CGI
定义
CGI指利用计算机及相应软件绘制静态图片或动态影像的技术总称,既包含二维图像,也包含在影视、广告中常见的三维特效[1]。在实际使用中,该词最常见的含义是经贴图、灯光、动画处理并由软件渲染出来的三维模型画面,因此常与“三维动画”“电脑特效”等说法混用[4]。它与视觉效果(VFX)不是同一概念:CGI指被计算机生成的画面元素本身,而视觉效果指包含合成、抠像、跟踪在内的整套数字画面处理工艺,前者是后者的组成部分[4]。
与实拍特效不同,CGI画面完全由软件产生,不依赖现场烟火、机械模型或化妆等手段;不少作品会把实拍特效与CGI叠加使用[4]。三维计算机图形所使用的几何数据以三维坐标形式存放在计算机中,渲染结果通常显示在二维屏幕上,因此画面本身仍是二维图像[5]。
原理
三维计算机图形的生产一般分为建模、布局与动画、渲染3个基本阶段:建模形成物体形状,布局与动画确定物体在场景中的位置与随时间的变化,渲染则根据光源位置和表面性质计算出图像[5]。细化后的流程还包括贴图与着色、骨骼装配、灯光布置以及合成与后期,其中贴图负责给模型赋予颜色和表面细节,装配则用数字骨架实现关节动作[2]。
渲染环节模拟的是光学过程,渲染器求解的核心是渲染方程,即统计光线在场景中传播、被表面吸收、反射或折射后到达虚拟相机的颜色与强度,为此需要确定几何、材质与光照三类要素[6]。其常见形式可写作 $L_o = L_e + \int_{\Omega} f_r L_i \cos\theta \, d\omega$,其中 $L_e$ 为自发光项,$f_r$ 为描述表面反射特性的双向反射分布函数,积分在半球面上累加入射光的贡献[7]。
两类基础算法支撑渲染:光栅化把三维几何投影到二维屏幕并快速填充像素,适合电子游戏等实时场合;光线追踪则模拟光线的物理路径,能较准确地计算阴影、反射与折射,但计算量大,多用于影视等离线高质量渲染[6]。仅计算光源直接照到的表面称为局部光照,把被照亮的表面再视为光源反复计算多次反弹,称为全局光照,后者是真实感图像合成中的主要难点[8]。动画方面有3种常见方式:关键帧动画由电脑插补中间姿态,动作捕捉记录真人身上的传感器数据,程序化动画则以规则和公式描述雪花等运动[9]。
发展历程
20世纪60年代,计算机图形技术开始受到关注,初期生成的图形较为粗糙,但其直观、便于修改的特点已被认识[1]。“计算机图形”一词由波音公司的威廉·费特(William Fetter)于1960年前后提出,用于描述其驾驶舱人因设计工作;他还在1964年制作了最早的人体计算机模型之一,用于驾驶舱研究[10]。
1973年的电影《西部世界》较早把二维计算机动画用于长片,其续集《未来世界》则较早出现三维线框图形[11]。1984年上映的《最后的星空战士》把CG飞船、星球等元素与实拍镜头整合在同一画面中,是较早的“整合式CG”案例[12]。1995年,皮克斯(Pixar)推出《玩具总动员》,这是首部完全由计算机生成的长篇动画电影[12]。
2009年的《阿凡达》把面部数据映射到数字角色,并借助面部捕捉头戴设备与虚拟摄影技术提高表演匹配精度[13]。2019年,帕特里克·汉拉汉(Patrick Hanrahan)与爱德·卡特穆尔(Ed Catmull)因对三维计算机图形学的贡献及其对电影制作和CGI的革命性影响获得图灵奖[3]。近年实时引擎、LED虚拟拍摄与人工智能资产生成开始进入制作流程,使部分环节的成本和周期有所下降[4]。
应用
影视是CGI最广为人知的应用方向,早期多用于呈现难以实拍的生物、场景和大场面,此后也用于替代临时演员、节省搭景费用。数字角色可完成真人难以完成的动作,也常用于演员离世或需要呈现年轻面貌的情形,例如《速度与激情7》在演员去世后以其兄弟的表演捕捉数据配合电脑动画完成镜头。
除娱乐业外,该技术还用于建筑、工程与医药场景的可视化,建筑师可借此模拟设计方案,医生可借其增强扫描图像的表现,教育者则用其提供沉浸式学习材料[2]。在工业与科普领域,三维动画可把复杂原理转为直观画面,上海中心建造时工程师即借助建筑数字模型在电脑上预拼装两万多块曲面玻璃,提前排查碰撞点[3]。
在电视与赛事转播中,CGI最早用于气象图,后来发展为叠加在实况画面上、与真实场景对齐的图形标注,如橄榄球转播中的“首攻线”和游泳比赛中的纪录位置线[14]。电子游戏中常用的即时运算图形同样属于计算机生成图像的范围,虚拟现实、增强现实以及法庭上的事件过程演示也都建立在三维建模与渲染之上[14]。
局限
该技术并不必然更省时省钱。若要拍摄窗帘在阳光下轻飘或树叶随风飘落这类镜头,搭景实拍的代价可能低于同等的CG制作;而万人全景等大场面才更能体现其成本优势[1]。渲染是流程中计算量最大的环节,使用高性能计算机时每帧耗时数小时并不罕见,场景通常还需分对象渲染后再合成[9]。
人类面部仍是难点。面部肌肉数量多、表情动作细微、皮肤纹理复杂,对计算能力要求高,稍有偏差就会显得僵硬[15]。日本学者森政弘在1970年描述过所谓“恐怖谷”效应:人造形象越接近人,好感度越高,但接近到几乎相同又略有差异时会转为不适,不合格的数字人物正容易落入这一区间[15]。此外,渲染模型只反映物体外表,难以刻画肌肉间细微互动,因此常需动作捕捉补充真实运动数据[14]。
参见
参考资料
- 電腦合成影像 [引用日期2026-10-29]
- 什麼是電腦產生的影像？- Adobe Substance 3D [引用日期2026-10-29]
- 三维动画：“再造”一个新世界 --科幻--中国作家网 [引用日期2026-10-29]
- CGI是什麼意思？ | 3D 詞彙表 | Meshy [引用日期2026-10-29]
- 3D computer graphics [引用日期2026-10-29]
- CGI Rendering: A Complete Guide to Techniques and Workflows [引用日期2026-10-29]
- 6.1.computer-graphics-and-visual-computing [引用日期2026-10-29]
- Chapter 1 [引用日期2026-10-29]
- “An Introduction to Digital Effects” by Wright [引用日期2026-10-29]
- Computer graphics: Difference between revisions [引用日期2026-10-29]
- 计算机图形学简史 [引用日期2026-10-29]
- History of Computer Graphics [引用日期2026-10-29]
- CGI [引用日期2026-10-29]
- Computer-generated imagery [引用日期2026-10-29]
- Денис Каминев — о «зловещей долине» и будущем CGI [引用日期2026-10-29]