモデリングであり、小さな多角形（ポリゴン）の集合で形状を表現する。より滑らかな曲面を表現するためには、NURBS（非一様有理B-スプライン）のような数学的な曲面表現が用いられることもある。これらの形状データは、頂点の座標や辺、面の情報としてコンピュータ内で管理される。 次に、テクスチャリングは、作成されたオブジェクトの表面に色や模様、質感を付与する工程である。現実世界の素材が持つ光沢や凹凸、透明感などを、テクスチャ画像やマテリアル設定によって表現する。例えば、木の表面には木の目模様のテクスチャを貼り付け、ガラスには透明度や反射率を設定するといった具合である。この工程により、オブジェクトはよりリアルな存在感を持つようになる。 ライティングは、仮想空間に光源を配置し、光の当たり方や影の生成を制御する工程である。光源の種類（点光源、方向性光源、環境光など）、色、強さなどを調整することで、シーンの雰囲気やオブジェクトの立体感を決定づける。近年では、物理ベースレンダリング（PBR）という技術が主流となり、現実世界の物理法則に基づいた光の振る舞いをシミュレートすることで、より写実的な表現が可能となっている。 レンダリングは、モデリング、テクスチャリング、ライティングによって設定された3次元シーンの情報から、最終的な2次元画像を生成する最終段階である。この過程で、光の反射、屈折、散乱、影などの計算が行われる。ラスタライズは、ポリゴンを画面のピクセルに変換する高速な手法で、主にリアルタイム処理が必要なゲームなどで利用される。一方、レイトレーシングやラジオシティといった手法は、光の経路を追跡したり、空間内の光のエネルギー伝播を計算したりすることで、より高品質で写実的な画像を生成するが、計算コストが高いため、映画や静止画の制作で用いられることが多い。 アニメーションは、これらの3Dオブジェクトに時間の経過とともに動きを与える工程である。キーフレームアニメーションでは、特定の時間におけるオブジェクトの状態（位置、回転、スケールなど）を「キー」として設定し、その間の動きはコンピュータが補間する。また、モーションキャプチャ技術は、実際の人物や動物の動きをセンサーで記録し、そのデータを3Dモデルに適用することで、より自然で複雑な動きを再現する。 CGを支える技術要素は多岐にわたる。まず、線形代数や幾何学といった数学がその根幹をなす。3D空間内の座標変換、オブジェクトの回転、光源の計算などは、行列やベクトル演算によって行われる。次に、描画アルゴリズムや物理シミュレーションアルゴリズムが、リアルな画像生成やオブジェクトの振る舞いを可能にする。さらに、GPU（Graphics Processing Unit）に代表されるハードウェアの進化は、CGのリアルタイム処理能力を飛躍的に向上させた。大量の並列計算を効率的に処理できるGPUは、現代のCG技術に不可欠な存在である。ソフトウェア面では、Maya、Blender、ZBrushといったプロフェッショナルな3DCG制作ツールや、OpenGL、DirectXといったグラフィックスAPI（Application Programming Interface）が、開発者がCGシステムを構築するための基盤を提供している。 CGの応用は、エンターテイメント産業にとどまらない。建築分野では、CAD（Computer Aided Design）ソフトウェアを用いて建物の設計を行い、完成イメージをCGで可視化することで、設計の検証や顧客へのプレゼンテーションに活用される。製造業では、製品の設計、シミュレーション、試作段階での検証にCGが不可欠であり、開発コストの削減と効率化に貢献している。医療分野では、CTスキャンやMRIなどの医用画像を3D CGとして再構築し、診断支援や手術シミュレーションに利用される。科学技術計算では、複雑なシミュレーション結果や大量のデータをCGで可視化することで、現象の理解を深める。また、近年ではVR（仮想現実）やAR（拡張現実）の技術と融合し、没入感の高い体験や現実世界とデジタル情報を融合した新たなインタラクションを生み出している。 システムエンジニアは、CG技術そのものを専門としない場合でも、これらの多岐にわたる分野でCGが活用されるシステムを構築する機会がある。例えば、CGソフトウェアを動かすための高性能なインフラストラクチャの設計・構築、CGコンテンツ制作のパイプラインを管理するシステムの開発、Webブラウザ上で動作する3D表現を実装するためのフロントエンド開発、あるいはGPUコンピューティングを活用した高速な画像処理システムの設計などが挙げられる。CGの原理と応用分野を理解することで、より高度で効率的なシステム設計や開発に貢献することが可能となる。