科学技術と共に歩む

コンピュータグラフィックス（CG）は，1960年代初期にアメリカの計算機科学者であるアイバン・サザランドがグラフィカル・ユーザ・インタフェース（GUI）の先駆けとなるSketchpadを発明したことが起源だといわれています。コンピュータはその後も長い間，主に科学技術計算やバックオフィスなどの用途に使われてきましたが，パーソナルコンピュータやゲーム機がわれわれの日常生活の中でも使用されるようになったことで，エンターテインメントを目的とした幅広いアプリケーションが開発されるようになりました。コンピュータの性能の向上に伴い，あたかも現実世界が画面の中に広がっているかのような映像を作り出すことに対するニーズが高まると，3DCGはなくてはならない技術となりました。今日では，ゲームや映画，または広告やVR体験などにおいて，3DCGをベースとしたサービスがさまざまに誕生しています。さらにヘッドマウントディスプレイの性能も高まり，没入感の高い体験が可能となったことから，その応用範囲は広がる一方です。CGの誕生から60余年の年月を経た現在，当時には想像すらできなかったであろう劇的な性能向上を遂げたコンピュータと，それに伴う3DCG技術の発展によって，もはや実写と区別のつかないほどのリアリティを伴う映像が，ほぼリアルタイムに生成できるようになりました。

仮想現実，バーチャル空間，サイバースペース，メタバース，デジタルツイン・・・など，それぞれ些少の差異はあるものの，計算機が生み出す仮想的な空間での活動を表す用語が次々に登場し，3DCGによる新しい世界を創造するための挑戦はとどまる様子がありません。もしかしたら人類には，私たちの住む空間に相似した空間を，自分たちの手で新たに作り出したいという欲求が本質的に備わっているのかもしれません。だとしたら，3DCGというものは，それが達成されるまで常に進歩を重ね，今後も普遍的に必要とされ続けるものだといえるでしょう。

さて，このような3DCG技術も，一朝一夕で登場したわけではありません。コンピュータグラフィックス誕生からの長い期間における，地道な技術開発の積み重ねがありました。その果実を今，私たちは手にしているわけです。しかしながら，このような3DCG技術を高度に使いこなし，さらにその発展に貢献しようと考えるのであれば，その基礎を支える技術に対する理解が必要になります。そのような必要性に応えるために，本書が執筆されました。

本書では，3DCGを支える技術を，「モデリング」「レンダリング」「キャラクタアニメーション」「物理シミュレーション」の四つに分け，それぞれ独立した章で解説します。この四つの技術を，もう少し平易な言葉で表現すれば，形を作る・映像を作る・動作を作る・自然界の挙動を再現する，と言い換えることができます。「モデリング」の章では，物体の形状をサーフェスメッシュによって記述し，それを編集・加工するための諸理論を解説します。「レンダリング」の章では，物体表面の輝度計算に焦点を当て，実写並みの映像を生成する大域照明計算手法，事前計算を用いた高速画像生成法などを解説します。また，リアリズムを向上させるために必要な光の散乱といった物理現象についても説明します。「キャラクタアニメーション」の章では，アニメーション制作における標準技法であるスケルトン法について紹介し，人型を模したキャラクタモデルのためのさまざまなアニメーション編集技術を解説します。最後に「物理シミュレーション」の章では，硬い物体だけではなく，水や空気のような流れる物体を含む，複雑な自然現象の挙動を計算で求めるための手法を解説します。ここで挙げた四つのテーマは，まさに3DCGを支える基礎要素といえます。それぞれの章の執筆は，各分野の第一線で活躍する研究者が担当しました。それぞれに目覚ましい実績を持ち，豊富な経験と知識によってわが国の3DCG技術の発展を牽引してきたといえる執筆陣となっております。

本書で取り扱う内容は3DCGの基礎となる内容ですが，基礎だから簡単というわけではありません。類書に比べると，数学的に高度な内容を含むものとなっています。具体的には，理工系の大学で学ぶ解析学，線形代数学の基本的な知識が求められます。また，連続体力学および流体力学の基礎的な知識，最小二乗法などの数理最適化の知識もあると読み進めやすいでしょう。そのため，本書は理工系大学の高学年または，大学院の学生が主な読者の対象となります。もちろん，3DCGを支える理論に興味のある高校生や社会人，ゲーム制作会社に勤めているエンジニアの方，3DCGを研究の対象とすることを検討している方など，幅広い方々にも，ぜひ手に取っていただけたらと思っています。

3DCGを支える技術の理解に，本書を役立てていただければ幸いです。

2023年5月
編者　三谷純