三次元グラフィックスについてver2001/11/11

本田整形外科クリニック
本田忠

はじめに

　学会等でプレゼンするときに、手術のシュミレーションを、三次元画像でダイナミックに出せればインパクトが強いと思います。今回は三次元画像をどの様に作るか検討してみます。

用語の説明
1)ＣＧ(ComputerGraphics)コンピュータで画像を取り扱うこと。イラスト、ＣＡＤの画面
2)三次元ＣＧ(3D-CG)三次元座標データに基づく画像を取り扱うこと。
3)ＣＡＤ(ComputerAidedDesign)計算機支援設計。生産を目的とした設計に、コンピュータを利用すること。
4)ＣＡＥ(ComputerAidedEngineering)計算機支援工学。設計・製造などを目的とした工学上の様々な数値計算に、コンピュータを利用すること。
5)ＣＡＭ(ComputerAidedManufacturing)計算機支援製造。製品の製造にコンピュータを利用すること。ＮＣ(NumericalControl数値制御)工作機械の制御コード生成、製造ラインの制御、工程管理などを行う。
6)レイトレーシング(RayTracing)光線追跡法。画面の一点一点を通って視点に届く光線を、逆方向に追跡していく三次元ＣＧの手法の一つ。物体の表面反射や透過、屈折などの光学的特性を考慮できる。スピードよりも画像の品質を優先するものである。
7)シーン(scene)三次元ＣＧで作られる情景全体のこと。
8)オブジェクト(object)「もの」・「物体」のこと。箱・球・円柱・円錐・トーラスなどの基本形状や、回転体・自由曲面などの自由形状、これらを組み合わせて形状同士の和・差・積をとった複雑な形状、捩れ・せん断などの変形を加えたもの等がある。
9)テクスチャ(texture)物体の質感・材質感。色や模様、反射特性や透過特性、屈折率など。
10)プリミティブ(primitive)三次元ＣＧで形を作るときに、元になる基本的な立体形状。箱・球・円柱・円錐・トーラス・ポリゴンなど。ただし、アプリケーション・ソフトウェアによって、利用できるプリミティブの種類が異なる。
11)モデリング(modeling)物体の形状を決定すること。テクスチャを与えることを含むこともある。形状のみを作ることを「形状モデリング」ということもある。作成されるモデルは三種類で、「ワイヤフレームモデル」、「サーフェイスモデル」、「ソリッドモデル」である。
12)レンダリング(rendering)三次元の座標データから画像を描画すること。線画、面画、点画、スキャンアルゴリズムによる描画などがある。
13)モデラ(modeler)モデリングを行うためのソフトウェア。レンダリングを行うＣＧソフトウェアと組み合わせて利用される。
14)ワイヤフレームモデル(wire-framemodel)三次元物体の輪郭の稜線部分をワイヤで結ぶモデル。稜線のみで面の情報がなければ、針金細工のように描かれる。面の情報を加えることにより、隠れた稜線を描かない陰線消去も可能になる。
15)サーフェイスモデル(surfacemodel)三次元物体の形状を面だけで表現するモデル。
16)ソリッドモデル(solidmodel)三次元物体を立体形状で表すモデル。
17)シェーディング(shading)塗りつぶしのこと。面画の処理は陰面処理とシェーディングに分かれる。シェーディングには、一様なフラットシェーディング、よりリアルなフォーンシェーディング、金属を表現するメタルシェーディングなどがある。
18)テクスチャマッピング(texturemapping)物体の表面に模様を貼り付けること。たとえば、建物表面の窓等の形状を正確に与えるかわりに、写真による画像を編集して貼り付け、計算負荷を抑えながらリアルに表現できる。
19)ポリゴン(poligon)面を表す多角形。ＣＧではねじれを防ぐため、面を三角形の集合として表現することが多い。
20)シミュレーション(simulation)模倣という意味であるが、コンピュータで予測を行うこと。ＣＧはシーンのシミュレーションと言える。
21)直交座標系空間内の位置を直交する３軸の座標で表すもの。右手系と左手系がある。
右手直交座標系一般的な直交座標系といえる。親指が手前のｘ軸、人差し指が右のｙ軸、中指が上のｚ軸を表す。
左手直交座標系特にＣＧで利用される直交座標系。親指が右のｘ軸、人差し指が上のｙ軸、中指が奥のｚ軸を表す。
22)ＶＲＭＬVirtualRealityModelingLanguage.平面的ではなく三次元空間としてWebページを記述する仕組み。3D-CGとしても有力となる可能性を持つ。高速な面処理を行い、三次元空間内を歩き回ったり、物体を回転させることができる。
どんなソフトがあるのか
多種多様なソフトがありますが、代表的な物は
１）六角大王
ダウンロード
ホームページ
　非常に有名なモデリングオンリーのフリーソフトです。このソフトの特徴は、基本的に絵を描けば3Dになるという簡単さです。操作は、点と線で立体を描いて左右それぞれ対応する点を指定してやるというだけです。正確に作り込むには向いて無いように思います
２）PROJECTTEAMDoGA
homepage
DOGA-Lシリーズ（DOGA-L1　DOGA-L2DOGA-L3）
L3はシェアウェアです。新規登録(3,000円)L2ユーザ(2,000円)
　その他はフリーで、モデリングからアニメーションまでできる、プロジェクトチームDOGAの高機能ソフト。モデリング、物体への関節設定、アニメーションまで全てできますが、基本的にはアニメーション作成を主眼としたアプリケーションです、モデリングは既存のパーツを組み合わせるだけなので、あまり自由なものは作成できません(それでも四角や三角などの単純な形を使用すれば、論理的には作成できないものはありません（爆笑）)が、操作はほかのアプリケーションに比べると格段に簡単です、積み木感覚で作っていけばそれなりのものが作成できます。このソフトは3DCG初心者の入門用として設計されていると言うことです。
３）DigitalClayv1.503385KB
　粘土細工を作るように3Dモデルを作成するソフト。球や円柱、立方体など、あらかじめ用意されている9種類の基本モデルを、粘土細工のような感覚でへこませたり伸ばしたりして3Dモデルを作成する。マウスで基本モデルの表面をクリックすると、クリックした場所を中心にへこませたり伸ばしたりと変形させられ、圧力をかける向きや強さは、“ブラシ”の設定ウィンドウのスライドバーで調節できる。また、3Dモデル全体をひねったり、金平糖のような突起をつけたりする自動変形機能もあり、へこませたり伸ばしたりする操作だけでは実現できない変化をつけることも可能。作成した3DモデルはDXF、3DS、LWO、VRML形式などに出力できる。
著作権者StudioPON
homepage
シェアウェア88ドル
４）NfModelerv1.521
NURBSやメタボールによるモデリングが可能な3DCGソフト。“プリミティブ”と呼ばれる基本的なオブジェクトを組み合わせていくことで、複雑なオブジェクトを手軽に作成できる。また、少ない制御点で思いどおりの形状を表現することができるNURBSモデリングや、3D空間上で互いに引き合って融合したり反発し合うようなオブジェクト“メタボール”によるモデリングも可能だ。3D表示APIのOpenGLを使った3Dビュー上で、高速にオブジェクトの移動や視点変更が行えるほか、オブジェクトの表面をマウスでなぞって着色する3Dペイント機能も備えている。そのほか、仮想空間を移動するウォークスルーアニメーションを作成することも可能だ。
【著作権者】（有）ストーンブレイン
homepage
シェアウェア3,045円
５）VoxelPainter
　粘土細工感覚の3Dモデリングソフト。マウスドラッグで軽快に3D空間を視点移動でき、接近すると融合する“メタボール風”の性質をもった素材を、えんぴつツールや消しゴムツールで自由に増やしたり減らしたりしながら、ポリゴンの3Dモデルを作成できる。マウスカーソルで3Dモデルをポイントした際、素材を増減させた後の変化がプレビュー表示されるため、失敗をおそれず手軽に3Dモデルを作成できる仕組みだ。また、3Dモデルの表面をペイントソフトと同じようにペンで自由に着色できる。ペンの太さと濃度はそれぞれ6段階で変更でき、色をパレットから選択したり、作成中の画面からスポイトツールで抽出することが可能。作成した3Dモデルは、独自のVOX形式のほか、モデリングソフト「Metasequoia」のMQO形式、Webブラウザーで閲覧できるWRL形式の3種類で保存できる。
【著作権者】Ko-Ta　氏
homepage
フリーソフト
６）Pob.ray
POV-Ray-thePersistenceofVisionRaytracer
homepage
POV-Ray(PersistenceofVisionRayTracer):誰でも、どんなコンピュータでも使える無料で本格的なレイトレーサ。「POV-RayTeam」と呼ばれる多国籍のボランティアの開発チームに支えられている。PersistenceofVisionは「残像」という意味で、サルバトーレ・ダリの絵「PersistenceofMemory(記憶の固執)」を意識して名づけられている。POV-Ray用のモデラには、POVSB(POVSceneBuilder)、BreazeDesignerなどのフリーソフトウェア、Moray、sPatchなどのシェアウェア、その他がある。フリーの3Dソフトで最も強力な機能を持つ、機能的にはDOGAL2の機能を一回り強化したようなソフト、ただしテキストベースです。テキストベースというのは、プログラムのように特別な文章を打ち込んで使用するインターフェイスを言います。例としては、物体の座標を指定するのだという単語を打ち込んでx,y,zの三つの数字で物体の座標を指定します、そして同じようにカメラの座標、注視点を指定すると、最も単純なレンダリング結果を得ることができますまた当然このソフトは、静止画のみではなく複雑なアニメーションも作成することができます。テキストベースであると言うことをのぞけばこのソフトにできないことはないと言われています、レンダリング能力も市販のソフトと遜色は全くありません。
CyberCanvas
homepage
POV-RayとTerragenのコンピュータグラフィクス、3次元アニメーションや立体画像の作成法
７）ShadeDebut
ExpressionToolsonline
homepage
Shadeシリーズ
ShadeProfessionalR5（168,000円）、ShadePersonalR5（59,800円）、ShadeDebutR5（29,800円）の三種類。（いずれもWin/Mac）
８）その他のソフト
homepage
　TopCGLink
窓の杜-3DCG
listYahoo!コンピュータ-フリーソフト＆シェアウェア
list3Dグラフィック
まとめ
　最初に初心者向けのソフトを使って、いろいろためしてみて、いずれはＰＯＶーRAYへというのも手です。こりだせばキリのない世界ですが、単純な手術アニメーションであれば、簡単なソフトで十分という感じですね。
参考文献
１）ＣＧのための用語集
図形科学ⅡＣＧのための用語集