釈 氏孝浩 ・松原康夫

教 材 と し て の コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ッ ク ス

釈 氏孝浩 ・松原康夫

Computer Graphics as Teaching Materials

Takahiro Shakushi, Yasuo Matsubara

The development of technology has allowed the computer to express more than numerical infomation. In the near future, the computer is going to play an important role as an expressive tool for users to present infomation . The capability resulting from the combination of this expressive ability and the interaction of computer and user is called multi-media or media integration . The computer is now changing its role from just a tool for reduction of labor to a medium for human communication .

In this paper, first, the general situation of computer graphics (CG) and their possi- bility in education are described. From the educational viewpoint , it is necessary to pursue the ways to cultivate students who are able to participate in our highly visual-oriented society.

As a specific example, the course of CG at Bunkyo University is discussed . In this discussion, an educational CG system is introduced. It is implemented using computer network technology. This system gives the students an opportunity to get experience of making CG with simple operations. As an evaluation of CG course , the results of a student opinion survey are analyzed by way of SS (Semantic Structure) analysis . The SS analysis provides ideas for considering various factors behind the responses of the students by revealing the hierarchical structure of the questions .

Finally, the efficient use of CG technology in education is discussed . In this discus- sion, the use of CG in general education is not restricted in computer scientific sub- jects. After considering some technological restrictions which come from existing computer capability, in order to pursue the ideal use of CG in education , the authors forecast the future of CG technology, especially CG animation .

1.は じ め に

コ ン ピ ュ ー タ の能 力 の 進 歩 に伴 い ,そ の応 用分野 は,最 初 の数値計算 か ら文字情報 を含 む記号

処 理 へ と発 展 し,最 近 で は 音 声 や 画 像 へ と広 が りつ つ あ る。 特 に 最 近 で は コ ン ピ ュ ー タは 単 に計 算 能 力 を提 供 す る もの で は な く,各 種 の 媒 体 を提 供 す る環 境 と して の 役 割 を果 た しつ つ あ る。 そ の 中 で も,と くに コ ン ピ ュ ー タ の容 量 と処 理 能 力 を必 要 とす る の が 画 像 の処 理 で あ る が,こ れ に も二 つ の 分 野 が あ る 。 一 つ は外 部 か らの 計 測 デ ー タ な ど を コ ン ピ ュ ー タで処 理 す る,い わ ゆ る 画 像 情 報 処 理 で あ り,も う一 つ は コ ン ピ ュ ー タの 内 部 に モ デ ル を構 築 し,そ れ に した が って 画 像 を つ く り出す コ ン ピー タ ・グ ラ フ ィ ッ クス(以 下CG)で あ る。

CGは い ま まで 視 覚 化 し得 な か っ た も の を 目で 見 え る よ うに す る事 が 出 来 る 。 そ の た め 従 来 数 値 や 記 号 で の み計 算 結 果 を表 示 して い た もの を,人 間 が 直 観 的 に そ の 内 睿 を把 握 す る こ とが 出 来 る よ う に視 覚 化 す る こ と に も用 い られ つ つ あ る。 しか し現 在 で は む し ろ,現 実 に は存 在 しな い世 界 を構 築 して 視 覚 化 す る為 に 用 い られ る事 の 方 が 多 い 。 単 に情 報 を伝 え る よ りは 直 感 や感 性 に訴 え る ア ー ト と して の 一 面 を持 つ 。 最 近TVの 番組 の ロ ゴ な ど にCGが 使 わ れ る の は こ う した 面 を 利 用 して い る 。

今 後 ダ ウ ンサ イ ジ ン グが 進 展 す る の に伴 っ て,さ ら にCGが 普 及 す る もの と考 え られ る。 そ れ は い ま まで の 概 念 のCGに 留 ま らず,ヴ ァー チ ャ ル ・リア リ テ ィや,広 い 意 味 で の 計 算 機 と人 間 の 間 の マ ン ー マ シ ン ・イ ン タ ー フ ェ ー ス を含 む もの と な る で あ ろ う。

大 学 教 育 の 中 で,CGを 考 え る と き,い くつ か の 視 点 を考 え る事 が 出 来 る。

一 つ はCGを つ く り出 す 側 の視 点 で あ り,如 何 に して コ ン ピ ュ ー タ 内部 にモ デ ル を構 築 し,如 何 に して モ デ ル か ら画 像 を計 算 す るか を 問題 とす る。 そ の ため に は デ ー タ構 造 や アル ゴ リズ ム な

ど,コ ン ピ ュ ー タサ イ エ ンス の 知 識 が 要 求 され る。

も う一 つ はCGを 利 用 す る側 の 視 点 で あ り,計 算 機 以 外 の 科 目 に お い て も,提 示 内 容 を如 何 に 視 覚 的 に 分 か りや す く示 す か が 問 題 とな る 。 もち ろ ん コ ン ピュ ー タの 科 目に 於 い て も,同 様 の利 用 法 が 考 え られ る。 例 え ば プ ロ グ ラ ミ ン グの 教 育 に 於 い て,ポ イ ン タ を使 った プ ロ グ ラ ミ ン グ は 理 解 させ る の が 困 難 な物 で あ るが,こ れ は動 画 を使 って 理 解 の 助 け とす る可 能 性 が あ る。

本 研 究 で は,以 上 の よ う な い くつ か の 視 点 か ら,CGを 教 育 上 に利 用 す る為 の 研 究 を行 な っ たρ CGに も,品 質 の 上 で い くつ か の 段 階 が あ る。 最 も簡 単 な レベ ル で は パ ソ コ ンで 描 画 出 来 る 程 度 の 物 で あ る 。 こ れ は現 在 で は直 線 また は楕 円 を基 本 と した 線 と 同 じ色 に よ る塗 りつ ぶ し を含 む。

この よ う な 図 形 は計 算 時 間 が 短 く,手 軽 に使 え る とい う利 点 は あ る もの の残 念 な が らこ れ で は リ ア リ テ ィが な い た め,訴 え る 力 に 欠 け る。 そ こで 本 研 究 で は お もに,光 線 追 跡 法 と言 わ れ る方 法 で レ ン ダ リ ング した 画 像 を使 った 。

光 線 追 跡 法(raytracing)は 非 常 に リ ア リ テ ィ に富 む画 像 をつ く り出 す こ とが で き る反 面, CPUパ ワ ー を必 要 と し,計 算 時 間 が 長 くか か る。 そ の た め パ ソ コ ン だ けで 学 生 に 光 線 追 跡 法 を 実 行 させ る こ とは 現 実 的 で は な い 。 情 報 学 部 で は,ワ ー ク ス テ ー シ ョ ン とパ ソ コ ン をつ な い だ LANが 構 築 して あ り,こ れ を有 効 に 使 う こ と に よ っ て学 生 に 光 線 追 跡 法 の 実 習 を行 な わせ る こ

とが で き た 。

本 稿 で は,ま ず3次 元CG画 像 作 成 の ア ル ゴ リズ ム の 実 状 に 関 して概 観 し,続 い て 集 団 教 育 に お け るCG活 用 へ 向 け て の 予 備 実 験 につ い て 述 べ る 。 さ ら に,そ こ で の 結 果 を踏 ま え,1992年 度 文 教 大 学 情 報 学 部 に お い て 実 践 され たCG教 育 の 実 践 例 に 関 して報 告 す る。 最 後 に,更 に未 来 的 な展 望 と し て,CG動 画 像 の 現 状 とそ の教 育 へ の 活 用 に伴 う可 能 性 と問 題 点 に 関 して 議 論 す る。

2.3次 元 図形 の表 示 法

教 材 と してCGを 考 え る と き,二 つ の 方 向 が あ り得 る 。 一 つ は 画 像 そ の もの を表 示 す る た め の 手 法[1]を 学 び,そ れ を プ ロ グ ラ ミン グす る もの で あ る 。 も う一 つ は,出 来 合 い の ソ フ トな い し はハ ー ドを使 って,表 示 す る画 像 を別 の 目的 に応 用 す る もの で あ る。 また この 両 者 を兼 ね る も の もあ る で あ ろ う。

ま た広 い 意 味 で は2次 元 画 像 もCGに 入 る が,表 示 の リ ア リテ ィ を考 え て ,こ こで は3次 元画 像 を主 な対 象 と して か ん が え る。

2.1表 示 の 手 法

3次 元 画 像 を,あ た か も 目で 見 る と きの よ う に2次 元 画 面 に表 示 す る レ ンダ リ ン グ に は い ろい ろ な手 法 が あ る 。 こ こで は そ の い くつ か に つ い て 得 失 を論 じる 。

(1)も っ と も簡 単 な 手 法 が 線 画 で あ る。 物 体 の 輪 郭 を線 で 表 現 し,透 視 投 影 を行 な う。 全 て の 物 体 が 輪 郭 だ け で 透 明 に表 示 され る た め,物 体 の 数 が 少 な い と きは よい が,多 い と重 な りが あ っ て 一 つ 一 つ の 物 体 が 識 別 しに く くな る。

(2)上 の 手 法 に 隠線 消 去 を施 す 方 法 。 単 な る線 画 で は物 体 の前 後 関係 が 判 別 出来 ず,立 体 感 が 損 な わ れ る 。 そ こ で手 前 の 物 体 に よ って 隠 さ れ る物 体 の輪 郭 線 を表 示 しな い よ う に す る。

パ ソ コ ン等 で 手 軽 に 行 な わ れ る 手 法 と して は 一 つ 一 つ の稜 線 につ い て ,他 の多面体 に よって さ え ぎ ら れ る 部 分 を計 算 す る方 法 が あ る。 しか し物 体 の 数 が あ る程 度 大 きい と計 算 時 間 は 膨 大 な も の と な る。

(3)隠 面 処 理 を行 な う方 法 。 物 体 を線 で は な く面 で 表 わ す 。 そ の た め 手 前 にあ る物 体 に よ っ て さえ ぎ られ る面 の 部 分 を 表 示 しな い よ う にす る必 要 が あ る 。

隠 面 消 去 に はzバ ッフ ァ法 が よ く使 わ れ る。 こ れ は 各 画 素 ご と に一 番 手 前 にあ る面 上 の 点 を保 持 す る もの で あ る。 つ ま り一 つ の面 ご と につ ぎの よ う な処 理 を行 な う。 画 素 ご と に,す でに登録 して あ る点 よ りも,い ま登 録 しよ う とす る点 が 手 前 にあ る と き にの み,そ れ まで 登 録 して あ った 点 を消 去 して新 しい 点 を登 録 す る。 これ をす べ て の 表 示 面 ご と に行 な っ て,各 画 素 ご とに 一 番 手 前 に あ る点 を保 持 しそ れ を 表 示 す る 。

実 際 に は物 体 の 連 続 性 等 を利 用 して計 算 量 の軽 減 を図 っ て い る。

(4)レ イ トレー シ ン グ法(光 線 追 跡 法)

zバ ッフ ァ法 で は 隠 面 処 理 は完 全 に出 来 る が,光 の反 射 や屈 折 等 の現 象 を表 現 す る こ と は 出 来 な い 。 この よ うな 点 を克 服 して リア リテ ィ を追 求 した の が 光 線 追 跡 法 で あ る 。

光 線 追 跡 法 で は,人 問 の視 点 か ら逆 に,画 素 ご とに視 線 を辿 って 行 く もの で あ る。 画 素 ご とに 処 理 す る点 で はzバ ッフ ァ法 に 似 て い る点 もあ るが,光 線 追 跡 法 で は一 度 物 体 に 辿 りつ い て もそ こで 終 わ る とは 限 ら な い。 そ の 表 面 が 反 射 ま た は透 過 ,屈 折 な どの性質 を持つ場合 には,今 まで の 視 線 に 光 線 が来 る可 能 性 は 複 数 とな る。 そ の た め そ れ らの 複 数 の 光 線 の軌 跡 を さ ら に逆 に辿 っ て 行 くの で あ る。 さ ら に そ の 先 に も分 岐 の 可 能 性 が あ る の で,一 つ の 画 素 につ い て もそ の 計 算 量

は莫 大 な も の とな る。 追 跡 も適 当 な とこ ろ で 打 ち切 らな い と発 散 して しま う。

しか しハ ー ドウ ェ アが 急 速 に 安 価 に な って い くこ とか ら,計 算 量 を多 く必 要 とす る点 は いず れ 解 決 さ れ る もの と考 え ら れ る 。 そ して ア ル ゴ リ ズ ム の単 純 性 と各 画素 ご と に独 立 な計 算 をす る の で ハ ー ドウ ェ ア で並 列 処 理 を 行 な う の に も適 して い る 。

光 線 追 跡 法 で 一 番 処 理 に 時 間 が か か る の は各 光 線 が 最 初 に どの物 体 に(面 に)ぶ つ か る か を判 定 す る処 理 で あ る 。 こ れ を軽 減 す る た め に 大 き く分 け て 二 つ の 方 法 が 使 わ れ る 。 一 つ は バ ウ ン デ ィ ク グボ リ ュ ー ム を用 い る もの で あ る 。 これ は い ろ い ろ な形 を もつ 物 体 を 直 方 体 な どの 扱 い 易 い形 で 囲 む もの で あ る。 光 線 は最 初 に この バ ウ ンデ ィ ン グ ボ リ ュ ー ム と の交 差 を判 定 され,交 差 す る と き に の み さ ら に そ の 内 部 の 物 体 との 交 差 を判 定 す る。 た だ しバ ウ ンデ ィ ン グボ リ ュ ー ム は 通 常 予 め 人 間 が 与 え る。

も う一 つ は,空 間 を一 定 の 形 に階 層 的 に分 割 して行 く方 法 で あ る。 空 間 を 十 分 小 さ く分 割 す れ ば 一 つ 一 つ の ボ クセ ル に含 まれ る物 体(の 部 分)が 少 な くな り,交 差 の判 定 炉 しや す くな る。 こ れ に も同 じ大 き さ に分 割 す る 方 法 と異 な る大 きさ に 分 割 す る方 法 が あ るが,全 体 を 自動 化 出来 る と ころ に特 徴 が あ る。

以 上 の よ うな 考 え方 は デ ー タ構 造 や アル ゴ リズ ム の,格 好 の 実 験 材 料 で あ り,い ろ い ろ と工 夫 の 余 地 が あ るた め こ れ ら をプ ロ グ ラ ミ ン グす る こ と 自体 よ い教 材 と な る 。

2.2物 体 の モ デ ル 化

前 節 にお い て,物 体 を2次 元 画 面 上 に表 示 す る 手 法 につ い て 述 べ たが,実 際 に は この ま え に, 表 示 した い物 体 を如 何 に して コ ン ピ ュ ー タ の 中 に 表 現 保 持 す るか とい い うモ デ リ ング の 問 題 が あ

る 。 これ に は大 き く分 け て3つ の方 法 が あ る 。 (1)ワ イ ヤ ー フ レー ム モ デ ル

これ は,物 体 を点 の 集 合 と,そ れ ら を結 ぶ線 で 表 現 す る もの で あ る 。 これ は面 の デ ー タ を持 た な い の で,隠 線 消 去 や 隠 面 消 去 は 不 可 能 で あ る 。

(2)サ ー フ ェ イ ス モ デ ル

さ らに面 の 情 報 を もつ もの で,隠 線 消 去 や 隠 面 消 去 が 可 能 とな る 。 曲 面 等 は微 小 な平 面 の 集 ま りで 近 似 す る。 表 現 上 は これ で 十 分 で あ る が,容 積 の デ ー タが な い の で,例 え ば 二 つ の物 体 の 重 な りや,あ る物 体 か ら別 の 物 体 の 部 分 を取 り除 い た部 分 に よ っ て 物 体 を表 わす こ とが で き ない 。 (3)ソ リ ッ ドモ デ ル

点,線,面 及 び 体 積 の デ ー タが 保 持 され て い る。 そ の た め二 つ 以 上 の 物 体 の和,差,積 等 を定 義 で き る。

また,表 示 物 体 を計 算 機 の 中 に デ ー タ構 造 と して用 意 す る場 合,全 て を数 値 デ ー タで 与 え る こ と は煩 雑 で あ る。 そ こ で何 種 類 か の プ リ ミテ ィ ブ を 用 意 して 置 き,簡 単 な も の は一 つ の プ リ ミ テ ィブ の パ ラ メ ー タ を指 定 す る こ とで 表現 し,複 雑 な もの は い くつ か の プ リ ミテ ィブ を論 理 演 算 子 で組 み 合 わせ て 表 現 す る(CSG:ConstructiveSolidGeometry)。

以 上 の よ う に,物 体 を計 算 機 内 に 表 現 す る時 点 で す で に デ ー タ構 造 の 問 題 や,そ れ を ど う処 理 す るか と い った 問 題 が 多 く存 在 す る 。 そ の た め これ 自体 が よい デ ー タ構 造 の 教 材 とな る の で あ る。

また,実 際 に表 示 画 像 を別 の 目的 に使 う た め に は,プ リ ミテ ィブ を組 み 合 わせ る 方 法 だ け で は 限 界 が あ り,画 面 上 で イ ン タ ラ ク テ ィ ブ に行 な う シ ス テ ム が 使 わ れ る こ とが 多 い 。

3.予 備 実 験

我 々 の 目的 に は,3次 元 グ ラ フ ィ ック ス画 像 を い ろ い ろ な教 育 上 の 目的 に応 用 す る こ と にあ っ た 。 そ の た め に は全 て の シ ス テ ム を 自 ら構 築 す る こ とは 現 実 的 で はな い 。 そ こで わ れ わ れ はパ ソ コ ン をベ ー ス と した3次 元 画 像 表 示 シ ス テ ム を使 っ て ア ニ メ ー シ ョン を作 成 す る実 験 を 行 な う こ

と と し た 。 以 下 そ の た め の シ ス テ ム に つ い て 述 べ る 。

3.13次 元 画 像 表 示 シ ス テ ム

前 章 で 述 べ た よ う に,3次 元 画 像 表 示 法 に も い ろ い ろ な 手 法 が あ る が,わ れ わ れ は 画 像 の 品 質 を 考 え て 光 線 追 跡 法 を 採 用 し た 。 当 初 予 備 実 験 に 用 い た 機 器 は 以 下 の と お りで あ る 。

フ レ ー ム バ ッ フ ァimagemakerIM9800

レ ン ダ リ ン グ 用 コ ン ピ ュ ー タ 日 本 電 気 製PC9801RA

こ の フ レ ー ム バ ッ フ ァ は,1024×512画 素 あ り,1画 素 当 た りRGB各8ビ ッ ト,し た が っ て 同 時 に224=1600万 色 を 表 示 で き,ま たNTSC信 号 を 出 力 す る た め 家 庭 用 の テ レ ビ 画 面 に 表 示 す る こ と が で き る 。

当 初PC9801を 用 い て レ ン ダ リ ン グ を 行 な う の に,RAY‑TREKIIと い う ソ フ ト ウ ェ ア[2]を 用 い た 。 そ の 後,レ ン ダ リ ン グ 処 理 時 間 の 短 縮 の た め に ト ラ ン ス ピ ュ ー タ を 用 い た 専 用 の ア ク セ

ラ レ ー タ を 導 入 し,基 本 的 に 同 じ機 能 を 持 つSUPERTREKと い う レ ン ダ リ ン グ ソ フ トウ ェ ア を 用 い た 。

以 下 こ の レ ン ダ リ ン グ 用 の ソ フ トウ ェ ア の 使 い 方 に つ い て 述 べ る 。 こ の ソ フ ト を 使 う た め に は, 始 め に 表 示 物 体 空 間 を 表 現 す る コ マ ン ドフ ァ イ ル を作 成 し て お く必 要 が あ る 。 こ れ は 数 種 類 の プ

リ ミ テ ィ ブ を組 み 合 わ せ て 物 体 を 表 現 す る も の で あ る 。

そ して こ れ を 以 下 の よ う にtraceプ ロ グ ラ ム に か け て や る と表 示 デ ー タ を 出 力 し て く れ る も の で あ る 。

A>tracetest. .dattest.pic

こ のtest.picフ ァ イ ル を フ レ ー ム バ ッ フ ァ に 転 送 す る た め に A>disptest:pic

を 行 な う 。

traceプ ロ グ ラ ム は 最 初 に コ マ ン ド フ ァ イ ル を 読 み 込 み,こ れ を 解 釈 し て,表 示 す べ き 物 体 の 空 間 を構 成 し,そ れ か ら 光 線 追 跡 法 で1画 素 つ つ 計 算 を 行 な う 。 コ マ ン ド フ ァ イ ル 上 に 書 く コ マ ン ドは,グ ロ ー バ ル コ マ ン ド,テ ク ス チ ュ ア コ マ ン ド,物 体 の 定 義,位 置 付 け コ マ ン ド の4種 類 に 分 け ら れ る 。

グ ロ ー バ ル コ マ ン ド は,視 界 の 大 き さ を 決 め た り光 源 の 位 置 や 強 さ な ど の 全 体 の 環 境 を 設 定 す る も の で あ る 。

テ ク ス チ ュ ア コ マ ン ド は 曲 面 上 の 点 の 色 や 輝 度 を 設 定 す る も の で あ る 。

物 体 の 定 義 は 以 下 の よ う な8種 類 の プ リ ミ テ ィ ブ に パ ラ メ ー タ を 指 定 し,そ れ ら を 組 み 合 わ せ て 行 な う 。

(1)球 体 パ ラ メ ー タ は 半 径 を 指 定 す る 。

(2)楕 円x,y,zの 各 軸 方 向 の 半 径 を パ ラ メ ー タ と す る 。 (3)一 葉 双 曲 面 体

双 曲 線 を 回 転 し て 出 来 る 面 を もつ 鼓 の 形,4つ の パ ラ メ ー タ を 指 定 す る 。 (4)放 物 面 体

放 物 線 を 回 転 して 出 来 る 面 を 持 つ 物 体,3つ の パ ラ メ ー タ を 指 定 す る 。 (5)円 錐 体

高 さ と 二 つ の 半 径 を パ ラ メ ー タ と し て 指 定 。

(6)直 方 体 縦,横,高 さ を パ ラ メ ー タ とす る。

(7)円 柱 体 高 さ と二 つ の 方 向 の 半 径 を指 定 。 (8)長 方 形 縦 と横 の 長 さ を指 定 。

こ れ らの プ リ ミテ ィブ にパ ラ メ ー タ の具 体 的 な 値 を指 定 して,あ る 名 前 に代 入 す る こ とで 物 体 を定 義 す る。 ま た よ り複 雑 な物 体 はす で に定 義 され た物 体 の 名 前 を 以 下 の よ うな論 理 演 算 子 で 組 み 合 わせ て 定 義 す る 。

(1)論 理 和 二 つ の 物 体 の いず れ か に属 す る 点 を物 体 の 点 とす る。

(2)差 あ る物 体 か ら別 の 物 体 に重 な る 部 分 を取 り除 く。

(3)論 理 積 二 つ の 物 体 の 重 な っ た部 分 を物 体 とす る。

この 他 に こ の シ ス テ ム で は グ ル ー プ化 とい う コマ ン ドも用 意 して い る 。

最 後 に位 置 付 け コマ ン ドにつ い て述 べ る 。 以 上 の プ リ ミテ ィ ブ は 基 本 的 に原 点 の と こ ろ に存 在 す る。 こ れ に並 行 移 動(move),回 転(rotate),拡 大 縮 小(scale)を 施 して や る。 こ れ は プ リ ミ ィブ だ けで な くす で に定 義 され て い る物 体 に も適 用 で き,ま た こ れ を適 用 した 物 体 を さ ら に論 理 演 算 子 で 組 み合 わ せ る こ とが 出 来 る 。

3.2フ レー ム 撮 影 の 実 験

前 節 で 述 べ た よ う な設 備 を用 い て動 画 を作 成 す る こ と を試 み た 。 ゼ ミの学 生 の 卒 論 の テ ーマ と して,「 文 教 大学 」 とい う ロ ゴ マ ー ク を立 体 的 に 構 成 し,こ れ が 回転 す る よ う な動 画 を作 る こ と に した 。 最 初 に ロ ゴマ ー クは,前 節 の プ リ ミテ ィブ の 中 で 主 に 直 方 体 を組 み合 わ せ る こ とで 構 成

した 。 動 画 は視 点 の 位 置 を数 度 つ つ 変 更 す る こ とで フ レー ム毎 の 動 き と した 。

問題 は一 つ 一 つ 作 成 した 画 面 を如 何 に して 連 続 した 動 画 に構 成 す るか で あ る。 商 用 の 動 画 で は 一 度 フ ィル ム に 撮 っ て か ら ビデ オ テ ー プ に変 換 した り,ま た は1フ レ ー ム つ つ 録 画 可 能 なVTR を用 い る。 いず れ に して も大 変 高 価 で あ り,こ の段 階 で は入 手 で き な い。 そ こで,精 度 は落 ち る が 家 庭 用8ミ リ ビデ オ カ メ ラ(SONYCCDV88)を 用 い た 。 こ の 機 械 で は,ポ ー ズ 状 態 に して お い てRECボ タ ン押 す と約3フ レー ム ず つ 録 画 をす る こ とが で き る。

テ レ ビ画 面 に表 示 さ れ た もの を,さ ら に ビ デ オ カ メ ラ の 光 学 系 を通 して 録 画 す る の と,フ レー ム ・バ ッ フ ァか らのNTSC信 号 を 直 接 録 画 す る の と両 方 を行 な っ た が,必 ず し も後 者 の 画 質 が 良 い と は言 え な か っ た 。

以 上 の よ うな 方 法 で ロ ゴマ ー ク が 回 転 す る動 画 を作 成 す る こ とが で きた 。 約30秒 間 の 動 画 を作 成 す る た め に学 生 が 夏 休 み の 間 を 費 や す こ とに な っ た。

3.3予 備 実 験 に 関 す る結 論

予 備 実 験 を通 して 言 え る こ と は,何 よ り も計 算 時 間 が か か る こ とで あ る。 こ れ はパ ソ コ ン を 使 っ て い る こ とか ら来 る限 界 で あ るが,そ の 後 トラ ンス ピ ュ ー タ を使 っ た シ ス テ ム に増 強 して か ら も,CPUパ ワ ー は 不 足 して い る。 と くに光 線 追 跡 法 は 計 算 時 間 を要 求 す る方 法 で あ る た め, これ ら を多 数 つ な げ て 動 画 を作 成 す る た め に は莫 大 な計 算 量 を必 要 とす る 。 この こ とか ら,動 画 を作 る こ とそ の もの が 目 的で は な く動 画 を他 の 目 的 に応 用 す る た め に は少 し画 質 が 落 ち て も光 線 追 跡 法 以外 の方 法 を使 うべ きか も知 れ な い 。 と くに,ユ ーザ の 入 力 ま た は動 作 に,リ ア ル タイ ム で 応 答 す る こ とが要 求 さ れ る応 用(バ ー チ ャ ル リア リテ ィ)に つ い て は,現 在 の パ ソ コ ン に お い て 高 画 質 の 画 像 を表 示 す る こ と は絶 望 的 で あ ろ う 。

4.CG教 育 の 必 要 性

従 来,コ ン ピ ュ ー タ の 基 本 的 な 能 力 は, (1)高 速 処 理 能 力

(2)大 容 量 記 憶 能 力

と さ れ て き た 。 こ れ ら に 加 え,現 在 で は, (3)通 信 能 力

(4)表 現 能 力 (5)対 話 能 力

が 注 目 さ れ て い る[3]。 も ち ろ ん,(3),(4),(5)の 能 力 は,(1),(2)の 進 歩 に よ っ て 実 現 さ れ た も の で,新 た に 付 加 さ れ た も の で は な い 。 こ の う ち,(3)は,ビ ジ ネ ス 局 面 を 中 心 に 活 用 環 境 の 整 備 が 進 行 中 で あ る 。(4)は,CG,DTP,DTPr,ま た(5)と と も に マ ル チ メ デ ィ ア と か メ デ ィ ア ・イ ン

テ グ レ ー シ ョ ン な ど と い っ た 用 語 で 耳 目 を 集 め て い る 。 し か し,(4),(5)の 具 体 的 活 用 事 例 と し て は,製 品 等 の デ モ ン ス ト レ ー シ ョ ン や,テ レ ビ番 組 の タ イ トル,ジ ン グ ル,ま た,映 画 作 品 で の 特 殊 効 果 等,限 定 さ れ た 局 面 で の 活 用 の み で あ る 。 こ れ は,個 人 ユ ー ザ に お け る(4),(5)の 実 現 の た め に 要 求 さ れ る コ ン ピ ュ ー タ の 基 本 能 力(1),(2)が,現 状 で は 未 だ 不 十 分 で あ る こ と,ま た,活 用 に 際 し て の ノ ウ ハ ウ の 蓄 積 が 少 な い こ と 等 に 起 因 し て い る 。 し か し,コ ン ピ ュ ー タ を 取 り巻 く 各 種 技 術 の 進 歩 の 速 度 を 考 え る と き,コ ン ピ ュ ー タ が,個 人 レベ ル で の 情 報 表 現 に 質 的 変 化 の 可 能 性 を も た ら す 日 は 近 い と 言 え よ う 。 そ の 時,従 来 の モ ノ ク ロ/モ ノ カ ラ ー の テ キ ス トや 線 画 を 中 心 と し た 情 報 表 現 に,フ ル カ ラ ー 画 像,動 画 像,音 声 等 を 加 え る,よ り豊 か な 表 現 ッ ー ル と し て の コ ン ピ ュ ー タ の 果 た す 役 割 は 大 き い 。 ま た,技 術 進 歩 に よ っ て も た ら さ れ る 可 能 性 を,単 な る 可 能 性 の ま ま に と ど め ず,そ の よ う な 変 革 に 即 応 で き る 意 識 を 持 っ た 人 材 の 育 成 は 重 要 で あ る 。

[3]0

以 下 の 章 で は,こ の よ う な 技 術 動 向 の 背 景 を 踏 ま え,1992年 度,文 教 大 学 情 報 学 部 に お い て 実 践 さ れ たCG教 育 の 実 践 事 例 報 告 を 行 う 。

5.教 科 「CG」 に つ い て 1992年 度,「CG」 は,以 下 の よ う に 開 講 さ れ た 。

開 設 学 科:情 報 シ ス テ ム 学 科(選 択 科 目) 開 設 学 年:第2学 年

開 設 学 期:前 期(2単 位) 時 間 数:週1時 限(90分) 担 当 教 員:釈 氏 孝 浩 受 講 者 数:119名

経 営 情 報 学 科 情 報 シ ス テ ム 学 科

2年 生1名3年 生2名

2年 生77名3年 生39名

な お,当 科 目 は,前 年 度 開 講 して お らず,1990年 度 の カ リ キ ュ ラ ム 改 訂 以 降 の 入 学 者 中 の2年 生 以 上,す な わ ち1992年 度 の2,3年 生 が 履 修 可 能 で あ る 。

6.教 材 ア ル ゴ リズ ム の選 択

CG画 像 の 作 成 に は,各 種 の ア ル ゴ リ ズ ム が 存 在 す る が,今 回 は レ イ ・ ト レ ー シ ン グ ・ア ル ゴ リ ズ ム(光 線 追 跡 法)を 教 材 と し て 採 択 し た 。 以 下6.1で,今 回 のCG教 育 に お け る 指 導 上 の 留 意 点 を述 べ,そ こ で の 要 請 と対 応 づ け なが ら,

して 議 論 す る。

6.2で,教 材 と し て の レ イ ト レ ー シ ン グ に 関

6.1指 導 上 の 留 意 点 今 回 実 践 した 教 科 厂CG」 で は,特 に 以 下 の 点 に留 意 した。

① 数 学 的 内 容 や プ ロ グ ラ ミ ン グ技 法 の詳 細 に立 ち入 りす ぎ な い

② 表 現 メ デ ィア と して の コ ン ピ ュ ー タの可 能 性 に気 づ か せ る

③ 実 習 を通 して,CG作 成 に伴 う処 理 コ ス トを実 感 させ る

① は,対 象 とす る 学 習 者 の属 す る情 報 学 部 の 性 格,卒 業 後 の進 路 の 傾 向 等 を考 慮 した もの で, CG技 術 の詳 細 に 関 す る工 学 的 な ア プ ロ ー チ よ り も,そ の 全 体 像 の把 握 ,可 能性 の認 識 に重 点 を

置 い た 。

② は,CGな らで は の 画 像 表 現 の 可 能 性 を 認 識 させ る こ と を企 図 す る。 例 え ば,鏡 の あ る風 景 を,写 生 以 外 の 方 法 で 描 くの は 難 しい が,[作 品1]の よ う に,CGを 用 い れ ば比 較 的 容 易 に作 成 で き る。[作 品1]は,中 学 校 数 学 の単 元 「空 間 図 形 」 の 教 材 で あ り,立 体 の 多 角 的 な 観 察 の た め に,立 体 の 背 後 に 鏡 面 を配 置 して い る。 また,立 体 内 部 の 観 察 を容 易 にす る た め に,立 方体 に 内 接 す る2球 は有 色 透 明 で 異 な る色 彩(赤 と青)を 持 ち,か つ 光 の屈 折 の 無 い材 質 と して い る 。 こ の よ うな 模 型 を現 実 に作 成 す る こ と は事 実 上 不 可 能 で あ る。 また ,[作 品2]は,そ の 内 面 が 鏡 面 反 射 をす る球 体 の 内 部 に,3個 の 異 な る色(赤 ・青 ・緑)を 持 つ 光 源 を,透 明 な3球 体 に 包 ん で 正 三 角 形 の3頂 点 上 に 配 置 した状 況 を,3光 源 の 中央 に 当 た る座 標 に 視 点 を置 き,3光 源 に よ って 張 ら れ る 平 面 の法 線 方 向 に視 線 を設 定 して観 察 して い る画 像 で あ る 。 この よ うな状 況 を現 実 に体 験 す る こ と は 困難 で あ り,ま た,想 像 す る こ と も,特 殊 な訓 練 を受 け た 者 で な け れ ば難 し い 。 この よ う に,現 実 に存 在 しな か っ た り,体 験 の 難 しい 世 界 が ,CGを 用 い て 映 像 化 で き る こ

と を 実 感 させ る の が ② の ね らい で あ る 。

③ は,学 習 者 のCGに 対 す る認 識 と,現 実 のCG作 成 と の 問 に 存 在 す るギ ャ ップ に配 慮 し た も の で あ る。 学 習 者 の多 くは,テ レ ビ番 組 等 で,高 品 質 なCG動 画 像 を見 慣 れ て お り,と もす る と, CG作 成 に伴 う膨 大 な計 算 量 や,画 像 の 持 つ 多 大 な 情 報 量 を認 識 して い な い 。 事 前 の 聞 き取 り調 査 に よ る と,ほ と ん どの 学 習 者 は,商 用 のCG動 画 像 の 多 くが,静 止 画 像 の フ レ ー ム撮 影 に よ っ て ダ イ ナ メ ー ト(動 画 像 化)さ れ て い る こ と を知 らな い 。 ③ は ,こ の よ うな現 実 を踏 まえ,ア ル ゴ リズ ム の 解 説 と と もに ,実 際 にCG画 像 の作成 を経験 させ るこ とに よ り,そ の処理 の大 きさを 実 感 させ る こ とを ね らい とす る 。

6.2レ イ ト レ ー シ ン グ ・ア ル ゴ リ ズ ム レ イ ト レ ー シ ン グ ・ア ル ゴ リ ズ ム は,以 下 の 点 を 特 徴 と す る 。

(a)ア ル ゴ リズ ムが 比 較 的 単 純 で あ る

(b) (c) (d) (e)

現 実 感 の 高 い 画 像 が 得 ら れ る 計 算 量 が 膨 大 で あ る

原 則 的 に 画 像 面 積 に 比 例 して計 算 量 が 増 大 す る。

並 列 処 理 に好 適 で あ る

(・)は,6.1の ① に 直 接 的 に 関 連 す る。 処 理 の 高 速 化,結 果 の高 品 質 化 を指 向す る 各 種 の技 法 に立 ち入 ら な け れ ば,前 提 とな る 背 景 知 識 は 数 学 及 び プ ロ グ ラ ミ ング の 初 歩 的 理 解 で 十 分 で あ る。

数 学 に 関 して は,高 等 学 校 の2年 生 程 度 の 内 容(ベ ク トル 及 び三 角 関 数 の 初 歩)し か 必 要 と しな い 。 また,プ ロ グ ラ ミ ン グ に 関 して は,実 際 の イ ン プ リ メ ン トに 際 し再 帰 的 プ ロ グ ラ ミ ン グ や デ ー タ構 造 の 概 念 が 必 要 と な る もの の,ア ル ゴ リズ ムの 概 要 把 握 に は不 要 で あ る。

(・)は,(・),(d)とと もに,6.1③ へ の 対 応 に お い て も重 要 で あ る。 実 習 に お け る処 理 待 ち時 間 の 長 さ は,③ に対 す る体 験 的 な学 習 効 果 を期 待 で き るが,処 理 の 遅 い理 由 を,理 論 的 に 納 得 した 上 で の 体 験 で 無 け れ ば単 な る苦 痛 で しか な い 。 ア ル ゴ リズ ム の 単 純 さ は,こ の 点 で の学 習 者 の納 得 を容 易 に す る。 実 際,処 理 時 間 の 長 さ に期 待 され る学 習 効 果 も程 度 問題 で,画 像 計 算 に 実 習 時

間 の 全 て を 費 や して し まっ た の で は実 習 が 成 立 しな い 。 こ の こ と に 関 して は 後 述 す る 。

(b)は,6.1② に とっ て 重 要 で あ る 。6.1で 指 摘 した仮 想 現 実 的 画 像 の作 成 に好 適 性 を備 え て い るの も,こ の ア ル ゴ リズ ム の特 徴 で あ る 。 具 体 的 に は,画 像 内 に配 置 す る 各 種 物 体 の 光 学 的 特 性(透 明 度 ・屈 折 率 ・反 射 係 数 等)を 自在 に操 作 す る こ とが で き る。 事 実,こ の 特 徴 を 活 用 し

て幻 想 的 な画 像 を作 成 す る 学 習 者 も見 受 け ら れ た[作 品3]。

(e)の特 徴 は,今 回 の実 践 で は活 用 す る こ とが で きな か っ た が,処 理 速 度 の 向 上 を指 向 して の コ ン ピ ュ ー タ ・ネ ッ トワ ー ク 上 で の 分 散 処 理 は,す で に 一 部 の市 販 ソ フ トウ ェ ア で 実 現 さ れ て い る。

ま た,複 数CPUを 搭 載 し た専 用 ハ ー ドウ ェ ア や,対 応 ソ フ トウ ェ ア も存 在 す る。 しか し,特 に 初 心 者 教 育 に お い て,6.1③ の よ うな 見 地 か らは,高 速 な処 理 系 が 教 育 的 とは 必 ず し も言 い 難

い面 もあ る 。 そ の よ う な処 理 系 を用 い る場 合 ,複 数CPUで の 分 散 処 理 の 状 況 を,各 々 のCPUの 性 能 に 関 す る情 報 と共 に,学 習 者 に 明示 的 に与 え る よ う な工 夫 が必 要 で あ ろ う。

以 上 の 観 点 か ら,レ イ トレ ー シ ング ・ア ル ゴ リズ ム は 今 回 の ニ ー ズ を十 分 満 た して い る もの と 判 断 し,教 材 ア ル ゴ リズ ム と して 選 択 した 。

7.実 習 シ ス テ ム

本 章 で は,実 習 用CG作 成 シ ス テ ム の 開 発 に 関 して 述 べ る 。 まず,使 用 した機 器 環 境 と,そ の 概 要,続 い て,シ ス テ ム の設 計 方 針 と,そ の 動 作 につ い て 詳 説 す る 。

7.1機 器 環 境 本 シ ス テ ム の構 築 にお い て 使 用 した機 器 は以 下 の通 りで あ る。

0 0 0

④ 0

⑥

NECPC9801 NECEWS4800/230 NECEWS4800/220 NECEWS4800/210 SPARCStation2

AppleMacintoshQuadra900

120台 1台 4台 3台 1台 1台

⑦ キ ャ ノ ン カ ラ ー レ ー ザ ー コ ピ ア300 1台

こ れ ら の 機 器 は,Ethernetを 物 理 層 と し たTCP/IPネ ッ ト ワ ー ク に よ っ て 結 合 さ れ て お り [図1],②,⑤ は,そ れ ぞ れ,NISサ ー バ お よ び,デ ー タ ・サ ー バ と し て,ネ ッ ト ワ ー ク 管 理 機 能 を 司 る 。 学 習 者 の 人 数 か ら,① を フ ロ ン トエ ン ド及 び 画 像 表 示 系 と し,③ の1台 をNFSサ ー バ に 設 定 し た 。 実 習 に 用 い る フ ロ ン トエ ン ド用 ソ フ ト ウ ェ ア 群 は,① か らNFSサ ー バ へ の ア ク

5GBHDD 6GBHDD ComputingSer▼ers

EWS4800!210:2 EWS4800'220:4

NISSerrer EWS48001230

DataSer▼er SparcStaion2

EINS4800 21.0!220

EWS4800 2101220

■

三,..

EtherNetBUS

靉 i

Macintosh Quads900 64M612GB NFSSerrer

EWS4$001210 IPC98011… ・/PC98011

IGwl

::

: 二

…120sets…'

LocslTelkConnection

600MBHDD Ganon

LaserCopier300

図1機 器 環 境

セ ス に よ っ て 提 供 さ れ る 。 ま た,完 成 画 像 デ ー タ の 教 師 へ の 提 出 も,NFSサ ー バ を 経 由 し て 行 な う よ う指 導 す る 。 ⑥,⑦ は,画 像 の 印 刷 用 シ ス テ ム で あ る 。 ⑦ は,カ ラ ー ポ ス トス ク リ プ ト ・プ ロ セ ッ サ を 内 蔵 し た イ ン タ ー フ ェ ー ス ・ユ ニ ッ ト と プ リ ン タ 専 用 ゲ ー トウ ェ イ に よ り,⑥ にAp‑

pleTalk(EtherTalk)プ ロ ト コ ル で 結 合 す る 。 ① か ら ⑥ へ の デ ー タ 転 送 はNFSサ ー バ を 利 用 す る 。

① を 画 像 表 示 系 と し て 用 い る 場 合,表 示 可 能 色 数 が 少 な い 点 が 問 題 と な る 。 完 成 画 像 デ ー タ は, 1ピ ク セ ル 当 り3バ イ トの 情 報 量 を 持 ち,理 想 的 に は 約1600万 色/ピ ク セ ル の 発 色 能 力 が 必 要 と な る 。 こ れ は,① に し か る べ き容 量 の フ レ ー ム ・バ ッ フ ァ を 搭 載 す る こ と に よ り可 能 と な る が,

こ の 台 数 の 全 て の 機 器 に フ レ ー ム ・バ ッ フ ァ を 実 装 す る の は 現 実 的 で は な い 。 ま た,学 習 者 が 個 人 的 に 所 有 す る コ ン ピ ュ ー タ 上 で 画 像 表 示 が 可 能 な 方 が 望 ま し い 。 そ こ で,今 回 は,先 行 事 例 [4]に 倣 い,オ ー ダ ー ド ・デ ィ ザ リ ン グ に よ っ て ① を 擬 似 的 に 多 色 化 し た 表 示 系 を 採 用 し た 。

6.2で 触 れ た よ う に,① を ス タ ン ドア ロ ン で 用 い た 場 合,そ の 膨 大 な 計 算 時 間 は,実 習 に お い て 大 い に 問 題 と な る 。 例 え ば,[作 品4](解 像 度399×399)の よ う な 一 般 的 な 画 像 で,そ の 計 算 処 理 に は 約200分 が 必 要 と な る 。 試 行 錯 誤 の 多 発 す るCG画 像 作 成 に お い て,こ の よ う な 処 理

速 度 は,処 理 コ ス トの 大 き さ を実 感 させ る 以 前 に,作 業 に対 す る嫌 悪 感 や忌 避 を招 い て し ま う。

そ こで,今 回 は,③,④ の 計7台 のUNIXワ ー ク ス テ ー シ ョ ン を計 算 サ ー バ と して用 い る こ と を 試 み た 。 こ の結 果;極 端 な混 雑 時 や,解 像 度 の非 常 に高 い画 像,ま た,光 線 の 反 射 ・透 過 等 を多 用 した 画 像 の 作 成 の 場 合 を除 け ば,許 容 可 能 な 処 理 速 度([作 品4]の 計 算 で約45分)が 得 ら れ た 。試 行 錯 誤 の段 階 で は解 像 度 を落 と し,最 終 計 算 で,必 要 な 解 像 度 を指 定 す る よ う指 導 して い る 。

7、2設 計 上 の 留 意 点 本 シス テ ム の 設 計 に 当 た り,下 記 の 点 に留 意 した 。

①UNIXオ ペ レー シ ョ ン に関 す る 知 識 が 不 要 な こ と

② 計 算 サ ー バ を用 い て い る こ と を認 識 させ る こ と

対 象 と す る 学 習 者 は,MS‑DOSオ ペ レ ー シ ョ ン な ら ば,あ る 程 度 の 理 解 を 前 提 と す る こ と が で き る 。 し か し,UNIXオ ペ レ ー シ ョ ン に 対 す る 事 前 教 育 は 受 け て い な い 。 ① は こ の 点 に 配 慮 し た も の で,PC9801をUNIX端 末 と し て 使 用 させ る こ と は 行 な わ な い 。

① に よ り,学 習 者 は,MS‑DOSの 基 本 操 作 だ け で 本 シ ス テ ム を 使 用 す る こ と が 出 来 る 。 し か し な が ら,6.1で 述 べ た よ う に,本 科 目 で は,CG作 成 に 伴 う 処 理 量 の 大 き さ を 体 感 さ せ る こ と も ね ら い と し て い る 。 操 作 上,UNIXワ ー ク ス テ ー シ ョ ン の 存 在 を 隠 す こ と は 望 ま し い が,実 際 に 処 理 を 行 な っ て い る の が,よ り高 速 な マ シ ン で あ る こ と を 気 づ か せ な い の は 好 ま し く な い 。 そ こ で,本 シ ス テ ム で は,計 算 サ ー バ の ポ ー リ ン グ 状 況,割 り 当 て,計 算 経 過 等 を 教 育 的 に 配 慮 し た 表 現 で メ ッ セ ー ジ 出 力 す る(図2)明 ら か に こ の メ ッ セ ー ジ 群 は,一 般 利 用 者 に と っ て 価 値 の あ る 情 報 で は な い が,学 習 者 へ の フ ィ ー ドバ ッ ク情 報 と し て は 必 要 で あ る 。

ワー ク ス テ ー シ ョン の 出席 を と り ます 。 返 事 が 聞 こ え な い の で静 か に して 下 さ い。

akakura iwatake

niseko teine appi manza kuriko

Yes,S Yes,S Yes,S

ZZZ

Yes,S Yes,S

ZZZ

r!

r!

r!

ZZZ

r!

r!

ZZZ

5台 の ワ ー ク ス テ ー シ ョ ンか らお 返 事 が あ り ま した 。 あ なた の計 算 はappiが 担 当 します 。

appiヘ フ ァイ ル を転 送 して い ます 。

appiが 計 算 して い ま す 。応 援 して あ げ ま し ょ う。

図2.実 行 画 面 例

7.3シ ス テ ム の 動 作

本 シ ス テ ム で は,学 習 者1名 に対 し,フ ロ ン トエ ン ド と な るPC9801の 他 に,NFSサ ー バ,計 算 サ ー バ の3台 の コ ン ピ ー タ が 関 与 す る 。 各 マ シ ン 問 の デ ー タ の 流 れ を 図3に 示 す 。 本 シ ス テ ム の 処 理 の 流 れ は 以 下 の 通 りで あ る 。 以 下,① 〜 ⑩ に 沿 っ て,シ ス テ ム の 動 作 に つ い て 詳 説 す る 。

入 力 プ ア イ ル (:=)

L翻 へ _⊃ ^{一 時}

フ7イ ル

¶幅嘔 ̲̲̲̲一 鈩 詞

霾

中 間

フ ァイ ル

≡〉

丶t

↓

'

、

前 処 理

丿

⊃

f丶

レ ン ダ'リ ン グ 計 算

、 ノ

出 力 フ7イ ル

計算結果

画 像 フ7イ ル〕

丿

丶^ノ

圃

画

(:=)

一一時

フ7イ ル

㌦ 囑̲̲̲̲.‑」

一NFSサ ー バ

一 フ ロ ン ト エ ン ド ー 計 算 サ ー バ

図3マ シ ン 間 の デ ー タ の 流 れ

0 0 0

④ 0

⑥ 0

⑧ 0

10

学 籍 番 号 の 入 力

入 力 フ ァ イ ル,出 力 フ ァ イ ル の 指 定

前 処 理/処 理 結 果 の 転 送(フ ロ ン トエ ン ド→NFSサ ー バ) 計 算 サ ー バ の 決 定

中 間 フ ァ イ ル の 転 送(NFSサ ー バ → 計 算 サ ー バ) レ ン ダ リ ン グ 計 算

画 像 フ ァ イ ル(計 算 結 果)の 転 送(計 算 サ ー バ →NFSサ ー バ) 計 算 サ ー バ 上 の 一 時 フ ァ イ ル の 削 除

画 像 フ ァ イ ル の 転 送(NFSサ ー バ → フ ロ ン トエ ン ド) NFSサ ー バ 上 の フ ァ イ ル の 削 除

ノ

こ れ らの うち,学 習 者 の 関 与 す る 処 理 は,①,② の み で あ り,後 は す べ て 自動 的 に実 行 され る。

① で 入 力 され る学 籍 番 号 は,③ 以 降 で 作 成 され る各 種 フ ァ イ ル群 の 名 前 と して 用 い ら れ る。 こ れ は,レ ン ダ リ ン グ計 算 が 計 算 サ ー バ 上 マ ル チ タ ス ク で行 わ れ る た め に,排 他 処 理 の 必 要 が 生 じ る た め で,こ こで は学 籍 番 号 と した が,学 習 者 に関 して 一 意 性 の 保 証 され た文 字 列 で あ れ ば よい 。

② は,学 習 者 がMS‑DOS上 の テ キ ス トエ デ ィ タ で 作 成 し た コ マ ン ド フ ァ イ ル を 入 力 フ ァ イ ル と し て 指 定 し,計 算 結 果 を 格 納 す る 画 像 フ ァ イ ル 名 を 出 力 フ ァ イ ル と し て 指 定 す る 。 こ れ ら の フ ァ イ ル はMS‑DOS上 の フ ァ イ ル で あ る 。 画 像 フ ァ イ ル は 規 模 が 大 き い た め,共 用 ボ リ ュ ー ム 上 に 作 成 す る に は 不 適 当 で あ る の で,実 習 時 に は,学 習 者 の 個 人 用 フ ロ ッ ピ ー デ ィ ス ク 上 に こ れ

ら の フ ァ イ ル を 指 定 す る よ う 指 導 した 。

③ で は,コ マ ン ド フ ァ イ ル を 解 析 し 中 間 フ ァ イ ル を 作 成 す る 。 中 間 フ ァ イ ル はNFSサ ー バ 上 に 作 成 さ れ,⑤ 以 降 の 処 理 でUNIXフ ァ イ ル と し て 扱 わ れ る 。 こ こ で,何 ら か の 原 因 に よ っ て 解 析 に 失 敗 し た 場 合 は,そ の 箇 所 を 学 習 者 に 指 摘 し て 終 了 す る 。

③ で,コ マ ン ドフ ァ イ ル の 解 析 に 成 功 し た 場 合,④ で,計 算 サ ー バ(7台)に 対 し て 問 い 合 わ せ を 行 い,現 在 動 作 可 能 な サ ー バ の 中 か ら計 算 サ ー バ を 決 定 す る 。

⑤ は,④ で 決 定 さ れ た 計 算 サ ー バ にNFSサ ー バ 上 の フ ァ イ ル を 転 送 す る 。 こ れ は,PC9801上 の フ ロ ン トエ ン ド用 ソ フ トウ ェ ア が,計 算 サ ー バ 上 のUNIXコ マ ン ドを 起 動 す る 事 に よ っ て 行 わ れ る 。

⑥ が 処 理 の 大 半 を 占 め る部 分 で,フ ロ ン トエ ン ド に よ っ て 起 動 さ れ た 計 算 サ ー バ 上 の レ ン ダ リ ン グ ・ソ フ ト ウ ェ ア が 画 像 計 算 を 行 う 。 こ の 間,フ ロ ン トエ ン ドで は ,計 算 の 進 捗 状 況 を 示 す, 計 算 サ ー バ か ら の 出 力 メ ッ セ ー ジ を 表 示 す る 。

計 算 結 果 の 画 像 フ ァ イ ル は,計 算 サ ー バ 上 の 一 時 フ ァ イ ル と し て 作 成 さ れ る 。 最 終 的 な 出 力 フ ァ イ ル をMS‑DOSフ ァ イ ル と し て 扱 う た め に,計 算 結 果 は,⑦ でNFSサ ー バ 上 に 転 送 さ れ る 。 転 送 方 法 は ⑤ と 同 様 で あ る 。

⑧ 〜 ⑩ は,後 処 理 で,NFSサ ー バ か ら の 画 像 フ ァ イ ル の ダ ウ ン ロ ー ド(⑨)と,各 種 不 要 フ ァ イ ル の 削 除(⑧,⑩)を 行 う 。

こ こ で 用 い ら れ る 各 種 フ ァ イ ル 群 の 名 前 は,MS‑DOSフ ァ イ ル ,UNIXフ ァ イ ル と も に,① で 入 力 さ れ る 学 習 者 の 識 別 文 字 列 と,フ ロ ン トエ ン ド用 ソ フ ト ウ ェ ア の 発 生 す る 擬 似 的 な プ ロ セ ス 識 別 子 に よ っ て 管 理 さ れ,ネ ッ トワ ー ク 上 で の フ ァ イ ル 名 の 一 意 性 を 保 っ て い る 。 こ れ ら に よ り, 同 一 学 習 者 が 複 数 の フ ロ ン トエ ン ドか ら 計 算 サ ー バ を 利 用 し た 場 合 に 発 生 す る フ ァ イ ル 名 の 重 複 を 回 避 し て い る 。

8.評 価

本 授 業 の 終 了 時(前 期 末 定 期 試 験 時)に,学 習 者 に 対 し評 定 尺 度 法 に よ る ア ン ケ ー ト調 査 を 実 施 し た 。 試 験 時 に 実 施 し た た め,回 収 率 は100%で,回 答 者 数 は94名 で あ っ た 。 こ の ア ン ケ ー ト 結 果 を 集 計 し,意 味 構 造 分 析(SS分 析SemanticStructureAnalysis)[5][6]に よ っ て 結 果 の 解 析 を 試 み た 。 以 下 で,SS分 析 の 概 要 と,解 析 結 果 に つ い て 述 べ る 。

8.1ア ンケ ー ト項 目 と平 均 評 定値

学 習 者 に配 布 した ア ンケ ー ト票 を 図4に 示 す 。 学 習 者 は 図4の 各 質 問 項 目に対 して5段 階 の 定 点 評 定 を行 う。 全 て の質 問項 目 は,肯 定 的 な評 価 ほ ど好 ま しい よ う に質 問 内容 を設 定 して あ る。

各 質 問項 目 の評 定 に対 して 「そ う思 う」 に評 定 値5点 を与 え,以 下 厂そ う は 思 わ な い」 まで4点

〜1点 の評 定 値 を与 え て 数 値 化 し た(評 定 尺 度 法)。 単 純 に 各 項 目の 平 均 評 定 値 を 求 め た もの が 表1(a)で あ る。 表1(a)を 見 る限 りに お い て,極 端 に高 い(低 い)平 均 評 定 値 を示 す 質 問項 目は 無 い 。 項 目18「 新 しい もの が 好 きだ 」 が 最 高 で4.293,項 目12「 試 験 結 果 に は 自信 が あ る」 が 最低

で2.130と な って い る 。 表1(a)の 各 項 目 を平 均 評 定 値 の 降lq頁に 並 べ 替 え た もの が 表1(b)で あ る。

これ か ら,全 体 と して は 中 間 的 な評 価 を して い る もの の,学 習 者 の授 業 に対 す る 意 識 ・態 度 は 比 較 的 高 く,そ の 一 方 で,授 業 内 容 の 理 解 とい う点 で は や や 自信 が持 て な い様 子 が うか が え る。

コ ン ピュ ー タ ・グ ラ フ ィ ク スの 授 業 に 関す る ア ンケ ー ト

各 質 問 に対 して,適 当 な 目盛 りをマ ー ク して 下 さい 。 目盛 りの 問 をマ ー ク しな い こ と。

そ う そ う は

思 う 思 わ な い

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

授 業はわか りやすか った きちん と出席 した きちん とノー トをとった 講義内容は面 白か った 実習は面 白か った(出 席者 のみ) 教師は十分準備 して いる 半期 よりも通年授業 の方 がよい 受講者数 は適当であ る

実習用 コンピュータの処 理速度は十分だ 実習に用い たシステムは使 いやすい 不合格 だったら来年 また受講 したい 試験結果 には自信 がある

数学 は得意 な科 目だ 数学 は好 きな科 目だ

数学で は計算 より証明の方が好 きだ プログラ ミングは得 意だ

プログラ ミングする ことが好 きだ 新 しい ものが好 きだ

講義/実 習内容 は将来役 に立つ 写真 を撮 るのが好 きだ 絵 を描 くのが好 きだ

図画 より工作(造 形)が 好 きだ

iiiii

iiiii

iiiii

試験 終 了 時,答 案 と共 に提 出 す る こ と。

授 業 に 対 す る意 見 等 あ れ ば,裏 面 に 記 入 し て下 さ い。

図4.ア ン ケ ー ト票

表1(a)平 均 評 定 値(項 目順)

項 目1:授 業 は わ か りや す か っ た 2.859

項 目2:き ち ん と出 席 し た 3.554

項 目3:き ち ん とノ ー トを と っ た 3.380

項 目4:講 義 内 容 は 面 白 か っ た 2.989

項 目5:実 習 は 面 白 か っ た(出 席 者 の み) 3.804

項 目6:教 師 は 十 分 準備 して い る 3.728

項 目7:半 期 よ り も通 年 授 業 の方 が よ い 3.870

項 目8:受 講 者 数 は 適 当 で あ る 2.652

項 目9:実 習 用 コ ン ピュ ー タの 処 理 速 度 は十 分 だ 2.478 項 目10:実 習 に用 い た シ ス テ ムは 使 い や す い 2.880 項 目11:不 合 格 だ っ た ら来 年 また 受 講 した い 3.261 項 目12:試 験 結 果 に は 自 信 が あ る 2.130

項 目13:数 学 は得 意 な課 目だ 3.000

項 目14:数 学 は好 き な課 目だ 3.652

項 目15:数 学 で は計 算 よ り証 明 の 方 が 好 き だ 2.348 項 目16:プ ロ グ ラ ミ ング は得 意 だ 2.848 項 目17:プ ロ グ ラ ミ ング す る こ とが 好 き だ 3.359

項 目18:新 しい もの が好 きだ 4.293

項 目19:講 義/実 習 内容 は将 来 役 立 つ 3.370

項 目20:写 真 を撮 る のが 好 きだ 2.913

項 目21:絵 を描 くの が好 きだ 3.185

項 目22:図 画 よ り工 作(造 形)が 好 きだ 3.543

表1(b)平 均 評定値(評 定値 順)

項 目18:新 しい もの が 好 きだ 4.293

項 目7:半 期 よ りも通 年 授 業 の 方 が よい 3.870 項 目5:実 習 は面 白 か っ た(出 席 者 の み) 3.804

項 目6:教 師 は十 分 準 備 して い る 3.728

項 目14:数 学 は好 き な課 目だ 3.652

項 目2:き ち ん と 出席 した 3.554

項 目22:図 画 よ り工 作(造 形)が 好 きだ 3.543 項 目3:き ち ん と ノ ー ト を と った 3.380 項 目19:講 義/実 習 内容 は将 来役 立 つ 3.370 項 目17:プ ロ グ ラ ミ ング す る こ とが 好 きだ 3.359 項 目11:不 合 格 だ っ た ら 来年 も また 受 講 した い 3.261

項 目21:絵 を描 くの が 好 きだ 3.185

項 目13:数 学 は得 意 な課 目だ 3.000

項 目4:講 義 内 容 は面 白 か っ た 2.989

項 目20:写 真 を撮 る のが 好 きだ 2.913

項 目10:実 習 に用 い た シ ス テ ム は 使 い や す い ^....1

項 目1:授 業 は わか りや す か った 2.859

項 目16:プ ロ グ ラ ミ ング は得 意 だ ^.,.

項 目8:受 講 者 数 は適 当 で あ る。 2.652

項 目9:実 習 用 コ ン ピュ ー タの 処 理 速 度 は 十 分 だ 2.478 項 目15:数 学 で は計 算 よ り も証 明 の 方 が 好 きだ 2.348 項 目12:試 験 結 果 に は 自信 が あ る 2.130

8.2意 味 構 造 分 析(SS分 析)

意 味 構 造(SemanticStructure)分 析 は,評 定 尺 度 デ ー タ に 対 す る分 析 法 で,項 目の 評 定 値 の 大 小 関係 に 基 づ き項 目間 の 順 序 関係 を求 め,全 項 目の 階 層 構 造 グ ラ フ(SSグ ラ フ)を 構 築 す る

[5]。 本 ア ン ケ ー ト調 査 結 果 に 基 づ い て作 成 した 各 項 目間 の 順 序 係 数 表 を表2に 示 す 。

表2順 序性 係数 表

(12) (15) ( 9 ) (8) (16) (1) (10) (20) (4) (13) (21) (11) (17) (19) ( 3) (22) (2) (14) (6 ) (5 ) ( 7 ) (18)

12 0.0 90.5 88.9 92.7 94.0 95.1 91.8 92.7 94.6 93.7 94.0 94.6 96.5 95.9 96.7 95.7 97.3 96.7 97.8 98.6 94.8 99.2 15 85.1 0.0 86.4 89.4 95.4 94.8 91.3 92.1 93.2 92.1 94.8 94.6 96.2 94.6 92.7 96.2 94.6 97.0 97.6 97.0 95.4 99.5 9 80.2 83.2 0.0 90.2 86.4 91.8 94.6 92.1 91.0 89.9 91.3 92.9 92.1 94.3 90.2 93.7 91.8 94.0 95.7 98.1 96.2 98.6 8 79.6 81.8 85.9 0.0 88.0 89.7 89.9 89.1 89.9 90.8 89.4 91.8 91.3 92.9 89.1 92.7 90.5 93.2 94.3 95.7 94.8 98.9 16 76.1 82.9 77.2 83.2 0.0 87.5 88.3 85.3 90.8 87.0 89.4 88.0 98.6 92.7 88.9 91.0 91.3 92.1 95.7 94.8 95.1 99.5 1 76.9 82.1 82.3 84.5 87.2 0.0 89.9 87.2 94.0 88.3 89.1 92.1 90.894.8 90.5 93.5 92.4 94.0 97.0 96.2 93.2 97.8 10 73.1 78.0 84.5 84.2 87.5 89.4 0.0 87.2 89.7 86.4 87.5 90.5 92.1 93.7 89.4 91.6 90.8 91.3 96.5 97.3 95.7 98.4 20 73.1 78.0 81.2 82.6 83.7 85.9 86.4 0.0 88.0 85.1 93.2 91.0 91.3 92.4 88.9 94.0 89.7 91.0 96.7 94.6 94.6 98.6 4 73.1 77.2 78.3 81.5 87.2 90.8 87.0 86.1 0.0 85.9 87.8 90.8 91.3 92.9 91.0 91.8 93.2 93.2 97.8 97.0 94.0 97.8 13 72.0 75.8 76.9 82.1 83.2 84.8 83.4 82.9 85.6 0.0 85.3 88.6 88.0 88.9 86.1 91.3 87.2 98.1 92.9 93.2 93.5 97.6 21 67.7 73.9 73.6 76.1 81.0 81.0 79.9 86.4 82.9 80.7 0.0 87.5 89.1 89.7 87.0 91.3 87.5 88.0 92.7 92.1 93.2 98.1 11 66.3 71.7 73.4 76.6 77.7 82.1 81.0 82.3 84.0 82.1 85.6 0.0 86.4 89.1 84.2 88.6 85.9 90.8 92.4 91.3 93.2 97.8 17 65.8 70.9 70.1 73.6 85.9 78.3 80.2 80.2 82.1 79.1 84.4 84.0 0.0 87.2 83.2 87.0 86.1 88.0 92.4 91.3 93.7 98.9 19 64.9 69.0 72.0 75.0 79.6 82.1 81.5 81.0 83.4 79.6 85.1 86.4 87.0 0.0 86.4 88.0 87.2 87.8 92.9 92.4 91.0 98.6 3 65.5 66.8 67.7 70.9 75.5 77.4 76.9 77.2 81.2 76.6 82.1 81.2 82.6 86.1 0.0 86.4 94.6 86.1 90.8 91.3 88.3 95.4 22 60.3 66.3 67.1 70.4 73.6 76.4 75.0 78.3 78.0 77.7 82.3 81.5 82.3 83.7 82.3 0.0 84.2 85.9 88.6 88.6 89.4 97.3 2 61.7 64.4 64.9 67.9 73.6 75.0 73.9 73.6 79.1 73.4 78.3 78.5 81.2 82.6 90.2 84.0 0.0 83.4 88.3 90.5 85.9 93.7 14 58.7 64.4 64.7 68.2 72.0 74.2 72.0 72.6 76.6 81.8 76.4 81.0 80.7 80.7 79.3 83.2 81.0 0.0 88.6 87.5 87.2 95.4 6 57.9 63.0 64.4 67.4 73.6 75.3 75.3 76.4 79.3 74.7 79.1 80.7 83.2 84.0 82.1 84.0 84.0 86.7 0.0 91.3 89.1 94.8 5 56.8 60.6 64.9 66.8 70.9 72.6 74.2 72.3 76.6 73.1 76.6 77.7 80.2 81.5 80.7 82.1 84.2 83.7 89.4 0.0 ^88.0 94.3 7 51.4 57.3 61.4 64.4 69.6 67.9 70.9 70.7 72.0 71.7 76.1 78.0 81.0 78.5 76.1 81.2 78.0 81.8 85.6 86.4 0.0 94.3 18 45.1 50.8 53.3 57.9 63.3 62.0 63.0 64.1 65.2 65.2 70.4 72.0 75.5 75.5 72.6 78.5 75.3 79.3 80.7 82.1 83.7 0.0

8.3SSグ ラ フ

表2の デ ー タ を グ ラ フ化 し た もの が 図5のSSグ ラ フで あ る。 グ ラ フ 中 の 点 線 は,因 子 分 析 に よ っ て3因 子 に分 解 され た 質 問 項 目の カ テ ゴ リ ー の境 界 を表 す 。 グ ラ フ 中左 か ら,

第1因 子:学 習 者 の授 業 に対 す る意 識 ・態 度 に関 す る 因 子 第2因 子:学 習 者 の 興 味 に 関す る因 子

第3因 子:学 習 者 の 能 力 に 関 す る 因子 を意 味 して い る 。

以 下,こ のSSグ ラ フの 観 察 を も と に,質 問 項 目 間 の 関連 につ い て考 察 す る。

一240一

作 品1 Hardware:PC9801RA+IM9800SE(2CPU) Software:IM‑SuperTrekRezolution:640'480(24bits/pixel)

PrintingHardware:Macintoshllcx+CLC300+PS‑IPU PrintingSoftware:AdobePhotoShop CreatedbyT.Shakushi,BunkyoUniversity

作 品2 Hardware:PC9801RA+IM9800SE(2CPU) Software:IM‑SuperTrekRezolution:640'48(24bits/pixel)

PrintingHardware:Macintoshllcx+CLC300+PS‑IPU PrintingSoftware:AdobePhotoShop CreatedbyM.Tanae,BunkyoUniversity

作 品3

作 品4

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

図5SSグ ラ フ

8.3.1等 価 関 連 項 目 等 価 関連 項 目は2項 目ず つ の組 が 以 下 の2組 現 れ て い る。

① 項 目2「 き ち ん と出 席 した」 と項 目3「 きち ん とノ ー トを と っ た」

② 項 目1「 授 業 は 分 か りや す か っ た」 と項 目4「 講 義 内容 は面 白 か った 」

① の2項 目 の平 均 評 定 値 は比 較 的 高 く,「 出 席 す れ ば 必 ず ノ ー トを と る」 学 習 者 が 多 数 存 在 す る こ とが う か が え る。 ② に 関 して は,平 均 評 定 値 は や や 低 く,授 業 内 容 は難 解 な 印 象 が あ っ た と 考 え ら れ る。 しか し,「 わ か りやす さ」 また は 「面 白 さ」 の 印 象 を持 った 学 習 者 に 関 して は,こ

の 両 者 の 間 に 良 循 環 が起 こ って い る と考 え られ る 。6.1で 述 べ た 通 り,本 教 科 は そ れ ほ ど高 度 な 予 備 知 識 を必 要 とす る内 容 で は な い の で,学 習 者 の 持 つ 難 解 な印 象 は,既 得 の 知 識 の 定 着 度 に 対 す る 自信 の 無 さ や,単 な る先 入 観 に起 因 して い る可 能 性 が あ り,更 な る調 査 と対 応 を考 察 す る 必 要 が あ る 。

8.3.2順 序 関 連 項 目 (1)以 下 の8項 目 間 に は,順 序 的 に 強 い 関 連 が み ら れ る 。

項 目1「 授 業 は わ か りや す か っ た 」 項 目2「 き ち ん と 出 席 し た 」 項 目3「 き ち ん と ノ ー ト を と っ た 」 項 目4「 講 義 内 容 は 面 白 か っ た 」 項 目5「 実 習 は 面 白 か っ た 」

項 目6「 教 師 は 十 分 準 備 して い る 」

項 目10「 実 習 に 用 い た シ ス テ ム は 使 い や す い 」 項 目19「 講 義/実 習 内 容 は 将 来 役 立 つ 」

こ れ は,学 習 者 の 参 加 意 識(項 目2,3)や 動 機 づ け(項 目19)の 心 理 的 要 因 が,授 業 内 容 に 対 す る 興 味 へ の 肯 定 的 評 価(項 目1,4,5)と 一 体 不 可 分 で あ る こ と を 示 し て い る と 考 え ら れ よ う 。 ま た,そ れ ら は 教 師 へ の 評 価(項 目6)の み な らず,設 備 に 対 す る 肯 定 的 評 価(項 目10)へ

も反 映 し て き て い る 。

(2)以 下 の4項 目 は順 序 的 に1系 列 を な して い る 。 項 目20「 写 真 を撮 るの が 好 きだ 」

→ 項 目21「 絵 を描 くの が 好 きだ 」

→ 項 目22「 図画 よ り工 作(造 形)が 好 きだ 」

→ 項 目18「 新 しい もの が好 きだ 」

こ の系 列 は,学 習 者 の 映 像 に対 す る興 味 に 関 す る もの で あ る。 項 目間 の 順 序 か らみ て,学 習 者 の 映 像 に 関 す る興 味 は,2次 元 か ら3次 元 へ,ま た,よ り自 由度 の 高 い 創 造 へ 向 か っ て い る もの と 考 え られ る 。 そ して,そ れ らの 方 向 が,「 新 し い もの 」 へ 向 か っ て い る点 は,個 人 レベ ル で の 映 像 表現 の 変 革 を予 感 して い る可 能 性 が あ る。 今 回 は事 後 調 査 の み で あ る の で 判 然 と しな い が,こ

の こ とが 本 教 科 の 事 後 に お け る反 応 の 特 徴 で あ れ ば,コ ン ピ ュ ー タ に よ る情 報 表 現 に 関 す る リテ ラ シー 涵 養 の 目 的 は 成 功 して い る こ と に な る 。 この 点 に 関 して は,事 前 調 査 の計 画 を含 め今 後 の 有 意 義 な課 題 で あ る 。