3DGSを理解する 第1回：3DGSは従来の3D制作と何が違うのか？

スマートフォンやカメラで撮影した現実の風景や建物を、まるでその場にいるかのようなリアルな3D空間として再現できる。そんな技術として注目されているのが、3D Gaussian Splatting（以下、3DGS）です。

これまで、現実のものを3Dデータにするには、主に3Dモデリングと呼ばれる制作方法が使われてきました。

建物や自動車、人物などの形状をコンピューター上で作り、その表面に色や質感を設定していく方法です。ゲームや映画、建築ビジュアライゼーションなど、さまざまな分野で利用されています。

一方、3DGSは、こうした従来の3D制作とは異なるアプローチで、現実の空間を3Dデータとして再現します。

では、具体的に何が違うのでしょうか。

その違いを理解するために、まずは従来の3D制作の仕組みから見ていきましょう。

従来の3D制作：頂点と面を組み合わせて立体を作る

従来の3D制作で広く使われているのが、メッシュ（Mesh）という表現方法です。

メッシュは、頂点（Vertex）、辺（Edge）、面（Face）を組み合わせて立体を表現する仕組みです。

例えば、立方体を作る場合、8つの頂点を配置し、それらを辺で結び、面を構成することで立体を作ります。

複雑な建物や人物、自動車なども、基本的にはこうした小さな面を大量に組み合わせることで形作られています。

立体の表面には、さらにテクスチャと呼ばれる画像を貼り付けたり、マテリアルと呼ばれる設定を加えたりすることで、色や質感を表現します。

例えば、自動車ならボディの金属感、建物なら壁の質感、人物なら肌や衣服の質感などを設定します。

このように、形状を作り、その表面に色や質感を与えていくのが、従来の3D制作の基本的な考え方です。

メッシュの大きなメリットは、形状を明確に定義できることです。

頂点を動かして形を変えたり、部品ごとに編集したり、必要に応じて細かく作り込んだりできます。そのため、ゲームのキャラクターや自動車の設計、建築物のデザインなど、形状を自由に編集したい用途に適しています。

ただし、現実の風景を写真のような品質で再現しようとすると、相応の作業が必要になります。

建物の形状を作るだけでなく、窓や壁の模様、木々、地面、細かな装飾なども表現しなければなりません。さらに、それぞれの色や質感も調整する必要があります。

つまり、現実の風景をリアルな3Dデータにするには、形状と見た目の両方を作り込む必要があるのです。

3DGS：大量のGaussianで現実の空間を再現する

それに対して、3DGSはまったく異なる考え方で3D空間を表現します。

3DGSでは、3D Gaussian（ガウシアン）と呼ばれる、空間的な広がりを持った小さな要素を大量に配置します。

それぞれのGaussianは、位置、大きさ、向き、色、透明度などの情報を持っています。

これらをカメラから見た画像に投影し、重ね合わせることで、最終的な映像を生成します。

少しイメージしにくいかもしれませんが、メッシュが「頂点と面を組み合わせて立体を作る」方法だとすれば、3DGSは「小さな光の粒のような要素を大量に配置して、現実の風景を再現する」方法と考えると分かりやすいでしょう。

もちろん、実際のGaussianは単なる光の粒ではなく、位置や大きさ、色、透明度などを持ったデータです。

3DGSの大きな特徴は、物体の表面をポリゴンで細かく作り込まなくても、写真に近い見た目の3D空間を表現できることです。

例えば、木々の葉や草、建物の細かな装飾、複雑な凹凸など、従来のメッシュでは形状やテクスチャを細かく作り込む必要があったものも、Gaussianの集合によって視覚的に再現できます。

また、3DGSは単に静止画を表示する技術ではありません。

3D空間に配置されたGaussianを使って、カメラの位置や向きを変えながら、さまざまな視点からの映像を生成できます。

つまり、写真のようなリアルな見た目を保ちながら、空間の中を移動したり、視点を変えたりできるのです。

2023年に発表された3DGSの原論文では、高品質な新しい視点の画像をリアルタイムに生成できることが示されました。

メッシュと3DGSは何が違うのか？

ここまでの内容を整理すると、メッシュと3DGSの違いは次のようになります。

ここで重要なのは、どちらが優れているかという話ではないことです。

両者は、そもそも3D空間を表現するためのアプローチが異なります。

メッシュは、形状を明確に定義して、自由に編集・加工することが得意です。

一方、3DGSは、現実の風景や物体を、写真に近い見た目で再現することが得意です。

例えば、実在する古い建物を3D化するケースを考えてみましょう。

メッシュで制作する場合は、建物の形状を作り、窓や壁、屋根などの表面にテクスチャを設定していきます。

3DGSの場合は、実際に撮影した建物の画像をもとに、その外観や細かな装飾、周囲の環境などを含めた空間を再現できます。

同じ建物を3D化する場合でも、そこに至るまでのアプローチが大きく異なるのです。

3DGSによって何が変わるのか？

3DGSの登場によって期待されているのは、現実の空間を3Dデータにする方法の選択肢が広がることです。

これまで、リアルな3D空間を作るには、専門的なモデリング作業や、細かなテクスチャ制作が必要になるケースが多くありました。

しかし、3DGSでは、現実の空間を撮影した画像から、写真に近い品質の3Dシーンを生成できます。

これによって、これまで以上に多くの場所や物体を3D化し、デジタル空間で活用できる可能性が生まれます。

例えば、次のような用途が考えられます。

• 不動産： 建物や室内をリアルな3D空間として再現し、遠隔地から自由な視点で内覧できる。
• 建築・土木： 工事現場や既存施設を3D化し、現場の状況を離れた場所から確認・共有できる。
• 文化財： 歴史的な建造物や展示物を、現実に近い見た目でデジタル保存できる。
• 映像制作： 実際の場所を撮影して3D化し、映像制作の背景素材として活用できる。
• XR： 現実の空間を仮想空間に取り込み、よりリアルなデジタル体験を実現できる。

これらの用途に共通しているのは、必ずしも物体の形状を自由に編集できる必要はないということです。

例えば、不動産の内覧であれば、壁の形状を変更することよりも、実際の部屋の広さや雰囲気、家具の配置などをリアルに伝えられることが重要です。

文化財のデジタル保存でも、細かな装飾や経年変化を含めて、現実の姿に近い状態で記録できることに価値があります。

3DGSは、こうした「現実の空間を、そのままに近い見た目でデジタル化したい」というニーズに応える技術なのです。

3DGSは従来の3D制作を置き換えるのか？

では、3DGSが普及すると、従来のメッシュを使った3D制作は必要なくなるのでしょうか。

答えは、そうではありません。

3DGSとメッシュは、それぞれ得意なことが異なるため、今後も用途に応じて使い分けられていくと考えられます。

例えば、建物をデジタル化する場合を考えてみましょう。

建物の外観や室内をリアルに再現し、遠隔地から自由に見られるようにしたいのであれば、3DGSは有力な選択肢です。

一方、建物の壁を動かしたり、窓の位置を変更したり、設計を変更したりする場合には、形状を明確に編集できるメッシュが適しています。

また、3DGSには、形状を自由に編集しにくいことや、物理シミュレーションなどにそのまま利用するには制約があることなど、課題もあります。

そのため、3DGSとメッシュを組み合わせ、それぞれの長所を生かそうとする研究も進んでいます。

今後は、どちらか一方を選ぶというよりも、目的に応じて複数の3D表現を組み合わせることも重要になっていくでしょう。

まとめ：3DGSは現実の空間を3D化する新しいアプローチ

従来の3D制作では、頂点と面を組み合わせたメッシュによって立体を作り、その表面に色や質感を設定することで、現実の物体や空間を再現してきました。

一方、3DGSは、大量のGaussianを使って、現実の空間を写真に近い品質で再現する技術です。

両者は3D空間の表現方法が異なり、それぞれに得意なことがあります。

メッシュは形状の編集や加工に強く、3DGSは現実の見た目を再現することに強みがあります。

3DGSの登場によって、これまで専門的な作業が必要だった現実空間の3D化に、新しいアプローチが加わりました。

建物や街並み、文化財、工場、店舗など、身の回りにあるさまざまなものを、より手軽にリアルな3D空間として残し、活用できるようになるかもしれません。

3DGSは、単に新しい3D表現技術というだけではなく、現実の世界をデジタル空間に取り込む方法を変える可能性を持った技術なのです。