计算机生成图像

计算机生成图像 (CGI) 是使用计算机图形在艺术、印刷媒体、视频游戏、模拟器、计算机动画和电影、电视节目、短片、广告和视频中的 VFX 中创建或贡献图像。图像可以是动态的或静态的，也可以是二维的 (2D)，尽管 CGI 一词最常用于指代用于在电影和电视中创建角色、场景和特殊效果的 3-D 计算机图形，其中被描述为CGI动画。

xxx部使用 CGI 的故事片是 1973 年的电影《西部世界》。其他采用 CGI 的早期电影包括《星球大战》（1977 年）、《创》（1982 年）、《Golgo 13：专业人士》（1983 年）、《最后的星际战斗机》（1984 年）、《少年福尔摩斯》（1985 年）和《航海家号》（1986 年）。xxx个使用 CGI 的音乐视频是 Dire Straits\' 屡获殊荣的 Money for Nothing (1985)，其成功有助于使该过程成为主流。

CGI 的发展导致了 1990 年代虚拟电影摄影的出现，其中模拟摄像机的视觉不受物理定律的限制。CGI 软件的可用性和计算机速度的提高使个人艺术家和小公司能够从他们的家用计算机上制作专业级的电影、游戏和美术作品。

术语虚拟世界是指可以使用 CGI 创建的基于代理的交互式环境。

动画图像不仅是计算机生成图像的一部分；自然景观（如分形景观）也是通过计算机算法生成的。生成分形表面的一种简单方法是使用三角网格方法的扩展，依赖于德拉姆曲线的一些特殊情况的构造，例如中点位移。例如，该算法可能从一个大三角形开始，然后通过将其划分为四个较小的谢尔宾斯基三角形递归地放大，然后从最近的邻居插入每个点的高度。布朗曲面的创建不仅可以通过在创建新节点时添加噪声来实现，还可以通过在网格的多个级别添加额外的噪声来实现。因此，可以使用相对简单的分形算法创建具有不同高度水平的地形图。

研究和开发了许多特定技术以产生高度集中的计算机生成效果——例如，使用特定模型来表示石头的化学风化以模拟侵蚀并为给定的基于石头的表面产生老化的外观。

现代建筑师使用计算机图形公司的服务为客户和建筑商创建 3 维模型。这些计算机生成的模型可以比传统图纸更准确。建筑动画（提供建筑物的动画电影，而不是交互式图像）也可用于查看建筑物与环境及其周围建筑物的可能关系。在不使用纸和铅笔工具的情况下处理建筑空间现在是一种广泛接受的做法，有许多计算机辅助建筑设计系统。

建筑建模工具允许建筑师以交互方式可视化空间并执行穿行，从而在城市和建筑层面提供交互环境。建筑中的具体应用不仅包括建筑结构（如墙壁和窗户）和人行道的规范，还包括光线的影响以及阳光在一天中的不同时间如何影响特定设计。

建筑建模工具现在越来越基于互联网。然而，基于互联网的系统的质量仍然落后于复杂的内部建模系统。

在某些应用中，计算机生成的图像用于对历史建筑进行逆向工程。例如，德国Georgenthal 修道院的计算机生成重建来自修道院的废墟，但为观众提供了当时建筑的外观和感觉。

骨骼动画中使用的计算机生成模型在解剖学上并不总是正确的。然而，科学计算和成像研究所等组织已经开发出解剖学上正确的基于计算机的模型。计算机生成的解剖模型可用于教学和操作目的。迄今为止，医学生继续使用大量由艺术家制作的医学图像，例如 Frank H. Netter 的图像，例如心脏图像。然而，许多在线解剖模型正在变得可用。

即使是数字化的，单个患者 X 射线也不是计算机生成的图像。然而，在涉及 CT 扫描的应用中，三维模型是由许多单层 X 射线自动生成的，从而生成计算机生成的图像。涉及磁共振成像的应用程序还汇集了许多快照（在这种情况下通过磁脉冲）以产生合成的内部图像。

在现代医学应用中，患者特定的模型是在“计算机辅助手术”中构建的。例如，在全膝关节置换术中，构建详细的患者特定模型可用于仔细规划手术。这些三维模型通常是从​​患者自身解剖结构的适当部位的多次 CT 扫描中提取的。此类模型还可用于规划主动脉瓣植入，这是治疗心脏病的常见程序之一。鉴于冠状动脉开口的形状、直径和位置可能因患者而异，因此（从 CT 扫描中）提取与患者瓣膜解剖结构非常相似的模型对于计划手术非常有益。

布料的型号一般分为三组：

• 纱线交叉处的几何-机械结构
• 连续弹性片的力学
• 布料的几何宏观特征。

迄今为止，让数字角色的服装以自然的方式自动折叠仍然是许多动画师面临的挑战。

除了用于电影、广告和其他公共展示方式之外，计算机生成的服装图像现在还经常被xxx时装设计公司使用。

渲染人类皮肤图像的挑战涉及三个层次的真实感：

• 在静态级别模拟真实皮肤的照片真实感
• 类似于其运动的物理现实主义
• 功能现实主义类似于它对行动的反应。

细微的皱纹和皮肤毛孔等最细微的可见特征大约为 100 µm 或 0.1 毫米。皮肤可以建模为 7 维双向纹理函数 (BTF) 或目标表面上的双向散射分布函数 (BSDF) 的集合。

交互式可视化是呈现可能动态变化的数据，并允许用户从多个角度查看数据。应用领域可能会有很大差异，从流体动力学中的流动模式的可视化到特定的计算机辅助设计应用。呈现的数据可能对应于特定的视觉场景，这些场景会随着用户与系统的交互而变化——例如，飞行模拟器等模拟器广泛使用 CGI 技术来表示世界。

在抽象级别，交互式可视化过程涉及数据管道，其中管理原始数据并将其过滤为适合呈现的形式。这通常称为可视化数据。然后将可视化数据映射到可以馈送到渲染系统的可视化表示。这通常称为可渲染表示。然后将该表示呈现为可显示的图像。当用户与系统交互时（例如，通过使用操纵杆控制来改变他们在虚拟世界中的位置），原始数据通过管道输入以创建新的渲染图像，这通常使实时计算效率成为此类应用程序中的关键考虑因素.

虽然计算机生成的风景图像可能是静态的，但计算机动画仅适用于类似于电影的动态图像。但是，一般而言，计算机动画一词是指不允许用户交互的动态图像，而虚拟世界一词则用于交互式动画环境。

计算机动画本质上是 3D 模型定格动画和 2D 插图逐帧动画艺术的数字继承者。计算机生成的动画比其他更多基于物理的过程更可控，例如为效果镜头构建微缩模型或为人群场景雇用临时演员，并且因为它允许创建使用任何其他技术都不可行的图像。它还可以允许单个图形艺术家在不使用演员、昂贵的布景或道具的情况下制作此类内容。

为了创造运动的错觉，一个图像显示在计算机屏幕上，并被一个新的图像反复替换，该图像与前一个图像相似，但在时间域上略微提前（通常以 24 或 30 帧/秒的速率） . 这种技术与通过电视和电影实现运动错觉的方式相同。

虚拟世界是一个模拟环境，它允许用户与动画角色进行交互，或者通过使用称为化身的动画角色与其他用户进行交互。虚拟世界旨在供其用户居住和互动，今天这个词在很大程度上已成为交互式 3D 虚拟环境的同义词，其中用户采用其他人可以看到的图形化身的形式。这些化身通常被描绘为文本、二维或三维图形表示，尽管其他形式也是可能的（例如听觉和触觉）。一些（但不是全部）虚拟世界允许多个用户。

计算机生成的图像通常与动作捕捉结合使用，以更好地覆盖 CGI 和动画带来的缺陷。计算机生成的图像在其实际应用中受到其看起来的逼真程度的限制。不切实际或管理不善的计算机生成图像可能会导致恐怖谷效应。这种效应是指人类识别看起来与人类非常相似但略有不同的事物的能力。这种能力是正常计算机生成图像的缺陷，由于人体的复杂解剖结构，通常无法完美地复制它。这就是动作捕捉发挥作用的地方。艺术家可以使用动作捕捉装置来获取人类执行动作的镜头，然后将其与计算机生成的图像完美复制，使其看起来正常。

缺乏解剖学上正确的数字模型有助于运动捕捉的必要性，因为它与计算机生成的图像一起使用。因为计算机生成的图像只反映了被渲染对象的外部或皮肤，所以它无法捕捉到用于精细运动控制（如说话）的互锁肌肉群之间极小的相互作用。面部的不断运动，因为它通过塑造嘴唇和舌头运动发出声音，以及伴随说话的面部表情，是难以用手复制的。动作捕捉可以捕捉面部肌肉的潜在运动，并更好地复制伴随音频的视觉效果，就像乔什·布洛林的灭霸一样。