CGエンジニア検定試験のおすすめ参考書・テキスト
【CGエンジニア検定は独学で合格できる?難易度や取得メリット、おすすめの勉強法まで】も確認する
CGエンジニア検定の概要
CGエンジニア検定は、ソフトウェアや関連するハードウェア、システムの開発ができる能力が求められます。CGプログラマなどのプログラマ、ソフトウェアエンジニアなどのエンジニアを対象に作られた試験です。エキスパートとベーシックの二つにレベルが分かれています。
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CGエンジニア検定試験の公式テキスト
検定試験の運営元のCG-ARTSから公式テキストと問題集が発行されています。参考書と問題集の両方を学習することで、合格まで最短ルートで進むことができます。
CGエンジニア検定の公式テキスト・問題集
1．「コンピュータグラフィックス[改訂新版]」(画像情報教育振興協会)
CGのソフトウェア開発を行うための理論や手法を一冊に凝縮した専門書。精度の高い記述で、画像生成の仕組みから最新研究のアルゴリズムまで事例を盛り込み、CGエンジニアに必要な内容をわかり易く解説しています。
2．「ビジュアル情報処理 CG・画像処理入門[改訂新版]」(画像情報教育振興協会)
今まで別々に扱われてきたCGと画像処理の基礎をまとめた新しい視点の入門書。豊富な図版、使いやすい傍注など、初心者にもわかり易い工夫が特徴です。
3．「CGエンジニア検定エキスパート・ベーシック公式問題集[改訂第三版]」(画像情報教育振興協会)
過去に出題された問題などを練習問題として再編。エキスパート3回分、ベーシック3回分を掲載した実践形式の問題集です。解説・解答が別冊となっているので答え合わせも効率良くできます。
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目次 – コンピュータグラフィックス [改訂新版]
はじめに
本書は、公益財団法人画像情報教育振興協会(CG-ARTS)が高度情報化社会にふさわしい画像情報教育を実現するために長年に渡って展開してきた諸活動の一環として、2004年9月に出版した書籍「コンピュータグラフィックス』の改訂新版である。
旧版も、当時のコンピュータグラフィックス(CG)技術を総合的に理解させるために周到に設計された標準カリキュラムにそって編纂されており、発刊以来多くの読者に利用していただいてきた。しかし、その後のCG技術の進展には目を見張るものがあり、その状況を極力反映すべく、約10年ぶりに改訂を試みた次第である。
旧版と同様に、本書は8つのchapterとappendixから構成されている。全体は50節・299項に分かれているが、旧版と比較して新規に5節・45項が追加され、103項が加筆・修正されており、総頁数も90頁近く増えている。
新版でも、旧版で好評だった全ページカラー印刷の利点を活かすとともに、傍注において、補足説明や、互いに家接に関係する説明箇所の明示、用語の定義、数式の解釈などを通強し、参考文献・図書も一層充実させている。さらに、旧版に対して寄せられた読者諸氏からのフィードバックも踏まえ、全編にわたってより正確かつ分かりやすい記述を心掛け、図版のリデザインや紹介する最新作品の吟味にも手間を惜しまなかった。
chapter1はディジタルカメラを使った撮影を例にとって、画像生成のしくみをそこに関わる技術を俯瞰し、本書全体の地図としての役割を担っている。続くchapter2から5までの4つのchapterがCG技術のコアにあたる。chapter6では高度な画像生成を目指すうえで欠かせない画像処理技術に関する基礎事項が説明されている。
より詳しい内容については、姉妹編の「ディジタル画像処理」も参照してほしい。chapter7は、旧来の枠組みに収まらない、視覚に訴える新しいCG技術の可能性を示している。またchapter8からは、CGハードウェアとソフトウェアに関する最新の状況を知ることができる。さらにappendixでは、きわめて重要な関連分野である知覚と知的財産権の基本事項、そしてCGの歴史がまとめられ、映像を生成・共有する際の基本的マナーや知識を学習することができる。
本書はCG技術の標準的な教科書を目指して編集されているが、同時にCG-ARTSが実施している「CGエンジニア検定エキスパート」を受験しようとする方のための指南書の役割も果たしている。同検定は、CGの技術的側面に対する知識の理解度を測る検定試験であり、これまでにもさまざまな教育機関や企業等で活用されてきている。本書と合わせて、学習達成度の確認等に活かしていただければ幸いである。
最後に、多忙きわまりないなか多くの時間をかけてくださった執筆者ならびに編集委員の皆様、掲載作品をご提供いただいた皆様、原稿の校正にあたり、貴重なコメントを頂載した皆様、本書をまとめるにあたり、随所で参考にさせていただいた協会発行の既刊書籍の執筆者や編集委員の皆様、そして執筆・福集の大幅な遅れを取り戻すために献身的に作業してくださった程集担当者ならびに協会の皆様に、衷心より謝意を表します。
2015年3月「コンピュータグラフィックス」編集委員会
編集委員長 藤代一成
編集副委員長 斎藤隆文
編集副委員長 乃万司
contents
１CGとディジタルカメラモデル
1-1ディジタルカメラモデル
1-1-1ディジタルカメラでの撮影
1-1-2ディジタルカメラモデルからみたCG技術
1-2ディジタル画像の基礎
1-2-1画像のディジタル化
1-2-2ベクタ表現とラスタ表現
1-3CGと画像処理
1-3-1ディジタルカメラモデルと画像処理
1-3-2CGにおける画像処理の利用
2座標変換とパイプライン
2-12次元座種変換
2-1-12次元座標系
2-1-22次元図形の基本変換
2-1-3同次座標
2-1-42次元座根系における合成変換
2-1-52次元アフィン変換
2-1-6補足説明/変換行列の表記法
2-23次元変換
2-2-13次元座標系
2-2-2簡単なモデリング
2-2-3同次座標と3次元の基本変換
2-2-43次元座標系における合成変換
2-2-5補足説明/同次座標による平行移動の行列表現
2-3投影
2-3-1投影の原理
2-3-2ビューボリュームと投影
2-3-3投影のさまざまな性質
2-4ビューイングバイブライン
2-4-1ビューイングパイプラインの原理
2-4-2ビューイングパイプラインの利用
2-4-3クリッピング
2-4-4モデリング
2-5描画パイプライン
2-5-1典型的な描画パイプライン
2-5-2シェーダによる描画
2-5-3描画パイプラインとさまざまな手法
3モデリング
3-1形状モデル
3-1-1ワイヤフレームモデル
3-1-2サーフェスモデル
3-1-3ソリッドモデル
3-1-4形状モデルと表示
3-2ソリッドモデルの形状表現
3-2-1CSG表現
3-2-2境界表現
3-2-3スイープ表現
3-3境界表現のデータ構造と局所変形
3-3-1境界表現のデータ構造
3-3-2オイラー操作
3-4曲線・曲面
3-4-1曲線・曲面の表現形式
3-4-22次曲線
3-4-3パラメトリック曲線
3-4-4パラメトリック曲面
3-4-5レンダリングにおける曲面の扱い
3-5ポリゴン曲面の表現
3-5-1ポリゴン曲面
3-5-2分割曲面
3-5-3詳細度制御
3-5-4平滑化処理
3-5-5パラメータ化
3-5-6セグメンテーション
3-5-7電子透かし
3-5-8形状検索
3-6ボリュームを用いた形状表現
3-6-1ボクセル
3-6-2八分木
3-6-3メタボール
3-6-4陰関数表現
3-6-5等値面抽出
3-7そのほかの形状表現法
3-7-1パーティクル
3-7-2ポイントベーストモデリング
3-7-3フラクタル
3-8補足説明
3-8-1補足説明/補集合を用いた集合演算
3-8-2補足説明/代数曲線・代数曲面と一般式
3-8-3補足説明/超2次曲線
3-8-4補足説明/2項定理を用いたド・カステリョのアルゴリズムの導出
3-8-5補足説明/2次曲面・トーラス面
3-8-6補足説明/除関数曲面の法線ベクトル
3-8-7補足説明/描画ソフトウェアで用いられる3次ベジェ曲線
3-8-8補足説明/細分割曲面の具体例
4レンダリング
4-1写実的表現法
4-1-1写実的表現のレベル
4-1-2リアリティの要素
4-1-3写実的表現のためのモデリング
4-1-4レンダリングを構成する処理
4-2隠面消去
4-2-1バックフェースカリング
4-2-2隠面消去法
4-2-3優先位アルゴリズム
4-2-4スキャンライン法
4-2-5Zバッファ法
4-2-6レイトレーシング法
4-3シェーディング
4-3-1シェーディングの基礎と概要
4-3-2環境光
4-3-3拡散反射
4-3-4鏡面反射
4-3-5完全面反射・透過・屈折
4-3-6錯乱・減衰
4-3-7スムーズシェーディング
4-4影付け
4-4-1本影と半影
4-4-2平行光線・点光源による影
4-4-3大きさをもつ光源による影
4-5マッピング
4-5-1マッビングの概要
4-5-2テクスチャマッピング
4-5-3バンプマッピング
4-5-4環境マッピング
4-5-5ソリッドテクスチャリング
4-6イメージベーストレンダリング
4-6-1イメージベーストレンダリングの概要
4-6-2テクスチャマッピングアプローチ
4-6-3画像再投影アプローチ
4-6-4パノラマ画像アプローチ
4-6-5ビューモーフィングアプローチ
4-6-6レイデータベースアプローチ
4-6-7イメージベーストライティング
4-7大域照明計算
4-7-1レンダリング方程式
4-7-2ラジオシティ法
4-7-3モンテカルロ法に基づくレンダリング技法
4-7-4マルコフモンテカルロ法に基づくレンダリング技法
4-8補足説明
4-8-1補足説明/隠線消去
4-8-2補足説明/レイトレーシング法におけるレイと物体との交差判定
4-8-3補足説明/放射量と測光量の対比
4-8-4補足説明/レンダリング方程式
4-8-5補足説明/ラジオシティ法
5アニメーション
5-1CGアニメーションの構成
5-1-1アニメーションとは
5-1-2仮現運動とコマ撮り
5-1-3さまざまなアニメーションの表現形態
5-1-4CGアニメーションに適用される各種アニメーション技法
5-1-5カメラワーク
5-2キーフレームアニメーション
5-2-1キーフレーム法とスケルトン法
5-2-2キーフレームの補間
5-2-3形状変形アニメーション
5-2-4自由形状変形
5-3手続き型アニメーション
5-3-1進化・成長のアニメーション
5-3-2自然現象のアニメーション
5-3-3パーティクルの応用
5-3-4AIを利用したアニメーション
5-4キャラクタのアニメーション
5-4-1フォワードキネマティクス
5-4-2インバースキネマティクス
5-4-3パスアニメーション
5-4-4モーションキャプチャデータによるアニメーション
5-4-5筋肉変形アニメーション
5-4-6表情のアニメーション
5-4-7布地のアニメーション
5-4-8髪の毛のアニメーション
5-4-9群集(フロック)アニメーション
5-5物理ベースアニメーション
5-5-1体の物理シミュレーション
5-5-2弾性体の物理シミュレーション
5-5-3衝突判定
5-6リアルタイムアニメーション
5-6-1リアルタイムアニメーションの手法
5-6-2レンダーマンとリアルタイムシェーダー
5-6-3ゲーム物理
5-7実写映像との合成
5-7-1実写映像との合成時の条件
5-7-2カメラバラメータの整合
5-7-3照明条件の整合
6画像処理
6-1ディジタル画像の表現
6-1-1画像のダイナミックレンジと階調表示
6-1-2色の表現
6-1-3画像の圧縮とファイル形式
6-22次元画像の生成と描画
6-2-1ラスタ化による図形の描画
6-2-2画像生成時のアンチエイリアシング
6-2-3塗りつぶし処理
6-2-4ブラシ処理
6-2-5グラデーション生成
6-3画ごとの濃淡変換と色変換
6-3-1ヒストグラム
6-3-2トーンカーブ
6-3-3各種の濃淡変換
6-3-4西表ごとの変換による特殊効果
6-3-52値化
6-3-6色変換
6-3-7擬似カラー
6-4領域に基づく画像変換(空間フィルタリング)
6-4-1空間フィルタリング
6-4-2平滑化
6-4-3エッジを保存した平滑化
6-4-4エッジ抽出-
6-4-5鮮鋭化
6-4-6領域に基づく変換による特殊効果
6-5画像の何学的変換
6-5-1画像の何学的変換
6-5-2画像の再標本化と補間
6-5-3本化時のアンチエイリアシング
6-6画像の編集
6-6-1画像間演算
6-6-2画像のセグメンテーション
6-6-3イメージモザイキング
6-6-4自然な画像サイズ変更
6-6-5接続が自然な画像合成
6-6-6画像の領域補完
6-6-7画像からのテクスチャ合成
6-6-8深層学習による画像編集
6-7補足説明
6-7-1補足説明/画像ファイル形式一覧
7視覚に訴えるグラフィックス
7-1コンピュテーショナルフォトグラフィ
7-1-1カメラの基礎―露出
7-1-2カメラの基礎一フォーカス
7-1-3コンピュテーショナルフォトグラフィの考え方
7-1-4光線の記録とその利用
7-1-5符号化撮像
7-2ノンフォトリアリスティックレンダリング
7-2-1NPRの概要と特徴
7-2-2NPRの目的と種々の表現技法
7-2-3線を入力とするNPR
7-2-42次元画像を入力とするNPR
7-2-53次元形状を入力とするNPR
7-2-6形状の表現
7-2-7アニメーションへの対応
7-2-8NPAの描画実現方法の分類
7-3可視化
7-3-1サイエンティフィックビジュアライゼーション
7-3-2可視化処理の流れとデータマッピングの選択
7-3-33次元スカラデータの可視化
7-3-4ベクトル・テンソルデータの可視化
7-3-5情報可視化
7-3-6周辺技術との接点
8CGシステム
8-1CGシステム
8-1-1CGシステムの応用
8-1-2CGシステムの構成
8-1-3コンピュータネットワーク
8-2CG用ソフトウェア
8-2-1ソフトウェアの構成
8-2-2プログラム記述言語
8-2-3グラフィックス用API
8-2-4CGアプリケーションソフトウェア
8-2-53次元モデル記述言語・フォーマット
8-3リアルタイム3次元CGシステム
8-3-1並列処理
8-3-23次元CGハードウェアの変遷
8-3-33次元CGハードウェア上での処理の流れ
8-3-4GPUを利用したCG処理
8-3-5CGハードウェアの性能評価
8-43次元データ入力装置
8-4-13次元ディジタイザ
8-4-2モーションキャプチャ装置
8-4-33次元座標入力装置/フォースディスプレイ
8-4-4関節角入力装置
8-53次元データ出力装置
8-5-1メガネ方式両眼立体視
8-5-2メガネなし方式裸眼立体視
8-5-3ヘッドマウントディスプレイ
8-5-43次元ディスプレイのためのフォーマット
8-5-5ホログラフィ
8-5-6ボリュームディスプレイ
8-5-7切削加工装置
8-5-83Dプリンタ
8-6記録メディア
8-6-1画像記録メディア
appendix
a-1知覚
a-1-1服の構造と視野
a-1-2色の見え
a-1-3形の見え
a-1-4大きさの恒常性
a-1-5動きの見え
a-1-6見えの3次元性
a-1-7視線の動き
a-2知的財産権
a-2-1知的財産権の概要
a-2-2著作物利用のルールと権利処理の流れ
a-2-3著作権侵害
a-2-4©(マルシー)マークによる著作権表示
a-3CGの歴史
a-3-11940年代~1960年代 CGの誕生
a-3-21970年代前半 CG技術の実用化に向かって
a-3-31970年代後半~1980年代 グラフィックス製品の怪立と実用化
a-3-41990年代~現在 CGの産業応用
参考文献・参照文献
index
目次 – CGエンジニア検定エキスパート・ベーシック公式問題集[改訂第三版]
Contents
問題集
検定の紹介
出題範囲
本書の使い方
練習問題
エキスパート
練習問題1
練習問題2
練習問題3
ベーシック
練習問題1
練習問題2
練習問題3
別冊(巻末差込冊子)
解説・解答
エキスパート
練習問題1 解説・解答
練習問題2 解説・解答
練習問題3 解説・解答
ベーシック
練習問題1 解説・解答
練習問題2 解説・解答
練習問題3 解説・解答
検定の紹介
CG-ARTSの5つの検定
5つの検定は、画像を中心とした情報分野を扱う点でリンクしています。テーマや範囲が重なり合うため、1つの検定を学ぶことが、ほかの検定の学習につながっています。
マルチメディア検定で基礎知識の土台を固め、4つの検定で高度な専門知識を習得!
CGクリエイター検定
画像処理エンジニア検定
Webデザイナー検定
CGエンジニア検定
マルチメディア検定
検定の特徴
変化に対応できる人材の育成
特定のソフトウェアやマシン環境に依存しない知能の理解とその応用力を評価、プロフェッショナルに求められる専門知識の習得を評価し、つねに新しい知験や技術を習得して変化に対して柔軟に対応できる能力を重視します。
75万人が受験、34万人の合格者が活躍
CG-ARTSが次代の産業、文化、社会を担う人材の育成を目指し、初めてCG試験(検定)を実施したのは1991年、その後、検定は時代のニーズに合わせてカタチを変え、現在に至ります。これまでに約75万人が受験、約34万人の合格者が、産業界・文化・学術・教育界で活躍しています。
300人の専門家による信頼の内容
検定試験やテキストのベースとなるカリキュラムは、作現場で活躍するクリエイター、エンジニア、そして企業の開発部門や大学などの教育機関に所属する研究者、約300名の協力により作成、専門領域ごとに体系的、網羅的に内容がまとめられています。
ベーシックとエキスパートで着実にステップアップ|
現場で役立つ実践・実務能力の習得を目指したカリキュラムに基づき、ベーシックでは専門知の理解を、エキスパートでは専門知族の理解と応用を評価、学習に応じて、無理なくステップアップがはかれます。
検定実施の詳細は、Webサイトをご覧ください。
www.cgarts.or.jp/kentei
4つの専門知識を支える検定マルチメディア検定
こんな職種にオススメ
ビジネスパーソン全般
コンピュータや周辺機器、インターネット、ディジタルコンテンツ、携帯電話、知的財産権、マルチメディアの社会応用などに関する幅広い知識を測ります。
CGクリエイター検定
こんな職種にオススメ
CGデザイナー、CGアニメータ、ゲームクリエイター、CGモデラ、CGディレクター、グラフィックデザイナー
デザインや2次元CCの基礎から、構図やカメラワークなどの映像制作の基本モデリングやアニメーションなどの3次元CG制作の手法やワークフローまで、表現に必要な多様な知法を測ります。
Webデザイナー検定
こんな職種にオススメ
Webデザイナー、Webプロデューサ、Webプランナ、Webプログラマ、広報、営業・販売
コンセプトメイキングなどの準備段階から、Webページデザインなどの作業、テストや評価、運用まで、Webデザインに必要な多様な知識を測ります。
CGエンジニア検定
こんな職種にオススメ
CCプログラマ、ゲームプログラマ、ソフトウェアエンジニア、CADエンジニア、テクニカルディレクター
アニメーション、映像、ゲーム、VR、ARアプリなどのソフトウェアの開発やカスタマイズ、システム開発を行うための知法を測ります。
画像処理エンジニア検定
こんな職種にオススメ
エンジニア、プログラマ、開発・研究者
工業分野、医用、リモートセンシング、ロボットビジョン、交通流計測、バーチャルスタジオ、画像映像系製品などのソフトウェアやシステム、製品などの開発を行うための知識を測ります。
出題範囲
CGエンジニア検定エキスパートとベーシック
エキスパート
CGの技術に関する専門的な理解と、ソフトウェアやハードウェア、システムの開発に知識を応用する能力を測ります。
CGとディジタルカメラモデル
ディジタルカメラモデルを用いたコンピュータグラフィックスの原理についての知識
◆ディジタルカメラモデル◆ディジタル画像の基礎◆CGと画像処理
座標変換とパイプライン
座標と座標変換、パイプラインについての知識
◆2次元座標変換◆3次元変換◆投影◆ビューイングパイプライン◆描画パイプライン
モデリング
コンピュータで形を数値的に記述するモデリング技術についての知識
◆形状モデル◆ソリッドモデルの形状表現◆境界表現のデータ構造と局所変形◆曲線・曲面◆ポリゴン曲面の表現◆ボリュームを用いた形状表現◆そのほかの形状表現法
レンダリング
写実的な表現を行うための表示手法に関する知識レンダリング
◆写実的表現法◆陰面消去◆シェーディング◆影付け◆マッピング◆イメージベーストレンダリング◆大域照明計算
アニメーション
コンピュータを利用したアニメーションに関する知識
◆CGアニメーションの構成◆物理ベースアニメーション◆キーフレームアニメーション◆リアルタイムアニメーション◆手続き型アニメーション◆実写映像との合成◆キャラクタのアニメーション
画像処理
CGで利用する立場からの2次元ディジタル画像の表現、描画処理、画像変換などの画像処理の基本的知識
◆ディジタル画像の表現◆2次元画像の生成と描画◆画素ごとの濃淡変換と色変換◆領域に基づく画像変換(空問フィルタリング)◆画像の後何学的変換◆画像の組集
視覚に訴えるグラフィックス
新しいCG表現として注目されるコンピュテーショナルフォトグラフィやノンフォトリアリスティックレンダリング、可視化などに関する知識
◆コンピュテーショナルフォトグラフィ◆ノンフォトリアリスティックレンダリング◆可視化
CGシステムの概要
CGシステムの概要、ハードウェアやソフトウェア、CGの制作や表示を行うために利用する周辺機器に関する知識
◆CGシステム◆CGシステム◆CG用ソフトウェア◆リアルタイム3次元CGシステム◆3次元データ入力装置◆3次元データ出力装置◆記録メディア
関連知識
◆知覚◆知的財産権◆CGの歴史
ベーシック
CGの技術に関する基礎的な理解と、プログラミングなどに知識を利用する能力を測ります。
ディジタルカメラモデル
ディジタルカメラモデルとビジュアル情報処理の原理を対応づけて理解する知識
◆ビジュアル情報処理とディジタルカメラモデル◆座標系とモデリング◆ビジュアル情報処理の機何学的モデル◆ビジュアル情報処理の光学的モデル◆ディジタル画像◆画像処理の分類と役割
モデリング
コンピュータで形を数値的に記述するモデリングに関する知識
◆形状モデル◆ソリッドモデルの形状表現◆曲線・曲面◆ポリゴン曲面の表現◆そのほかの形状生成手法
レンダリング
ディジタルカメラモデルにおける基本的な表示手法と、写実的な表現を行うための表示手法や、ビジュアライゼーションのための画像生成手法、非写実的な描画方法の知識
◆レンダリングの処理過程◆陰面消去◆シェーディング◆影付け◆マッピングイメージベーストレンダリング◆大域照明計算◆ボリュームレンダリング◆ノンフォトリアリスティックレンダリング
アニメーション
多数の静止画を連続表示して動きを見せるアニメーションの知識
◆CGアニメーションの構成◆キーフレームアニメーション◆手続き型アニメーション◆キャラクタのアニメーション◆物理ベースアニメーション◆リアルタイムアニメーションと実写映像との合成
画像の濃淡変換とフィルタリング処理
画像の濃淡変換に関する各種処理技術についての知識
◆画像の性質を表す◆画素ごとの濃淡変換◆領域に基づく濃淡変換(空間フィルタリング)◆そのほかの処理
ビジュアル情報処理システム
高度なビジュアル情報処理技術であるコンピュテーショナルフォトグラフィや一般的なコンビュータシステム、ビジュアル情報処理、CG専用システム、周辺機器の知識
◆CGと画像処理の融合ビジュアル情報処理用システム◆ビジュアル情報処理用ソフトウェア◆リアルタイム3次元CGシステム◆入出力装置◆画像ファイル形式と記録方式
関連知識
◆知覚◆知的財産権と情報セキュリティ◆ビジュアル情報処理の歴史と応用
本書の使い方
問題
CG-ARTSが実施した検定試験問題などを練習問題として再編し、エキスパート3回分ベーシック3回分の練習問題を掲載しています。
解説・解答
CGエンジニア検定エキスパート・ベーシックの検定問題についてより深く理解するため、取り外しができる「解説・解答」の小冊子を巻末に添付しています。
出題領域
問題がP.6・7の出題範囲一覧のどの領域に対応しているかを表記しています。
問題テーマ
どのようなテーマについて問う問題なのか表記しています。
解説
正解答を導くための考え方を各設問ごとに解説しています。
解答
正解答を表記しています.
KEYWORD
問題を理解するうえで知っておくべきKEYWORDについて、対応テキストで解説しているchapterを表記しています。各レベルの対応テキストは以下のとおりです。
エキスパート:『コンピュータグラフィックス[改訂新版] 』
ベーシック:『ビジュアル情報処理-CG・画像処理入門[改訂新版]』
目次 – POV-Rayによる3次元CG制作 -モデリングからアニメーションまで-
推薦の言葉
計算機の発展と普及により、図の役割がますます重要になってきています。まさに言語から図への情報シフトの時代といえるでしょう。
とくに、各種のプレゼンテーションや教材作成において、計算機による立体表現は不可欠です。また、各種の形状設計や造形の分野でも、さまざまな過程において立体を取り扱う必要に迫られます。科学の分野でも観測データや理論データの表現手段として立体表現が援用されます。したがって、このような立体表現、いいかえれば立体情報の可視化技術の習得は、これからの時代をリードする人々に求められる必要条件といえるでしょう。
古くは、ルネサンス時代に考案された遠近法の技術がこれにあたります。そこで、重要なのは、この種の方法が、一定の客観的方法に則っていること、すなわち、特殊な画家の才能などに依存しない現在の言葉でいえば、科学技術となったことです。この種の客観的可視化の手段としての遠近法が、西欧における、ルネサンス以降の脱神、人間の視覚に基づいた文化の進展の原動力となったことはよく知られています。
われわれは、現在、さらに進んだ状態にいます。3次元CGソフトウェアを使用すれば、古来の透視図はもちろん、光や素材感などを交えたより複雑な立体形状の可視化が可能となりました。この種のソフトウェアにはさまざまなものがあり、目的に応じて選択し学ぶ必要があります。その際、価格や汎用性も考慮されねばならないでしょう。その点、フリーソフトウェア(無料)であり、汎用性も高いPOV-Rayは最適なもののひとつです。
本書は、このPOV-Rayを使用して立体表現、すなわち、3DCGの基礎を学ぶ入門書です。本書は、ソフトウェアを使用しながら、やさしい課題から徐々に複雑な課題へと進展する構成をとっており、知らず知らずのうちに、ソフトウェアの操作法が習得できます。さらに、その段階的構成によって、基本となる立体の幾何学表現をベースに、その移動、拡大、縮小、さらには繰り返し、集合演算、テクスチャ、光、アニメーション等々のCGの基本概念が体系的に理解できます。
したがって、本書で学べば、専門分野固有の他のCGソフトウェアへの移行も容易となるでしょう。なお、本書は、日本図学会創立40周年記念事業として日本図学会で公式に認められたものであり、本分野に精通した3名の著者により執筆されました。日本図学会会長として本書を推薦するとともに、本書が、図の普及にさまざまなかたちで寄与することを期待します。
日本図学会 会長 加藤道夫
はじめに
「百聞は一見に如かず」と言われます。これは、聴覚情報に対する視覚情報の優位性を述べたものですが、文字情報に対する図の優位性を述べたものであると考えることもできます。
伝える情報の性質にもよりますが、さまざまなコミュニケーションの場において、図は文字情報では伝えられないものを伝える手段として力を発揮しています。これは、情報があふれる現代社会においてのことだけではなく、言語コミュニケーションが成立する以前から、図は意思伝達・表現の手段として用いられてきました。
しかし、描画される図のレベルは、図作成に関わるさまざまな知識や技術・センスに左右されるので、誰もが美しくわかりやすい図を描けるわけではありませんでした。コンピュータの誕生以降、劇的に発達したコンピュータグラフィクス(CG)技術は、図描画に関わる技術・センスのバリアを取り除き、美しくわかりやすい図を描く機会を万人に均等に与える可能性をもたらしました。
本書は、一般的なCG入門書でもありますが、図の作成に関する研究・教育に日々関わっている研究者によって執筆されたものですので、さまざまなコミュニケーションの場において、CGを用いて描画された図が活用されることを目的としています。そこで、現実空間を写実的に表現するような具体的な図から、計算結果を可視化するような抽象的な図まで、多様な例を示し、読者の好奇心を喚起するような工夫をしています。
本書により、何らかのかたちでコミュニケーションを円滑にするような図が作成されることが、筆者らの願いです。なお、本書は、日本図学会40周年を記念して企画されたものです。さまざまな助言をいただいた図学会理事会および会員の皆様、素晴らしい推薦の言葉をいただいた図学会会長である東京大学の加藤道夫教授、本書出版の企画にご尽力いただいた図学会副会長で企画担当理事である東京工科大学の近藤邦雄教授各位に感謝いたします。
執筆者は、以下の方々にお世話になりました。
東海大学短期大学部の非常勤講師である島森功先生にはPOV-Rayを使ったグラミング学習の教材の多くのアイデアをご提供いただきました。島森功先生は武蔵野美術大学や女子美術大学などでデザインとプログラミングを融合したユニークな授業を長年にわたって展開されており、私の近年の研究テーマであるビジュアルプログラミング教育についても共同研究者として多くの助言をいただいております。(倉田和夫)
私の担当部分は、神奈川工科大学情報メディア学科の情報メディアリテラシIIで作成した資料(http://www.sato-lab.jp/ml2/)が基になっています。この授業を一緒に担当していただいた春日秀雄先生、山内俊明先生、河合敏勝先生、藤本貴之先生(現園田学園女子大学)、古井陽之助先生(現九州産業大学)と受講してくれた学生の方々に感謝します。この本の執筆に限らず、授業資料作成などで的確なコメントを寄せてくれた大学院生の長聖君にも感謝します。(佐藤尚)
大阪市立大学で図形科学Ⅱを履修し、素晴らしい作品(http://graphics.arch.eng.osaka-cu.ac.jp/zukeikagaku/)を提出してくださった学生の方々には、POV-Rayを用いたデザイン言語としての図形科学教育を進めるうえで大いに勇気付けられました。大阪市立大学において前任の図形科学教育担当であった、大阪市立大学教授(当時)で2003年1月に急逝された三木信博先生には、POV-Rayを用いた図形科学教育の大いなる可能性を教えていただくと同時に、膨大な提出作品をひとつひとつチェックしてWebで公開する地道な作業が作品のレベル向上に結びつくことになる、という教育の基本を学ばせていただきました。(鈴木広隆)
ここに記して感謝いたします。また、CG-ARTS協会の皆様には、当初の執筆スケジュールから大幅に遅れてしまったにもかかわらず、温かく見守っていただき、またゴールに向けての適切なアドバイスをいただきました。教育事業部の宮井あゆみ様と飯田剛弘様(当時)には、本書の企画から出版の行程に至るまで、さまざまな助言アドバイスをいただきました。また、影山由夏様には、本書の実質的な担当者として、さまざまな貴重なアドバイスをいただいたうえ、本書が確実に出版されるように執筆構成作業をリードしていただきました。ここに記して謝意を表します。
ここでは紹介できなかった方も含め、本書は多くの方々のアドバイスと激励のお言葉により、無事に出版までこぎつけました。それらの方々に感謝します。本書が読者の方々の美しくわかりやすい図作成に貢献できれば幸いです。
平成20年吉日 著者一同
CONTENTS
1POV-Rayを使ってみよう
1-1POV-Rayを試してみよう
1-1-1サンプルファイルをレンダリングしてみる
1-1-2画像のサイズを変更する
1-1-3生成された画像ファイルを確認する
1-2シーンファイルの組み立てを理解しよう
1-2-1シーンファイルの基本
1-2-2オブジェクト、カメラ、ライトの関係
2かかしをつくってみよう
2-1オブジェクトをつくる
2-1-1作成する3次元図形をイメージする
2-1-2オブジェクトの記述に必要な情報
2-1-3オブジェクトの形、色・明るさの記述方法
2-1-4インクルードファイルを利用した色名による色の指定
2-2カメラ・ライトの基本的な設定
2-2-1カメラの情報の記述方法
2-2-2ライトの位置、強さ、色の記述方法
2-3シーンファイルを組み立てる
2-3-1かかしのシーンファイルの作成
2-3-2シーンファイル記述時の注意事項
2-3-3円環と平面の記述方法
2-4より深い理解のために
2-4-1投影法について
2-4-2どんな色が現れるか
2-4-3光の強さ
3オブジェクトの移動、拡大・縮小、回転
3-1インクルードファイルを利用した形の定義
3-1-1あらかじめ定義された形を用いる
3-2オブジェクトの変形
3-2-1オブジェクトを平行移動する
3-2-2オブジェクトを拡大・縮小する
3-2-3複数の命令を書く3-2-4オブジェクトを回転させる
3-2-5もう少し複雑な物体をつくる
練習問題
4繰り返し・条件分岐
4-1繰り返し
4-1-1繰り返しの基本
4-1-2横方向に並べる。
4-1-3縦方向に並べる
4-1-4奥行き方向に並べる
4-1-5円形に配置する
4-2繰り返しの応用
4-2-1色のグラデーション
4-2-2多重繰り返し
4-2-3回転と移動の組み合わせ
4-3繰り返しのなかの条件分岐
4-3-1条件分岐の表し方
4-3-2数学関数を使った条件分岐
練習問題
5集合演算で複雑な形状をつくってみよう
5-1集合演算
5-1-1集合演算とは
5-1-2和集合(union)
5-1-3積集合(intersection)
5-1-4差集合(difference)
5-2集合演算を組み合わせて複雑な形状をつくる
5-2-1複雑な図形をつくる
練習問題
6模様や質感の設定
6-1オブジェクトに模様をつける
6-1-1オブジェクトのテクスチャについて
6-1-2pigmentで模様を指定する
6-1-3normalで凹凸をつける
6-1-4finishで表面の性質を設定する
6-2リアルな質感を表現する
6-2-1質感の設定方法
6-2-2石の質感を表現する
6-2-3木の質感を表現する
6-2-4金属の質感を表現する
6-2-5金属表面の映り込みを表現する
6-2-6ガラスの質感を表現する
7照明器具をつくろう
7-1光を操るための基礎知識
7-1-1ライトの設定
7-1-2物体表面の光学的な性質
7-1-3鏡面反射の設定
7-1-4透過の設定
7-2光源と間接光の表現
7-2-1光源の表現
7-2-2間接光の表現
7-3さまざまな照明器具のあるシーン
7-3-1トンネル照明のシーン
7-3-2蛍光灯のあるシーン
7-3-3パラメトリックに定義された照明器具があるシーン
8アニメーションをつくろう
8-1連続して変化する静止画をつくる
8-1-1フレームレートとアニメーション設定
8-1-2dock変数の使い方
8-1-3円錐のまわりを回転する球のアニメーション
8-1-4平行移動と回転を組み合わせたアニメーション
8-1-5カメラのアニメーション
8-1-6色の変化のアニメーション
8-1-7弾むボールのアニメーション
8-2動画ファイルをつくる
8-2-1Stripeのインストール
8-2-2Stripeに静止画を読み込む
8-2-3動画ファイルを作成・保存する。
9幾何学グラフィックスをつくろう
9-12次元の曲線を描く
9-1-1球オブジェクトによる曲線
9-1-2内転サイクロイドを描く
9-1-3内転サイクロイドのためのシーンファイル
9-23次元の曲線を描く
9-2-1内転サイクロイドの3次元化
9-2-2らせんの表現
9-3さまざまな曲面の表現
9-3-1小さな球による曲面の表現
9-3-2双曲放物面をつくる
9-3-3そのほかの曲面の表現
9-4万華鏡をつくる
9-4-1万華鏡の仕組み
9-4-23枚の鏡をつくる
9-4-3万華鏡の模様をつくる
9-4-4万華鏡のシーンファイルのレンダリング
9-4-5万華鏡アニメーションをつくろう
10数値データを可視化しよう
10-1数値データを用意する
10-1-1数値データを作成する
10-1-2表のデータを保存する
10-1-3空白セルと行末カンマの処理
10-2外部数値データファイルからの数値を読み込む
10-2-1外部のファイルを開く
10-2-2外部ファイル内の数値データを読み込む
10-2-3配列変数を利用する
10-3シーンファイルの組み立てと可視化結果
10-3-1球による曲面の表現
10-3-2三角形オブジェクトによる曲面の表現
10-4科学データの可視化
10-4-1科学データの読み込み
appendix
1 POV-Rayのインストール
2インクルードファイルで定義された正多面体
3インクルードファイルで定義された色
4インクルードファイルで定義された材質
練習問題の解答
index
