3DCG完全ガイド：基礎からパイプライン・ツール・最新トレンドまで徹底解説
エバープレイ編集部はじめに — 3DCGとは何か
3DCG（3次元コンピュータグラフィックス）は、コンピュータ上で立体的なモデルやシーンを作成・操作し、静止画や動画として出力する技術領域です。映画やゲーム、建築可視化、工業デザイン、AR/VR、医療可視化など用途は多岐にわたり、近年はリアルタイム描画やAI技術の導入により表現と制作フローが急速に進化しています。
歴史と背景（簡単に）
3DCGの基礎は20世紀中盤の研究にさかのぼり、1970〜90年代にレンダリング理論やモデリング手法、レンダラ（例：RenderMan）が発展しました。2000年代以降はGPUの進化によりリアルタイム描画が劇的に進化し、2010年代に入って物理ベースレンダリング（PBR）、ピクセル単位の物理モデルや高度なシェーディングが業界標準化、2016年以降はUSDやglTFのようなシーン記述フォーマットが普及しました。2018年以降はNVIDIAのRTXシリーズなどによるハードウェアアクセラレーションでリアルタイムレイトレーシングが可能になり、さらに2020年代にはNeRFなどのニューラル表現やAI支援ツールが登場しています。
3DCGの基本パイプライン
- モデリング：形状の作成（ポリゴン／サブディビジョン／NURBS／スカルプト）
- UV展開とテクスチャリング：表面の色や詳細を貼るための展開とペイント
- マテリアル・シェーディング：PBRを含む反射・拡散・法線処理
- ライティング：物理的な光源、環境光（HDRI／IBL）
- アニメーション／リギング／シミュレーション：骨格・モーションキャプチャ・流体・布など
- レンダリング：ラスタライズ、レイトレーシング、パストレーシングなど
- コンポジット・ポストプロダクション：色補正、合成、デノイズ
モデリング技術 — 主要手法と用途
モデリングには用途に応じた手法がある。ゲームやリアルタイム用途ではポリゴン（トポロジー重視）中心、映画やハイエンドビジュアルではサブディビジョンサーフェスやスカルプト→リトポロジーで高解像度モデルを作成する。工業設計やCAD寄りの用途ではNURBSやサーフェスモデリングが使われる。
- ポリゴンモデリング：汎用性が高くゲーム向け
- サブディビジョン：滑らかな曲面表現に強い
- スカルプト（ZBrush等）：有機的な高密度ディテール作成
- NURBS/サーフェス：精密設計やCADとの親和性が高い
テクスチャリングとUV展開
UV展開は3D表面を2D平面に展開する工程で、テクスチャの歪みやシーム管理が重要です。近年はペイントソフト（Substance Painter、Mari、Procreateなど）やプロシージャルテクスチャ（ノードベース）を併用して高品質なマテリアルを作ります。PBRワークフローでは、アルベド（Base Color）、メタリック、ラフネス、ノーマル、AOなど複数のマップを組み合わせて物理的に整合した見た目を実現します。
シェーディングと物理ベースレンダリング（PBR）
PBRは光学特性を物理的にモデル化することで、異なるライティング環境でも一貫した見た目を得る手法です。代表的なBRDFモデルやDisneyのアプローチ（Burleyら）に基づく実装が多く使われ、glTFやゲームエンジン、レンダラで広くサポートされています。PBRは「金属（metalness）」と「粗さ（roughness/rough）」の分離などの概念が特徴です。
ライティングと環境表現
ライティングはシーンの雰囲気を決める最重要要素です。HDRIによるImage-Based Lighting（IBL）は簡便で現実感の高い結果をもたらします。映画系ワークフローでは物理的な光源のカラーテンパや露出、ACESなどの色管理を導入して正確な色再現とダイナミックレンジ管理を行います。
レンダリング — 手法と実装の差
レンダリングは大きくリアルタイム（ラスタライズ中心、補助的にレイトレーシング）とオフライン（パストレーシング、物理的に正確なサンプル重視）に分けられます。
- ラスタライズ：GPU向けの高速描画。ゲームエンジンが主に使用。
- レイトレーシング／パストレーシング：正確な反射・屈折・シャドウ。映画や高品質静止画で多用。
- ハイブリッド：リアルタイムの反射やGIにレイトレーシングを部分的に使用する手法（近年主流）。
- デノイズ：少ないサンプル数でノイズを低減するためのAI/フィルタベースの技術が一般化。
アニメーションとシミュレーション
アニメーションはキー（キーフレーム）アニメーション、リギング、モーションキャプチャ、フェイシャルブレンドシェイプなどを組み合わせます。物理シミュレーション（流体、布、剛体、パーティクル）はHoudiniのようなプロシージャルツールや専用ソルバで行われ、映画VFXでは高精度シミュレーションとキャッシュ（Alembic等）による管理が一般的です。
ファイル形式と相互運用性
代表的なフォーマット：
- OBJ：簡易なジオメトリ/マテリアル（汎用）
- FBX：アニメーション含むやり取りで広く使用（Autodesk系）
- glTF：Web/リアルタイム向けの軽量ランタイムフォーマット（PBR対応）
- Alembic：ジオメトリキャッシュ（シミュレーションやアニメーションの交換）
- USD（Universal Scene Description）：大規模プロダクションでのシーン管理とレイヤリングを目的にPixarが開発、業界での採用が進む
主要ツールとエコシステム
代表的なソフトウェア：
- Blender：オープンソースの総合3Dツール（モデリング・レンダリング・コンポジット）
- Maya / 3ds Max（Autodesk）：プロダクション標準のモデリング/アニメーション環境
- Houdini（SideFX）：プロシージャルとシミュレーションで強力
- ZBrush（Pixologic）：スカルプトの業界標準
- Substance（Adobe）：テクスチャ作成・PBRワークフローの定番
- Unreal Engine / Unity：リアルタイムレンダリングとインタラクティブコンテンツ
- Arnold / RenderMan / V-Ray / Cycles：高品質オフラインレンダラ
制作上の実践的なポイントと最適化
- LOD（レベル・オブ・ディテール）とバウンディングでレンダリング負荷を制御する。
- 法線マップ／ディスプレイスメントで見た目の詳細を節約する。
- テクスチャの解像度と圧縮を用途（ゲーム/web/映像）に合わせて決定する。
- 色管理（sRGB / ACES）を導入し、レンダリングからコンポジットまで一貫させる。
- パイプラインでUSDやAlembicを活用し、大規模チームでのアセット共有を行う。
最新のトレンドと将来展望
- リアルタイムレイトレーシングとハードウェアアクセラレーション（NVIDIA RTX等）の普及により、リアルタイムでフォトリアルに近い表現が可能に。
- AI/機械学習：ノイズ除去、テクスチャ生成、オートリトポロジー、3D生成（NeRFやDiffusionベースの手法）などが制作フローに取り入れられている。
- ニューラル表現（NeRF等）：ビュー合成やライトフィールド表現で新しいワークフローを提案。
- glTF/GLBの普及が進み、WebやAR/VR向けの軽量な配布形式が標準化。
- USDによる大規模制作の標準化が進行中で、アセットの再利用やシーンの分散制作が容易になる。
課題と注意点
3DCGは高品質化と同時にデータ量や計算コストが増大するため、制作コスト・レンダリング時間・チーム間の標準化（命名規則・メタデータ）といったプロジェクト管理上の課題が生じます。また、AI技術の導入には著作権や倫理の問題（既存アセットの学習データ利用など）もあり、法的・倫理的配慮が求められます。
まとめ
3DCGは技術の集合体であり、モデリング、マテリアル、ライティング、レンダリング、アニメーション、そしてデータ管理といった多様な要素が組み合わさって成果物を生み出します。近年はリアルタイム表現の向上、PBRの定着、USD/glTFなどのフォーマット整備、AI/ニューラル表現の台頭により、制作手法と表現の幅が大きく広がっています。用途や目的に合わせた適切なツール選定とパイプライン設計が、効率的で品質の高い制作の鍵です。
参考文献
- Computer graphics — Wikipedia
- Physically based rendering — Wikipedia
- glTF — Khronos Group
- USD — Pixar Graphics
- NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis (Mildenhall et al., 2020)
- NVIDIA RTX — NVIDIA Developer
- Blender — Official Site
- Substance 3D — Adobe
- Houdini — SideFX
- Physically Based Rendering: From Theory to Implementation — pharr, humphreys et al.
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