本記事では基本情報技術者試験や応用情報技術者試験に出題される分野の１つコンピュータグラフィックス技法についての概要を整理しております。
この分野になじみのない方はぜひ本記事を読んでいただき、コンピュータグラフィックス技法における全体像とそれぞれの概要を理解できるようになりましょう！
目次
コンピュータグラフィックス技法とは？
コンピュータグラフィックス技法とはコンピュータを使って画像や映像を作成する技術のことです。
英語表記でComputer Graphics、略してCGと言われます。（おそらく略称の方が聞きなじみがあるかと思います。）
代表的な使用シーンではゲームやアニメがあげられます。
簡単な仕組みと用語説明
コンピュータグラフィックスには様々な技術がありますが、基本情報や応用情報でよく出題される部分をもとに解説していきます。
まずCGや画像や映像を作成するための工程を大きく分けると以下の２つになります。
- モデリング
- レンダリング
モデリングとは、物体やキャラクターなどの立体的な形状をデジタル空間で作成するプロセスのこと。
つまり、モノを形作る工程。
レンダリングとは、3次元の仮想空間や物体を2次元の画像や動画として生成するプロセスのこと。
つまり、モデリングで作成した物体を画像や映像に変換する工程。
以降ではそれぞれの工程における主たる技術について解説してきます。
こちらも基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の頻出問題に合わせて紹介していますので、しっかりチェックしていきましょう。
モデリング
ワイヤーフレームモデル
オブジェクトの形状や構造を、線分（エッジ）の集合として表現します。
初期のコンピュータグラフィックスやCAD（Computer-Aided Design）システムで広く使用されてきましたが、現在ではポリゴンモデリングが主流となっています。
そのためワイヤーフレームモデルは、視覚化や編集の目的で使用されることが多くなりました。
サーフェスモデル
物体の外部表面の形状を主に定義するモデリング技法です。
ソリッドモデルとは逆で物体が「空洞」であるものとして表現されます。
外観や形状を柔軟に変更できることが特徴です。
基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、よくこのサーフェスモデルから詳細技術の問題が出題されますので、今回は以下の2種類を抑えておきましょう。
メタボール
複数の球体を重ね合わし、組み合わせることで滑らかな立体物を表現する技術のことをさします。
滑らかな表面を作り出せるという特徴から、液体や炎、煙の作成にも使用されます。
ポリゴンモデリング
ポリゴン（通常は三角形や四角形）を使って、物体やキャラクターなどの形状を表現します。
柔軟性と幅広い適用範囲から、映画、ビデオゲーム、アニメーション、建築、製品デザインなどの分野で広く使用されている技術です。
ソリッドモデル
物体の外部だけでなく内部の形状を表現します。
つまり、物体が「空洞」でなく、中身が詰まった「固体」としてモデル化をする技術です。
物体の密度や物体の切断、接合をコンピュータ内でできることから、自動車などの工業製品のモデル化に使用されることがあります。
レンダリング
ラジオシティ
光の放射や反射の物理法則に基づいてシーンの照明を計算する方法です。
物体同士の間接光の影響を考慮することができ、柔らかく自然な影を生成することが特徴です。
シーン全体の照明を考慮し、光の拡散と反射の効果を再現するため、リアルな影を生成します。
一方、計算量が多くリアルタイムのアプリケーションには適していません。
レイトレーシング
光線がシーン内の物体と交差するかどうかを追跡し、それに応じて光の挙動を計算する方法です。
リアルな影、反射、屈折を実現できることが特徴です。
一方、こちらもラジオシティと同様に計算量が多いためリアルタイムのアプリケーションには適していません。
Zバッファ法
視点から見て隠れている部分を除外する手法です。
2Dでの画像や映像の中で複数の物体同士が重なっている場合、どの物体を手前に描くか、どの物体を背後に描くかを決める必要があります。
各ピクセルごとに「深度」という数値を記録し、その前後関係を表現するという仕組みになります。
その他用語や関連技術
モデリング変換
単体で存在する3D素材を複数の素材が存在する立体空間に配置してくことをさします。
物体（アニメの人物など）をコンピュータで表現する際は、座標を使い物体の大きさや形を作り出しますが、立体空間に複数の物体を配置する際にも同様に座標を使うことになります。
難しい言葉だとローカル座標系から、ワールド座標系に変換するという解説もありますが、初学者は上述のイメージで理解できれば良いです。
個人的にわかりやすい解説だなと感じる方の記事を以下に貼っておきますので、私の超簡単な説明と合わせて読んでいただけるとより理解が深まると思います。
まとめ
今回はコンピュータグラフィックス技法について代表的な技術の紹介をしました。
基本情報技術者試験や応用情報技術者試験に向けて勉強をする際、あまりよくわからないなぁと感じていた方も今回の説明で腹落ちさせて理解できるようになれば幸いです。
他にも、ITの資格や基本情報技術者試験の勉強法についての記事も書いております。
以下のリンクから内容を見ることができますので、ぜひご覧になってみてください！
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