コンピュータグラフィックスS 第2回 コンピュータグラフィックスの概要 システム創成情報工学科 尾下 真樹 今日の内容 • コンピュータグラフィックスとは？ • コンピュータグラフィックスの歴史と応用 – コンピュータグラフィックスの歴史 – どのような用途に使われているか – 応用例の紹介 • コンピュータグラフィックスのしくみ – ２次元グラフィックスのしくみ – ２次元から３次元へ – ３次元グラフィックスのしくみ 教科書（参考書） • 「コンピュータグラフィックス」 CG-ARTS協会 編集・出版（3,200円） – Appendix 3 – 第1章、第6章の一部 （6-1） • 「ビジュアル情報処理 －CG・画像処理入門－」 CG-ARTS協会 編集・出版（2,500円） – Appendix 3 （228～239ページ） – 第1章の一部 （1-1、1-4、1-5） – 完全には内容はかぶっていないので、 参考書の内容は各自読んでおくこと 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？ – 広い意味では、コンピュータを使って画像・映像 を扱う技術の総称 – 狭い意味では、３次元の形状データをもとに、 現実世界のカメラをシミュレートすることによって、 画像・映像を生成する技術 ３次元グラフィックス • ＣＧ画像を生成するためのしくみ – 仮想空間にオブジェクトを配置 – 仮想的なカメラから見える映像を計算で生成 – オブジェクトやカメラを動かすことでアニメーション オブジェクト 生成画像 光源 カメラ コンピュータグラフィックスの分類 • ２次元グラフィックス – 画像データ（2次元）を扱う • 画像処理、符号化 などの技術 • ３次元グラフィックス – シーンデータ（3次元） → 画像データ（2次元） • 出力データは、あくまで２次元になることに注意 アニメーション • ２次元アニメーション – 少しずつ変化する画像を 連続的に生成することで、 アニメーションになる • ３次元アニメーション – 動きのデータを与えて、連続画像を生成 コンピュータグラフィックスの概要 • コンピュータグラフィックスの主な技術 オブジェクトの作成方法 いかに自然な画像を高速に計算するか オブジェクトの形状表現 オブジェクト 生成画像 表面の素材の表現 動きのデータの生成 光源 画像処理 カメラ カメラから見える画像を計算 光の効果の表現 コンピュータグラフィックスの 歴史と応用 コンピュータグラフィックスの歴史 • ＣＧ研究の始まり（1960年代～） – E.SutherlandがSketchpadシステムを開発（1963） • 世界初のグラフィカルユーザインターフェース – T.Whitted がレイトレーシングを発表（1980） – 複数のグループによりラジオシティ法が開発さ れる（1983） • レイトレーシング、ラジオシティ法は光の影響を計算 することによって写実的なＣＧを計算するための手法 – ＣＧ画像・アニメーションが一般に使われ始める コンピュータグラフィックスの歴史 ＣＧがＴＶや映画で利用され始める（1980年～） – 最初は、TV番組のタイトルやアイキャッチの文字 などの短いカットにＣＧが使われる – 映画への応用 • ターミネータ２ (1991)、 ジュラシックパーク (1993)、 タイタニック(1997) 、 スターウォーズ(2001) など – 実写＋ＣＧの合成 Terminator 2, 1991, © Carolco コンピュータグラフィックスの歴史 • 映画などでは、フルCGよりも、実写＋ＣＧの 合成が多い – 実写では実現できないような映像のみをＣＧで 表現 – 我々の身近にある物、特に人間などはＣＧで再 現することが難しい • 少しでも不自然なところがあるとすぐに目立つ – あまり身近にないような物、実写では絶対に撮 影できないような物をＣＧで作り出す – 実写で撮影可能なものにはＣＧは使わず、実写 とＣＧを合成 3Dグラフィックスと実写の関係 • 3Dグラフィックス – 制作には労力がかかる – 存在しないものも表現可 – 人間などの再現は難しい • 実写 – 実物をそのまま撮影できる – 人間などは実写の方が向いている Jurassic Park III Universal Pictures • 両者をうまく使い分けて撮影・生成し、最終 的に合成して映像を作る方法が一般的 コンピュータグラフィックスの歴史 • フルＣＧ映画の製作（1990年代後半～） – 全ての映像をＣＧだけで製作する試み • ToyStory (1995), Shrek (2001), Monsters Inc.(2002) • Final Fantasy, The Movie (2001) Toy Story 2, 1999,© Disney・Pixar Final Fantasy, 2001, © SQUARE 実写とCGの融合 • CGによるリアルな人物の表現（2000年代～） • イメージベースド・レンダリング（モデリング） – 実際の人間のデータを計測し、 CGに利用 – 実写とCGの融合 Matrix Warner Bros. Spider-Mann 2 Sony Pictures コンピュータグラフィックスの歴史 • ショートアニメーション – ＴＶＣＭ、ミュージッククリップ、短編映画、ゲーム のオープニングムービーなど – 昔はＣＧ製作のコストが非常に高価だったため、 特に日本などでは、このような短いアニメーショ ンが主に製作されていた – 海外では、新しい実験的なCG技術がミュージッ ククリップなどに使われることが多い コンピュータアニメーションの応用 • オフライン・アニメーション – 映画やＴＶなど – あらかじめ登場人物の動きが決まっている • リアルタイム・アニメーション – コンピュータゲームなど – ユーザの操作に応じて ダイナミックに動きを変化 させる必要がある – 自然な動きを生成するの は非常に難しい VirtuaFighter, 1993, © SEGA リアルタム・アニメーションの応用 • コンピュータゲーム • 仮想スタジオ – 仮想的なセットの中で撮影 – 仮想的なキャラクタと実写 のキャラクタを合成 ウゴウゴルーガ, 1993, © フジＴＶ • マルチユーザ仮想現実環境 – ゲーム（Final Fantasy等） – コミュニケーション – 教育、トレーニング Final Fantasy Online, 2002, © SQUARE コンピュータグラフィックスの応用 • 映画 • コンピュータゲーム • ＣＡＤ • シミュレーション • 仮想人間(ヴァーチャル・ヒューマン) • 可視化（ビジュアライゼーション） • ユーザインターフェース ＣＡＤ • CAD (Computer Aided Design) – コンピュータによる設計支援 ＣＡＤの利点 • デザイン作業が簡単 – 自由にコピー、やり直しなどができる – デザイン結果がＣＧで確認できる • クライアントにアピールしやすい – ＣＧであれば非専門家にも分かりやすい • データの管理・取り扱いがしやすい – CAM (Computer Aided Manufacturing) • コンピュータによる製造支援 – 現在、自動車業界などの製造業ではデータのデ ジタル化が急速に進められつつある ＣＡＤの利点 • いろんなデザインを簡単に比較できる 日経ＣＧ 2000年7月号 p143 ＣＡＤの利点 • デザインした製品の性能・使いやすさなどを 計算機上で評価できる – CAE (Computer Aided Engineering) • コンピュータによる技術的・工学的な設計の支援 • 構造解析、空力・破壊シミュレーションなど 日経ＣＧ 1999年10月号 p142 日経ＣＧ 2000年2月号 p150 シミュレーション • シミュレーションはコンピュータグラフィックス と非常に近い技術 – 現実の物体になるべく近いモデルを計算機上に 構築するという点で共通 – シミュレーションでは、動きのモデルや、動力学 的情報（質量・慣性テンソル、摩擦係数）も必要 になる – シミュレーションの結果を利用者に表示するため にも通常ＣＧが使われる 各種シミュレーション技術 • 車、飛行機などの性能予測 • 衣服デザイン ヨットの空力解析 日経ＣＧ 2000年3月号 p117 衣服シミュレーション digital fashion, inc. ヴァーチャル・ヒューマン • 仮想的な人間を計算機上に 作り出す技術 – 骨格、筋肉、内臓などもできる だけ正確にモデル化 – 医学などにも活用 – アニメーションに応用すれば、 よりリアルな皮膚の変形などが シミュレートできる – 脳（思考）のモデル化は可能？ Visible Human Project 筋骨シミュレーション SIMM 日経ＣＧ 200年3月号 p120 ヴァーチャル・アイドル • ＣＧで作られたキャラクタ – 名前の付けられた特定の キャラクタ – 雑誌、写真集、ＴＶ番組、 ＴＶＣＭなどに登場 – 実際のタレントと同様に ＴＶ会社などと契約（？） するケースもあるらしい – ギャラは人間よりも安い？ テライユキ, 1999-, © くつぎけんいち コンピュータグラフィックスの応用 • 映画 • コンピュータゲーム • ＣＡＤ • シミュレーション • 仮想人間(ヴァーチャル・ヒューマン) • 可視化（ビジュアライゼーション） • ユーザインターフェース 可視化（ビジュアライゼーション） • 人間の目に見えない情報を、ＣＧを使って図 形にすることによって、人間が理解しやすくす るための技術 • 可視化の技術は大きく２種類に分けられる – 科学技術計算の可視化（Scientific Visualization） • ３次元空間の実体に関連した情報を可視化 – 情報可視化（Information Visualization） • 比較的最近になって研究されている技術 • ３次元空間とはあまり関係のない抽象的情報を可視化 科学技術計算結果の可視化 • シミュレーション結果などを可視化 – 流れ、電界、気象情報など ヨットの空力解析 日経ＣＧ 2000年3月号 p117 医療機器中の血液の流れ 日経ＣＧ 2000年9月号 p177 情報可視化 • 大量の情報をいかに分かりやすく見せるか – ツリー構造、グラフなどを利用 XGobi[Becker96] Spotfire INFOVISOR［NTT99］ ConeTree [Robertson91] ユーザーインターフェース • グラフィックスを用いることでユーザとコン ピュータの間の情報交換を助ける – 計算機の情報を分かりやすくユーザに伝える – ユーザの意図をなるべく簡単な操作でコン ピュータに伝える • 最近は、見た目の美しさにも力が注がれつつある ユーザー インターフェース コンピュータグラフィックスの応用 • 映画 • コンピュータゲーム • ＣＡＤ • シミュレーション • 仮想人間(ヴァーチャル・ヒューマン) • 可視化（ビジュアライゼーション） • ユーザインターフェース コンピュータグラフィックスのしくみ ２次元のグラフィックス • コンピュータの画面は、ピクセルの集まりに よってできている 光の三原色 • 赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の混ぜ合わせによっ てあらゆる色を表現することができる 教科書 p8 色の表現 • 赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の混合比で色を表現 R, G, B = (1.0, 0.0, 0.0) 各色0.0～1.0の実数で表した場合 = (255, 0, 0) 各色１バイト(0～255)で表した場合 R, G, B = (1.0, 1.0, 0.0) = (255, 255, 0) R, G, B = (1.0, 1.0, 1.0) = (255, 255, 255) R, G, B = (0.0, 0.0, 0.0) = (0, 0, 0) ピクセルの表現 • ＲＧＢによるピクセルの表現の例 R, G, B = (0.66, 0.75, 0.94) R, G, B = (0.35, 0.46, 0.17) • ＲＧＢそれぞれに8ビット（256段階）ずつ使えば24ビッ ト（=3バイト）になる • ピクセルの数が800×600であれば、必要なデータ量 は、800×600×3=1440000バイト＝約1.4MB 光の三原色と色の三原色 • 色の三原色（青緑、黄、紫） • CGでは基本的に光の三原色（加法混色）を使用する • 最終的に印刷する場合は色の混ぜ合わせが必要 – 最近のプリンタでは、より正確に色を表現するために、３種類 以上のインクを使用するものが多い ＣＧ制作独習事典 p3 光の三原色（RGB） 加法混色 色の三原色（CYMK） 減法混色 HSV色空間 • 色相(H)、明度(V)、彩度(S)により色を表現 – RGB表現に変換できる – 明るさや鮮やかさを直感的に指定できる RGB色座標系 HSV色座標系 ＣＧ制作独習事典 p7 ２次元グラフィックスの解像度 • 640x480 テレビ • 1024x768 ノートパソコン XGA • 1280x1024 パソコン SXGA • 1280x720 ハイビジョン • 1920x1080 フルハイビジョン • 1600x1200 パソコン UXGA • 2048x1024 映画 • 2480x3800 印刷 (A4,300dpi) カラーパレットを使った表現 • 画像データをパレット部とデータ部に分ける – 少ないデータ量で画像を表現できる • 例えば、画像ファイルのGIFフォーマット（最大256色） • 昔のコンピュータは、一度に出せる色の数が制限さ れていた パレット部 (0.66, 0.75, 0.94) x番目の色 y番目の色 データ部 色の解像度 Q. Windows などで色の解像度に32ビットが 選べるのはどういうことですか？ – 本来は24ビット表現（R:G:B=8:8:8）が標準 – 昔はビデオメモリが足りなかったので、16ビット 表現がよく使われていた（R:G:B=5:5:6 など） – 16ビット用のハードウェアを単純に拡張したため、 16ビットの次が32ビットになっているビデオカード がある – 24ビット（R:G:B=8:8:8）だけを色情報に使い、残 りの８ビットは使わないか、アルファチャンネルと して使用する場合が多い（詳細はドライバ依存） ２次元グラフィックスの種類 • ２次元グラフィックスを作成するための方法 （ツール）として主に３種類がある – ペイント系 – ドロー系 – レタッチ系 ペイント系 • 実際に紙と筆を使って絵を描くような作業を そのまま計算機上で行う方法・ツール – ツールの例：ペイントブラシ、Painter – マウスをドラッグすると線 が描かれる – 塗り、エアブラシ、ぼかし などの技法も使える – なるべく実際の絵描き作 業の再現が目標 • 筆がかすれる効果なども 再現 ドロー系 • 主に図を書くための方法・ツール – ツールの例：Adobe Illustrator – 線や四角などの図形を配置 – ツール側では、配置され た図形の情報を記憶 – 最終的に印刷・表示する 時に初めてピクセルデー タに変換される • ペイント系とは異なり、拡大 縮小を行っても汚くならない レタッチ系 • 写真などの画像データを修正・加工 – – – – ツールの例：Adobe Photoshop 画像の明るさや色合いなどを修正 複数の画像を合成 特殊な効果などを 加える – ペイント系の機能 を持つソフトも多い 画像の合成の例 レイヤー１ レイヤー２ ＋ ＝ カラー（RGB）チャンネル 画像とは別にアルファチャン ネルを作成することで合成 アルファチャンネル（マスク） ２次元グラフィックスの応用 • 印刷・出版 • Webページ • 動画 • コンポジション（画像・動画の合成） • 画像処理・画像認識 • これらのトピックは、本講義では扱わない ２次元から３次元へ • ３次元グラフィックス – ３次元の空間情報のデータを持つ – ３次元のデータから２次元の画像を計算によっ て生成 • ３次元グラフィックスの利点 – より立体的に正確な画像を生成できる – あらゆる視点から見た画像を簡単に生成できる – 動きのデータを与えるだけでアニメーションが生 成できる ３次元グラフィックスのしくみ • ＣＧ画像を生成するための方法 – 仮想空間にオブジェクトを配置 – 仮想的なカメラから見える映像を計算で生成 – オブジェクトやカメラを動かすことでアニメーション オブジェクト 生成画像 光源 カメラ コンピュータグラフィックスの概要 • コンピュータグラフィックスの主な技術 オブジェクトの作成方法 オブジェクトの形状表現 オブジェクト 生成画像 表面の素材の表現 動きのデータの生成 光源 画像処理 カメラ カメラから見える画像を計算 光の効果の表現 ３次元グラフィックスの特徴 • ３次元グラフィックスの利点 – より立体的・写実的に正確な画像を得ることができる – 実写では撮影できないような特殊な映像を作ることがで きる • ３次元グラフィックスの制作 – ３次元の形状データを作成する必要があるので、一方向 のみからの画像を描くのに比べると、手間がかかる – ただし、一度形状データを作成すると、 • あらゆる視点から見た画像を簡単に生成できる • 動きのデータを与えるだけでアニメーションが生成できる コンピュータグラフィックスの技術 • ＣＧ技術の研究 – 一枚の画像を生成するだけでも多くの技術が使われて いる – いかに実物に近い映像を高速に計算するか – ノンフォトリアリスティックＣＧ などもある • リアルな画像ではなく、手書き風 の画像などを生成 • ＣＧ技術の特徴 – まだ歴史が浅い – 新開発された技術はどんどん 実用化される Hatching [Praun 2001] まとめ • コンピュータグラフィックスの応用 – コンピュータグラフィックスの発展の歴史 – ３次元モデルを取り扱うあらゆる用途で利用され ている • コンピュータグラフィックスのしくみ – ピクセルとカラー – ２次元グラフィックス – ３次元グラフィックス 次回予告 • オブジェクトの形状表現・作成方法 オブジェクトの作成方法 オブジェクトの形状表現 オブジェクト 生成画像 表面の素材の表現 動きのデータの生成 光源 画像処理 カメラ カメラから見える画像を計算 光の効果の表現 演習問題 • 各自、Moodleの演習問題に回答すること – – – – 回答締め切り 4/25（水） 20:00 （厳守） 最初の回答の点数を評価に考慮する（20%） 回答には制限時間があるので注意すること 回答後には、点数のみが表示される • 正解はまだ表示されない – 締め切り後には、正解や解説が表示される – また、締め切り後に、復習用の演習問題を追加
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