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些年好萊塢的各種超現(xiàn)實(shí)大片以迅雷不及掩耳之勢(shì)興起，各種大制作加上特效，簡(jiǎn)直讓人目不暇接，再回頭看看以前的五毛錢特效，簡(jiǎn)直隔著屏幕都覺得尷尬，雖然我們看電影的時(shí)候可能會(huì)看出來哪里是加了特效的，但是對(duì)特效還是沒有一個(gè)清楚的認(rèn)知的，今天的漲姿勢(shì)版塊，給大家收集了很多你熟悉的電影大片特效前后的對(duì)比，看完真是一口老血噴了出來。

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《奇幻森林》里的這些讓人真假難辨的小動(dòng)物們，幾乎都是由后期特效制作出來的，為了讓影片中會(huì)說話的動(dòng)物們看起來更逼真，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在拍攝前做足了功課，專門去學(xué)習(xí)了動(dòng)物們的生活習(xí)性和面目動(dòng)作以及表情等等，這部電影可以說是業(yè)界的良心制作了。

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《愛麗絲夢(mèng)游仙境》只有極少的場(chǎng)景是真實(shí)拍攝的，大部分都是使用特效制作而成的，這樣看里面的特效演員著實(shí)有點(diǎn)滑稽呢，如果不是這么完美的特效，可能這部影片并不是那么出彩。

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傳聞中的阿拉丁神毯其實(shí)是這樣的，它的背后可不是神奇的魔法，換成是哪一個(gè)女人看到這樣的畫面，可能都會(huì)被眼前的一幕震撼到的。

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我們?cè)凇督K結(jié)者》里看到的它可能是個(gè)靈活的戰(zhàn)士，實(shí)際上在鏡頭下面其實(shí)還有個(gè)辛苦的工作人員。

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《美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)》里的驚險(xiǎn)鏡頭其實(shí)是這樣拍出來的，是不是在電影院看到這一幕的時(shí)候還替他捏了一半冷汗，其實(shí)這樣的場(chǎng)景更是需要一個(gè)演員的超高素養(yǎng)，沒點(diǎn)演技還真是做不到。

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《金剛》也是一部特效制作非常細(xì)膩的作品，在2005年可以做出這樣的電腦特效，已經(jīng)屬于當(dāng)時(shí)最高端的技術(shù)了，女主其實(shí)是在一只“大綠手”里完成拍攝的，這演技確實(shí)值得點(diǎn)贊。

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這絕對(duì)讓人意想不到的場(chǎng)景，原來很多末日電影里的海嘯是這樣拍攝出來的，想都沒想到竟然是這樣的模型外加一桶水……

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《權(quán)利的游戲》中呼風(fēng)喚雨的龍媽和她統(tǒng)一大業(yè)的龍寶寶，原來竟然是這么萌萌的玩具加特效制作出來的，特效師真的是絕了！

有時(shí)候她的小龍其實(shí)只是一個(gè)綠色的小球而已，不知道演員們是怎么忍住不笑場(chǎng)的？

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《加勒比海盜》里的很多外景船上戲份其實(shí)都是在布景里拍攝的，影片中看起來極具真實(shí)感奇幻海洋，可能都是后期特效加上去的，真是讓人拍案叫絕。

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奇異博士的這個(gè)看起來非常炫酷的火花繩索原來不全都是靠特效加上去的，這個(gè)效果其實(shí)是一根發(fā)光的繩索加了特效做出來的。

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《小飛象》里的這些雖然心里知道是假的，但是真的看到這對(duì)比圖之后，還是忍不住地想笑，看到趴在地上這位特效演員的時(shí)候，我差點(diǎn)一口老血噴出來。

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《忍者神龜》片場(chǎng)的照片看起來太好玩了，據(jù)說整個(gè)影片里的特效鏡頭超過1600個(gè)，幾乎覆蓋了整個(gè)影片，而大反派全都是有電腦特效合成的。

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這些特效小綠人真是無處不在啊，《哈利波特》里的這個(gè)鏡頭竟然是小綠人幫忙完成的。

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《暮光之城》系列里的狼人，其實(shí)也是特效演員來完成的，不知道女主當(dāng)時(shí)摸在他頭上的時(shí)候，心里在想什么，我猜一定是在想方設(shè)法地忍住不讓自己笑出聲來吧。

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原來死侍的衣服是真的，但是鋼力士整個(gè)都是假的，背景也是添加了特效的。

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阿凡達(dá)特效前后的對(duì)比圖，雖然整個(gè)臉都是特效做出來的，但是這樣的深情卻是特效做不出來的，即便是放到現(xiàn)在這特效也是頂級(jí)的吧。

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《猩球崛起》的特效前后，雖然說特效師的技術(shù)確實(shí)非常高超，但是演員的表情也是非常重要的，這對(duì)演員來說也是對(duì)演技的一大考驗(yàn)。

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《地心引力》這部電影幾乎整個(gè)都是太空中的鏡頭，但是想要在真實(shí)的太空拍攝是不可能的，所以整部影片幾乎都是在專門制作的棚里拍攝完成的，而相比起后期加特效來說，更困難的是怎樣做出和太空一樣的失重環(huán)境。

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《盜夢(mèng)空間》里為了能拍攝出在失重狀態(tài)下的打斗戲，攝制組專門制作了這樣一個(gè)慢慢地在旋轉(zhuǎn)的房間，演員們?yōu)榇艘哺冻隽瞬簧傩量唷?/span>

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死侍這兩條可愛的小腿，其實(shí)是這樣做特效的。

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《侏羅紀(jì)公園里》那些兇猛的恐龍們，可能都是這樣的特效演員們辛苦扮演的，只是我沒有看明白，為什么不能穿一件衣服呢？

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《極寒之城》的場(chǎng)景其實(shí)有一部分是真實(shí)的，也有一部分是通過特效做出來的，比如旁邊的這條河。

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《哥斯拉》電影中，這幾位大兵望向遠(yuǎn)方大海的畫面，看起來震撼無比，但實(shí)際上演員們看到的只是一片綠幕而已。

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《禁閉島》這部電影是一部非常燒腦的口碑電影，進(jìn)入這個(gè)禁閉島就好像進(jìn)入了迷宮似的，而實(shí)際上島上這神秘的建筑其實(shí)是道具組專門制作的模型，每一個(gè)細(xì)節(jié)都是精心還原的。

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很多明星從來沒有學(xué)過騎馬，在拍攝騎馬的戲份的時(shí)候是很容易受傷的，以前可能會(huì)選擇讓替身來完成戲份，而如今特效就可以輕松搞定了。

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《死侍》里的爆炸戲，這樣的畫面對(duì)于特效師來說簡(jiǎn)直就是小菜一碟。

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《海王》中海王和海后在水底的戲份當(dāng)然不是真的在海底拍攝的，而為了拍攝出頭發(fā)在水中飄蕩的感覺，海后在水中游蕩的時(shí)候頭發(fā)是扎起來的的，然后在上面標(biāo)記追蹤點(diǎn)。

本文由全球獵奇菌原創(chuàng)，歡迎關(guān)注，帶你一起長(zhǎng)知識(shí)！

器之心分析師網(wǎng)絡(luò)

作者：李媛媛

編輯：H4O

隨著2019年ACM 圖靈獎(jiǎng)授予計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的兩位學(xué)者Patrick M. Hanrahan和Edwin E. Catmull，人們也重新將目光投向了 CGI 領(lǐng)域以及這一領(lǐng)域在印刷媒體、視頻游戲、商業(yè)廣告、互動(dòng)多媒體等方向上的應(yīng)用。本文以時(shí)間為軸，以皮克斯電影為重心，講述了自上世紀(jì)50年代以來 CGI 的發(fā)展歷程。

2019 ACM 圖靈獎(jiǎng)大獎(jiǎng)出爐，最終花落計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專家 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull，以表彰他們?cè)诟拍顒?chuàng)新和軟硬件方面的貢獻(xiàn)，以及對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所產(chǎn)生的根本性的影響。而上一次圖靈獎(jiǎng)?lì)C給圖形學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，還是在 32 年前——1988 年計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父 Ivan Sutherland 憑借其發(fā)明的 Sketchpad 而獲得圖靈獎(jiǎng)。這種圖形用戶界面的早期版本直接影響了計(jì)算機(jī)的用戶交互方式，現(xiàn)在早已在個(gè)人計(jì)算機(jī)中無處不在。它發(fā)明了一系列在今天的用戶界面中被視為「基本操作」的功能：繪制水平線和垂直的線、將繪制的線組合成不同形狀、調(diào)整圖形大小、旋轉(zhuǎn)圖形以及縮放窗口等。

本次獲獎(jiǎng)的 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull，則從另一個(gè)角度深刻的改變了我們的生活。作為皮克斯的創(chuàng)始人——Edwin E. Catmull 還曾是華特 · 迪士尼動(dòng)漫工作室的總裁——他們的貢獻(xiàn)主要集中在從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展出的電腦生成圖像（Computer-generated imagery，CGI）技術(shù)中，他們的研究成果展示了利用計(jì)算機(jī)來繪制的故事影片能夠如何為電影制作賦予新的靈感。

正如 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 本身的興趣在電影制作上，CGI 最廣為人知的應(yīng)用是在影視作品中創(chuàng)造角色，又稱「CGI 動(dòng)畫」，比如迪士尼動(dòng)畫電影中的所有角色都是通過 CGI 技術(shù)創(chuàng)造出來的。但 CGI 在印刷媒體、視頻游戲、商業(yè)廣告、互動(dòng)多媒體等方向也有廣泛應(yīng)用，例如宜家 70% 以上的場(chǎng)景圖都是在電腦中建模渲染完成的，并且 CGI 的商業(yè)應(yīng)用還在呈逐年上升的趨勢(shì)。如果我們跳出 CGI 的定義范圍，進(jìn)入它的父領(lǐng)域計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（computer graphi，CG），那么應(yīng)用該技術(shù)的研究幾乎涉及到我們生活中與計(jì)算機(jī)有關(guān)的方方面面了，比如用戶界面設(shè)計(jì)、渲染、光線跟蹤、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、3D 建模、著色器、GPU 設(shè)計(jì)等等。

為什么 CGI 應(yīng)用如此廣泛？直觀來講，CGI 的主要目的是提供足夠逼真的視覺效果。這種視覺效果，最直接的的作用就是提供更好的感官體驗(yàn)——比如用 CGI 技術(shù)為電腦生成的圖像加上一些「瑕疵」，使其更貼近我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活觀察到的形象。或者對(duì)一些紋理的渲染——毛發(fā)、皮膚、布料等，電腦直接生成的圖像往往銳度過高并且不具有紋理。在一些現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療中，由于一些植入產(chǎn)品需要根據(jù)患者的情況進(jìn)行高度定制，CGI 已經(jīng)成為制定手術(shù)計(jì)劃的一部分，用以對(duì)患者的器官進(jìn)行精準(zhǔn)建模。類似地，利用 CGI 生成的 3D 建筑模型比傳統(tǒng)圖紙更準(zhǔn)確，并且可以提供交互式體驗(yàn)，從而為客戶提供更好的概覽，并且能夠?qū)?xì)節(jié)、特殊的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。由于交互式可視化可以動(dòng)態(tài)展現(xiàn)數(shù)據(jù)，CGI 也可以允許用戶從多個(gè)角度查看數(shù)據(jù)，比如對(duì)復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的可視化。

在過去的半個(gè)世紀(jì)，CGI 以電影行業(yè)為起點(diǎn)，的確悄然無息將其影響力擴(kuò)散到了電子游戲行業(yè)和 VR、AR 等行業(yè)，包括數(shù)據(jù)中心管理和人工智能在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。在本文接下來的內(nèi)容中，以皮克斯為中心，走過 CGI 半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我們將看到 CGI 是如何從一些非常基礎(chǔ)的應(yīng)用，發(fā)展到今天這樣的規(guī)模的。

1950 年代-1970 年代

這一階段是 CGI 的創(chuàng)始發(fā)展期，一個(gè)「從無到有」的時(shí)期。

1958 年，阿爾弗雷德·希區(qū)柯克（Alfred Hitchcock）發(fā)布了首部應(yīng)用 CGI 技術(shù)的電影 VERTIGO，在該片中，一個(gè)綠色的螺旋動(dòng)畫從一只眼睛中緩緩升起。這個(gè)「簡(jiǎn)單」的特效，是世界上第一個(gè)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫。

電影 VERTIGO 截圖。來源：youtube

在這一期間最重要的技術(shù)之一當(dāng)屬由 N. Konstantinov 領(lǐng)導(dǎo)的一組蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家所研發(fā)的貓的運(yùn)動(dòng)的物理數(shù)學(xué)計(jì)算模型。該算法是在 BESM-4 計(jì)算機(jī)上編程的，使用時(shí)需要用計(jì)算機(jī)打印出數(shù)百幀，以后再轉(zhuǎn)換為膠片。他們使用的模型和其理論形成了今日動(dòng)畫電影和計(jì)算機(jī)游戲的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

但整體來看，這十幾年中有關(guān) CGI 技術(shù) 的研究寥寥無幾，直到下一個(gè)十年的來臨。

1970 年代-1980 年代

70 年代，Edwin E. Catmull 等大佬工作逐漸起步。當(dāng)時(shí)還是猶他大學(xué)的學(xué)生的 Edwin E. Catmull 和 Fred Parke 合作，于 1972 年制作了世界上第一部 3D 多邊形動(dòng)畫（polygonal 3D animation）：A Computer Animated Hand。這部動(dòng)畫模擬了他自己的左手，被視為 CGI 發(fā)展史上的 milestone 之一。

動(dòng)畫 A Computer Animated Hand 截圖。來源：youtube

1974 年，F(xiàn)red Parke 在發(fā)表的論文中將他們的工作延伸到了人臉建模領(lǐng)域，這是世界上最早的高仿真人臉 3D 渲染作品之一。這兩項(xiàng)工作最終于 1976 年匯集在了電影 future world 中。由于 Edwin E. Catmull 和 Fred Parke 的杰出工作，猶他州立大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室吸引了來自各地的人，這些人隨后散布在各行各業(yè)，創(chuàng)造了許多我們意想不到的聯(lián)結(jié)——比如慕名而來的約翰·沃諾克（John Warnock），他之后成立了 Adobe Systems。

電影 future world 海報(bào) 來源：https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=5819539

這一時(shí)期 CGI 技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，大量目前使用的算法的雛形都在這一時(shí)期被創(chuàng)造出來，而這之中，最重要的恐怕要數(shù)渲染（render）技術(shù)在這一時(shí)期的突破了。在 CGI 技術(shù)之中，一般在圖像初步創(chuàng)建之后，就要進(jìn)行渲染了，渲染效果將會(huì)直接決定模型與動(dòng)畫最終顯示效果。簡(jiǎn)單的來說，渲染涉及到如何將 3D 物體投射到 2D 圖像中，并盡可能的符合在肉眼情況下我們會(huì)觀察到的幾何效果。

下圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子——圖左中，可以看到一組已經(jīng)建模好的 3D 物體，每個(gè)物體的位置和形狀都由幾個(gè)頂點(diǎn)定義，在這里頂點(diǎn)之間僅簡(jiǎn)單的通過直線連接，并形成了多個(gè)平面，以組成該物體的表面。很顯然，在現(xiàn)實(shí)世界中，我們無法直接透視到物體被遮擋的部分。因此，渲染程序首先需要根據(jù)定義好的視角來決定哪些表面可以被觀察到、哪些則不能，也就是下圖中所呈現(xiàn)的效果。隨后，渲染程序可以在物體表面上進(jìn)行著色，來進(jìn)一步突出其表面紋理、物體位置等信息。在下圖右中物體僅被填上了不同程度的灰色，沒有涉及更多的步驟。在實(shí)際應(yīng)用中，出于不同的目的，渲染程序可以將重點(diǎn)放在圖像的不同特征上——為圖片增加更豐富的色彩和亮度、為物體表面增加紋理、為物體表面增加凹凸起伏、模擬光照在不同環(huán)境（如霧）中散射的效果、增加陰影、增加反射、調(diào)整透明感、增加光的折射效應(yīng)、模擬間接光源光照的效果、增加景深、運(yùn)動(dòng)模糊、不追求真實(shí)感而增強(qiáng)圖像的藝術(shù)性等。

一個(gè)簡(jiǎn)單的渲染示例 來源：http://www.graphics.cornell.edu/online/tutorial/objrender/

更準(zhǔn)確的定義的話，渲染是通過計(jì)算機(jī)程序從 3D 模型生成 2D 圖像。在這一定義中，模型是用語(yǔ)言或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格定義的三維物體或虛擬場(chǎng)景的描述，它包括幾何、視點(diǎn)、紋理、照明和陰影等信息。如前文提到的，出于不同的目的，渲染程序可能會(huì)側(cè)重不同的角度——被渲染物體本身的質(zhì)感、紋理、透明度、真實(shí)感等。用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來模擬這些過程，涉及到大量的幾何原理、光學(xué)原理和數(shù)學(xué)計(jì)算。皮克斯在今天的電影動(dòng)畫中有如此重要的地位，很大程度上也源于他們?cè)阡秩绢I(lǐng)域中做出的突出貢獻(xiàn)。

當(dāng)時(shí)，早期使用的光柵化渲染方法主要通過考慮視角和被渲染物體之間的光線連線來確定物體在 2D 圖像上的投影，但這種方法沒有考慮深度信息，因此無法確定重疊物體的遮擋情況。也就是說，在上例中，我們甚至無法完成從圖左到圖中的步驟。1974 年，Edwin E. Catmull 博士畢業(yè)，在他的畢業(yè)論文中，他描述了深度緩沖算法（Z-buffering）用于管理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖像深度坐標(biāo)的方法。根據(jù)他的算法，在進(jìn)行物體渲染時(shí)，程序需要同時(shí)生成一個(gè)緩沖區(qū)用以保存生成的像素的深度。如果之后發(fā)現(xiàn)另一個(gè)物體所生成的像素與此有所重合，就根據(jù)緩沖區(qū)中保存的深度進(jìn)行選擇，以達(dá)到較近的物體遮擋較遠(yuǎn)物體的效果。下圖給出了深度緩沖算法圖例。

深度緩沖算法圖示（左）：3D 場(chǎng)景（右）：深度緩沖表示 圖源：https://en.wikipedia.org/wiki/Z-buffering#/media/File:Z_buffer.svg

但帶有深度的光柵化渲染方法仍然無法解決物體在光照下應(yīng)該具有的反射、折射、陰影效果。幾經(jīng)發(fā)展后，1979 年，Turner Whitted 提出了極大影響了渲染技術(shù)的光線追蹤算法（ray tracing）。在這種算法中，當(dāng)光線從視點(diǎn)發(fā)出并撞擊到物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最多 3 種類型的光線：反射、折射和陰影。如下圖所示，從相機(jī)發(fā)出的（紅色）光線打到了球體上并發(fā)生了反射，如果反射光最終反射到了光源，根據(jù)光線可逆原理，我們知道該光源可以照亮這個(gè)球體。而在球體的另一側(cè)則處于陰影之中，因?yàn)樵谄浜凸庠粗g存在球體的其他部位，遮擋住了光源。

光線追蹤圖解 圖源：https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Ray_trace_diagram.svg

光線追蹤算法在今天也是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域，一個(gè)主要原因是光線追蹤的計(jì)算復(fù)雜度極高，一般都需要利用蒙特卡洛方法等求近似解。在游戲等產(chǎn)品上應(yīng)用實(shí)時(shí)光線追蹤直到幾年前都是一個(gè)挑戰(zhàn)，今年在英偉達(dá) GTC GPU Technology Conference 上仍然有好幾個(gè) session 的主題是如何對(duì)光線追蹤計(jì)算進(jìn)行加速。

1980 年代-2000 年代

從 80 年代開始，越來越多的電影參與進(jìn)了 CGI 技術(shù)的使用中，其中今天我們耳熟能詳?shù)慕?jīng)典電影多到令人目不暇接，這種繁榮在一定程度上也反哺了 CGI 技術(shù)的發(fā)展。1982 年，在著名電影星際迷航 II 中，「創(chuàng)世紀(jì)效應(yīng)」（Genesis Effect）大放異彩——在電影中，Carol Marcus 博士解釋道創(chuàng)世紀(jì)項(xiàng)目是一種計(jì)算機(jī)模擬的項(xiàng)目，旨在將不宜居住的世界轉(zhuǎn)化或重塑為郁郁蔥蔥的天堂。

為在電影中實(shí)現(xiàn)這種視覺效應(yīng)，電影首次使用了當(dāng)時(shí)還在盧卡斯影業(yè)旗下的皮克斯創(chuàng)造的 32 位 RGBA 繪畫軟件，并使用了分形生成的景觀（fractal-generated landscape）和顆粒效果進(jìn)行渲染。其實(shí)在當(dāng)時(shí)，勇于應(yīng)用 CGI 技術(shù)的電影除了科幻片以外，還有很多恐怖片——這倒也很合理，畢竟這兩者都需要豐富的想象力，需要?jiǎng)?chuàng)造更多的「異形」，只不過當(dāng)時(shí)使用 CGI 拍攝的恐怖電影中流傳到今天成為經(jīng)典的較少。

電影著名電影星際迷航 II 中「創(chuàng)世紀(jì)效應(yīng)」截圖 圖源：https://www.youtube.com/watch?v=QXbWCrzWJo4

光線追蹤算法的提出，使 CGI 生成圖像的真實(shí)感大大增加，因?yàn)樗举|(zhì)上是在試圖模擬自然界中光線傳播的過程。在此基礎(chǔ)上，為了更進(jìn)一步增強(qiáng) CGI 生成的某些類型的圖像的真實(shí)感，Hanrahan 于 1988 年提出了立體渲染技術(shù)（volume rendering）。其背后的思想主要是在自然界中有一些物質(zhì)本身就是以一定體積存在的——如云、火、霧——用前文提到的那些幾何渲染方法很難取得逼真的效果。立體渲染技術(shù)仍然致力于如何將 3D 物體投射到 2D 圖像中，但更關(guān)注如何在體素（voxel）而非像素（pixel）水平上實(shí)現(xiàn)這種渲染，以及如何保證物體紋理質(zhì)感的呈現(xiàn)，比如生成一副傷口的圖像需要關(guān)注如何真實(shí)的表示肌肉的走向、紋理等。

1993 年，Hanrahan 還開發(fā)了利用次表面散射（subsurface scattering）描繪皮膚和頭發(fā)、利用蒙特卡羅光線追蹤來渲染復(fù)雜照明效果的技術(shù)。次表面散射模擬的是光在穿透半透明物體時(shí)以不規(guī)則的角度在物體內(nèi)部反射多次，然后再?gòu)牟煌嵌入x開物體表面的效果。這種現(xiàn)象在大理石、皮膚、蠟等類型的材質(zhì)上非常常見，因此要逼真的渲染這種材料，首先必須模擬光的這種傳播機(jī)制，下圖左中給出了一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的例子——當(dāng)光穿透手指時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種半透明、光亮、毛茸茸的質(zhì)感，圖右則給出了計(jì)算機(jī)根據(jù)次表面散射算法渲染的圖像。

人手的次表面散射現(xiàn)象。圖源：By Davepoo2014 - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39205630

計(jì)算機(jī)渲染的次表面散射現(xiàn)象圖源：By Piotrek Chwa?a - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7615927

也是在這一時(shí)期，3D 建模技術(shù)開始初露頭角。通過專用軟件在三個(gè)維度上進(jìn)行數(shù)學(xué)表示，3D 建模可以對(duì)被建模對(duì)象的任何表面進(jìn)行建模。具體來說，3D 模型使用 3D 空間中的點(diǎn)集合表示實(shí)體，點(diǎn)與點(diǎn)之間由三角形、直線（Polygonal modeling）、曲面（Curve modeling）等進(jìn)行連接。這個(gè)點(diǎn)集可以由使用者手動(dòng)創(chuàng)建、根據(jù)已有算法創(chuàng)建、或者通過掃描實(shí)體創(chuàng)建。初步建模完成后，再通過紋理映射（texture mapping）技術(shù)，對(duì)建模的物體表面進(jìn)行優(yōu)化。紋理映射——又是 Edwin E. Catmull 對(duì) CGI 領(lǐng)域一個(gè)重要貢獻(xiàn)，由他在自己的博士論文中最早提出——主要是為物體表面著色的一種方法。

現(xiàn)實(shí)世界中的物體一般都具有非常豐富的顏色，即便是黑色的物體也不可能具有同一的黑色，要令電腦生成的圖像足夠逼真，為圖像上的物體添加這些多樣的顏色必不可少，有無紋理的物體對(duì)比見下圖所示。然而，如果程序要為圖像中的每一個(gè)像素制定顏色，效率就太低了。紋理映射要做的，簡(jiǎn)單來說，就是找到選擇一個(gè)紋理/圖像，然后將它「貼」到圖像中制定的物體上。

圖（1）沒有紋理的 3D 模型（2）有紋理的 3D 模型圖源：By Anynobody - Own work, CC BY-SA 4.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3441137

立體渲染技術(shù) + 3D 建模 + 紋理映射，為電影業(yè)帶來了新的革命。1995 年，皮克斯（首映電影）與迪斯尼制片廠合作制作出了玩具總動(dòng)員，這無疑也是對(duì) CGI 技術(shù)影響最大的電影。這是第一部完全由計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（CG）制作的長(zhǎng)篇電影，也是全 3D 動(dòng)畫。在當(dāng)時(shí)的電腦計(jì)算能力下，每幀需要 4 到 13 個(gè)小時(shí)才能完成。在這部電影發(fā)行之前，計(jì)算機(jī)圖形（CG）通常用于短片或具有特殊效果的真人電影的補(bǔ)充，直到在 1990 年代中期，人們多少都認(rèn)為用計(jì)算機(jī)制作整個(gè)數(shù)字電影是不切實(shí)際的。

在此片出現(xiàn)后，CGI 展示了其巨大的潛力，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫電影或多或少已成為新規(guī)范，并取代了傳統(tǒng)的手繪動(dòng)畫電影。皮克斯在這部電影的制作中使用的自家軟件 RenderMan 負(fù)責(zé) 3D 建模和動(dòng)畫應(yīng)用程序與渲染引擎之間的通信，到今天，RenderMan 無疑成為了好萊塢工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 47 部被提名了奧斯卡最佳藝術(shù)特效的電影中，44 部使用了這一工具。

電影玩具總動(dòng)員 圖源：https://zh.wikipedia.org/wiki/玩具總動(dòng)員 #/media/File:Movie_poster_toy_story.jpg

在電影行業(yè)之外，CGI 技術(shù)的影響也逐漸擴(kuò)展到了視頻游戲中。1992 年，在 Sega Model 1 街機(jī)系統(tǒng)板上運(yùn)行的 Virtua Racing 奠定了全 3D 賽車游戲和在更廣泛的受眾中普及實(shí)時(shí) 3D 多邊形圖形的基礎(chǔ)。

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渲染一直是對(duì)計(jì)算資源要求很高的一類算法，很難不認(rèn)為渲染技術(shù)的發(fā)展對(duì)電腦的計(jì)算資源的發(fā)展沒有起到推動(dòng)作用，兩者至少一直是緊密結(jié)合的。也是在 90 年代，在目前深度學(xué)習(xí)中最為重要計(jì)算資源的 GPU 開始流行，并將這一趨勢(shì)持續(xù)到了今天。90 年底后期，Hanrahan 和他的學(xué)生擴(kuò)展了 Renderman 著色語(yǔ)言，使得其可以在當(dāng)時(shí)剛打入市場(chǎng)的 GPU 上實(shí)時(shí)運(yùn)行。Hanrahan 和他的學(xué)生為 GPU 開發(fā)的編程語(yǔ)言帶動(dòng)了商業(yè)版著色語(yǔ)言的開發(fā)（包括 OpenGL），從而徹底改變了電子游戲的程序編寫。

1999 年，英偉達(dá)發(fā)布了具有開創(chuàng)性的 GeForce 256，這是第一張被稱為圖形處理單元或 GPU 的家庭視頻卡，計(jì)算機(jī)使用通用的圖形處理框架——例如 DirectX 和 OpenGL——的慣例也是在那時(shí)建立起來。正是由于功能更強(qiáng)大的圖形硬件和 3D 建模軟件，計(jì)算機(jī)圖形才變得更加詳細(xì)和逼真。這十年中，AMD 占據(jù)的市場(chǎng)份額也不斷增加，最終形成了我們今天所熟悉的「雙寡頭」市場(chǎng)。

2000 年代至今

進(jìn)入千禧年后，CGI 技術(shù)的發(fā)展仍然非常快，其中不乏圖形處理單元的持續(xù)增長(zhǎng)和日益成熟帶來的推動(dòng)力——到了此時(shí)，3D 圖形 GPU、3D 渲染功能已成為臺(tái)式計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。CGI 開始變得無處不在——CGI 電影激增，諸如冰河世紀(jì)和馬達(dá)加斯加等傳統(tǒng)動(dòng)畫動(dòng)畫片電影以及諸如《海底總動(dòng)員》等眾多皮克斯產(chǎn)品在該領(lǐng)域的票房中占據(jù)主導(dǎo)地位；在視頻游戲中，索尼 PlayStation 2 和 3，Microsoft Xbox 系列游戲機(jī)以及 Nintendo 的產(chǎn)品（例如 GameCube）和 Windows PC 都吸引了大量的追隨者，諸如超級(jí)俠盜獵車手，刺客信條，最終幻想，生化奇兵，王國(guó)之心，鏡之邊緣。CGI 在這兩個(gè)領(lǐng)域的成功發(fā)展將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的影響力傳播到了主流領(lǐng)域，并逐漸引入其他領(lǐng)域，比如電視廣告。

軟件方面，OpenGL 也變得更成熟，它與 DirectX 有了很大的改進(jìn)。在這一十年中，第二代著色器語(yǔ)言 HLSL 和 GLSL 開始流行。

電影冰河世紀(jì)。圖源：合理使用, https://zh.wikipedia.org/w/index.php?curid=294080

游戲最終幻想。圖源：合理使用，https://zh.wikipedia.org/w/index.php?curid=3621086

這一時(shí)期，在電影制作中大量應(yīng)用了另一非常重要的技術(shù)：動(dòng)作捕捉（motion capture）。運(yùn)動(dòng)捕獲，又稱運(yùn)動(dòng)捕捉或運(yùn)動(dòng)捕捉，是記錄物體或人的運(yùn)動(dòng)的過程。最早在 1978 年的電影指環(huán)王中其實(shí)就有用到，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，還不能做到對(duì)演員的表情等細(xì)節(jié)進(jìn)行捕捉。2009 年，阿凡達(dá)（Avatar）以使用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)為其角色進(jìn)行動(dòng)畫而不是使用軟件來手工繪制/創(chuàng)建角色而聞名。另外，阿凡達(dá)（Avatar）是最早使用「Simulcam」的電影之一。這款特殊的攝像機(jī)能夠?qū)?CGI 動(dòng)畫圖像疊加在實(shí)時(shí)拍攝的實(shí)時(shí)圖像之上（Outlaw）。

電影阿凡達(dá)。圖源：By Source, Fair use, https://en.wikipedia.org/w/index.php?curid=23732044

到了 2010 年后，CGI 在視頻中幾乎無處不在，預(yù)渲染的圖形在科學(xué)上幾乎是真實(shí)照片級(jí)的。這時(shí)期的工作主要集中在集成更復(fù)雜的多階段的圖像生成。紋理映射也已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)復(fù)雜的多階段過程，使用著色器（shader）將紋理渲染、反射技術(shù)等多種算法集成到一個(gè)渲染引擎中的操作并不少見。

阻礙 CGI 技術(shù)，特別是渲染技術(shù)，發(fā)展的一大瓶頸仍然是計(jì)算，在深度學(xué)習(xí)、人工智能火爆的今天，AI 也為 CGI 在這方面的突破助了一臂之力。幾天前英偉達(dá)發(fā)布的 DLSS 2.0（deep learning super sampling），根據(jù)官方宣傳，可以保證渲染程序在較低分辨率下對(duì)游戲畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)光線追蹤，而 DLSS 2.0 則會(huì)將渲染后的畫面進(jìn)行 4 倍超采樣，從而保證細(xì)節(jié)與幀率的兼顧。也就是說，在 DLSS 2.0 下，要運(yùn)行實(shí)時(shí) 4k 游戲，渲染程序只需要在 1080k 的分辨率下進(jìn)行計(jì)算。「要在游戲中的每一幀上運(yùn)行一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」，像這樣瘋狂的想法還有很多，很難想象 AI 和渲染結(jié)合起來將會(huì)把 CGI 生成圖像帶到什么方向上。

至此，CGI 技術(shù)從一開始只能對(duì)一些簡(jiǎn)單的形狀進(jìn)行建模的研究，逐漸發(fā)展成了一個(gè)子研究極度豐富的復(fù)合學(xué)科，其對(duì)其他計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的影響數(shù)不勝數(shù)，涉及到 CGI 的跨學(xué)科領(lǐng)域也屢見不鮮。正如 ACM 主席 Cherri M. Pancake 所說：「Hanrahan 和 Catmull 做出的貢獻(xiàn)表明，計(jì)算機(jī)某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展能夠?qū)︻I(lǐng)域內(nèi)其他學(xué)科產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響」。

在這一小苗成長(zhǎng)為一顆參天大樹的過程中，始終有 Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 的參與，他們也因此獲得了 ACM 大獎(jiǎng)。Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 的成功對(duì)所有正在從事自己所熱愛的工作的人都是一個(gè)巨大的鼓勵(lì)，因?yàn)樗麄冏C明了個(gè)人在自己的研究領(lǐng)域內(nèi)的堅(jiān)持和貢獻(xiàn)，不僅可以推動(dòng)該單個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，甚至還可以改變世界。我們所生活的世界真正由我們的雙手親自創(chuàng)造。頒獎(jiǎng)典禮預(yù)期 6 月在美國(guó)舊金山舉行，Patrick M. Hanrahan 和 Edwin E. Catmull 將分享 100 萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。可見，五毛錢的特效可能隨處可見，但好的特效，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還很值錢。

作者介紹：李媛媛，幾次轉(zhuǎn)行，本科國(guó)際貿(mào)易，研究生轉(zhuǎn)向統(tǒng)計(jì)，畢業(yè)后留在比利時(shí)，選擇從事農(nóng)用機(jī)械研發(fā)工作，主要負(fù)責(zé)圖像處理，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺算法的落地。欣賞一切簡(jiǎn)單、優(yōu)雅但有效地算法，試圖在深度學(xué)習(xí)的簇?fù)碚吆蛻岩烧咧g找到一個(gè)平衡。我追求生活的寬度，這也是為什么在工作之外，我也是機(jī)器之心的一名技術(shù)分析師。希望在這里和大家分享自己對(duì)于技術(shù)的理解，通過思想的碰撞拓寬思路和眼界。