CGI（Computer-Generated Imagery，计算机生成图像）是指利用计算机图形学技术创建、处理及渲染图像或动画的统称。作为三维动画的核心技术，CGI广泛应用于电影特效、游戏开发、虚拟现实、建筑可视化及科学模拟等领域，通过数学模型构建虚拟场景、角色与特效，再结合光照、纹理和物理模拟生成逼真或风格化的视觉内容。CGI的诞生颠覆了传统影视制作与数字创作方式，成为现代视觉工业的基础支柱。
1.1 起源与早期实验（1960s-1970s）
1.1.1 计算机图形学的萌芽
20世纪60年代，计算机图形学作为一门新兴学科开始萌芽。1963年，伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）在麻省理工学院开发了Sketchpad系统，首次允许用户通过光笔在屏幕上直接绘制图形，奠定了人机交互与矢量图形的基础。此后，道格拉斯·恩格尔巴特（Douglas Engelbart）的在线系统（NLS）进一步推动了图形界面的发展。这一时期的研究多集中于线框模型和简单的二维图形，三维概念尚处于理论探索阶段。
1.1.2 第一次三维渲染尝试
1972年，埃德·卡特穆尔（Ed Catmull）和弗雷德·帕克（Fred Parke）在犹他大学制作了世界上第一段三维动画——由计算机生成的手部模型与面部模型短片。该短片通过多边形网格建模和深度排序算法，实现了简单的三维渲染。1975年，詹姆斯·布林（James Blinn）提出了环境贴图与凹凸映射技术，极大地提升了三维表面的真实感。这些早期实验为后来的CGI工业化奠定了基础。
1.2 技术突破与商业应用（1980s-1990s）
1.2.1 工业光魔与《星球大战》特效
1977年《星球大战》上映，其大量使用电脑运动控制摄像机（Motion Control）与手工模型结合，虽非严格意义上的CGI，却催生了工业光魔（Industrial Light & Magic, ILM）对数字技术的投入。1982年，ILM在《星际迷航2：可汗之怒》中首次使用全CGI序列——创世纪序列，标志着CGI正式进入商业电影。此后，《少年福尔摩斯》（1985）中的玻璃骑士角色成为首个CGI角色，由像素公司（早期皮克斯）制作。
1.2.2 《终结者2》与《侏罗纪公园》的里程碑
1991年詹姆斯·卡梅隆的《终结者2：审判日》中，T-1000液态金属角色的变形效果完全由CGI实现，开创了角色动画与流体模拟的先河。1993年斯皮尔伯格的《侏罗纪公园》则透过ILM制作的CG恐龙，实现了逼真的肌肉动态与皮肤纹理，使CGI生物首次能与真人演员自然互动。这两部作品证明了CGI可以替代传统定格动画与机械模型，成为主流影视特效手段。
1.2.3 皮克斯与RenderMan渲染器
1986年，史蒂夫·乔布斯收购卢卡斯影业的电脑动画部门，成立皮克斯（Pixar）。皮克斯开发了专有的RenderMan渲染器，基于Reyes渲染架构，支持细分曲面、动态模糊及全局光照等高级特性。1995年，皮克斯推出全球首部全CGI长片《玩具总动员》，使用RenderMan进行离线渲染。此后RenderMan成为电影工业标准渲染器，获得多项奥斯卡技术成就奖。
1.3 大规模普及与实时化（2000s至今）
1.3.1 《阿凡达》与数字替身技术
2009年詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》将CGI推向新高度。影片采用“表演捕捉”（Performance Capture）技术，将演员面部表情与身体动作实时映射到纳美族角色上，结合维塔工作室（Weta Digital）开发的深度立体渲染管线，实现前所未有的沉浸感。数字替身（Digital Double）技术由此成熟，能够以假乱真地替代真人演员完成危险动作或减龄效果。
1.3.2 游戏引擎的CGI实时渲染
进入2010年代，以Unreal Engine和Unity为代表的游戏引擎渲染能力大幅提升，开始切入影视虚拟制片领域。2019年《曼达洛人》使用Unreal Engine搭建大型LED墙背景（StageCraft），使演员在实时CGI环境中表演，极大地降低了后期合成成本。同时，游戏过场动画（CG）也越来越多地采用引擎内实时渲染，实现预渲染质量与实时互动的统一。
1.3.3 深度学习与AI辅助生成
2020年代以来，深度学习技术被引入CGI流程。AI可用于自动生成贴图、补全缺失帧、去噪渲染，甚至从文字描述直接生成三维模型（如DreamFusion、Point-E）。NeRF（神经辐射场）技术能从多张照片重建带光照的三维场景。这些AI辅助工具正逐步简化传统三维工序，但也引发了关于创意主导权的讨论。
2.1 三维建模
2.1.1 多边形网格建模
多边形网格建模是最基础的三维建模方法。通过顶点、边与面构成三角面或四边面，组合成物体表面。用户通过挤压、切割、桥接等操作修改网格形态。该技术灵活直观，适用于角色、硬表面道具等，但曲面平滑需要增加多边形数量，对细节层次（LOD）管理要求较高。
2.1.2 曲面建模（NURBS与细分曲面）
NURBS（非均匀有理B样条）基于数学曲线生成光滑曲面，适合工业产品和汽车设计，精度高但拓扑结构固定。细分曲面（Subdivision Surface）则从低分辨率网格出发，通过算法递归细分得到平滑结果，兼具多边形的灵活性与曲面的光滑度，广泛应用于角色建模。
2.1.3 雕刻与程序化建模
数字雕刻（如ZBrush）通过笔刷模拟黏土塑形，可生成数亿多边形的高精度细节。程序化建模（如Houdini中的VEX、Blender的几何节点）利用算法规则自动生成复杂结构（如地形、建筑群、植物），大幅提升重复劳动的效率，常用于开放世界和特效场景。
2.2 材质与纹理
2.2.1 贴图类型（漫反射、法线、位移等）
漫反射贴图定义物体基础颜色；法线贴图通过编码表面凹凸信息增强细节而不增加几何面数；位移贴图则实际偏移顶点，用于高精细表面；粗糙度/金属度贴图控制光线反射特性；环境光遮蔽贴图模拟接触阴影。多种贴图协同使用构建逼真表面。
2.2.2 基于物理的渲染（PBR）
PBR（Physically Based Rendering）是一种遵循能量守恒的材质系统，通过金属度、粗糙度、漫反射颜色等参数描述材质光学属性，使不同光照环境下表现一致。PBR已成为影视与游戏的标准，主流引擎与渲染器均支持。
2.2.3 程序化纹理与着色器
程序化纹理通过数学函数（如噪声、分形）实时生成纹理，避免重复贴图拉伸，且可无限缩放。着色器（Shader）是一段运行在GPU上的代码，控制像素最终颜色，能实现如次表面散射、各向异性等复杂光学效果。
2.3 光照与渲染
2.3.1 全局光照与光线追踪
全局光照（Global Illumination）模拟光线在场景中的多次弹射，产生间接漫反射与焦散效果。光线追踪（Ray Tracing）通过反向追踪视线路径，计算反射、折射和阴影，实现照片级真实感。传统离线渲染大量使用光线追踪，近年来GPU实时光线追踪（如NVIDIA RTX）已可部分实现。
2.3.2 光栅化与混合渲染管线
光栅化是实时渲染的主流方法，将三维物体投影到二维屏幕，逐个像素着色。混合渲染管线（Hybrid）结合光栅化与一小部分光线追踪（如反射、阴影），在保证帧率的同时提升视觉质量，多见于游戏引擎。
2.3.3 渲染农场与云渲染
渲染农场（Render Farm）由大量计算节点构成，用于分布式渲染单帧或动画序列。云渲染服务（如AWS Thinkbox、Google Zync）允许用户按需租赁计算资源，无需自建机房。大规模特效电影常耗时数百万核心小时，渲染农场是行业基础设施。
2.4 动画与绑定
2.4.1 骨骼绑定与蒙皮
骨骼绑定（Rigging）为三维模型创建虚拟骨架，包括关节、IK（反向动力学）控制器。蒙皮（Skinning）将模型顶点与骨骼关联，通过权重调整每个骨骼影响范围。高级绑定还包含面部肌肉系统、变形器驱动等。
2.4.2 关键帧动画与运动捕捉
关键帧动画通过设置时间点上的物体姿态，由计算机自动插值生成中间帧。运动捕捉（Motion Capture）利用光学或惯性传感器记录真实演员动作，映射到数字角色，效率高且自然。结合手调修正形成混合动画流程。
2.4.3 物理模拟（毛发、布料、流体）
物理模拟通过求解动力学方程生成自然运动。毛发系统采用样条链或粒子系统模拟飘动；布料模拟使用弹簧质点模型或有限元法处理褶皱与碰撞；流体模拟基于纳维-斯托克斯方程（欧拉或SPH方法）生成烟火、水花与云层。这些模拟通常需要较高计算资源，常预计算后用于渲染。
3.1 影视特效
3.1.1 视觉特效（VFX）流程
视觉特效流程通常包括：前期拍摄（实拍素材与绿幕）、跟踪/匹配移动、三维建模与动画、灯光渲染、合成（将CGI与实拍融合）、调色与输出。常用合成软件为Nuke、After Effects。VFX团队需与实拍组紧密协作，确保摄像机运动、光照方向一致。
3.1.2 虚拟制片与LED墙技术
虚拟制片利用游戏引擎（如Unreal Engine）将CGI背景实时投射到大型LED墙上，演员在屏幕前表演，可看到实时环境反射与交互光照。代表作《曼达洛人》的StageCraft技术大幅减少了后期重拍与绿幕合成工作量。
3.1.3 数字角色与演员减龄
数字角色分为卡通风格与写实风格。写实数字人类需要通过扫描、雕刻与高级皮肤着色器（包含次表面散射）实现逼真效果。演员减龄（De-aging）技术使用CGI或AI重绘面部，使其看起来年轻（如《爱尔兰人》《惊奇队长》中的年轻版角色）。
3.2 电子游戏
3.2.1 过场动画（CG）与预渲染
游戏过场动画早期多使用预渲染视频（如最终幻想系列），画面质量极高但不可交互。现代3A大作常将部分关键过场保留为预渲染，以展示复杂特效，同时大量采用引擎内实时演算的过场，保持画面风格统一。
3.2.2 实时CGI与引擎内效果
游戏引擎在实时CGI方面持续进步，支持基于物理的渲染、动态全局光照（如Lumen混合反射与间接光）、体积雾与粒子系统。开放世界游戏中，实时CGI需权衡帧率与画质，利用LOD与流加载优化资源。
3.2.3 开放世界程序化生成
程序化生成利用算法自动创建地形、植被、建筑与任务分布，减少手工劳作。常用Perlin噪声生成地形高度，分层放置生态群落。代表作品如《我的世界》《无人深空》《塞尔达传说：旷野之息》利用程序化技术创造广袤世界。
3.3 建筑与工业可视化
3.3.1 建筑效果图与虚拟样板间
建筑可视化通过CGI制作静态渲染图与动画漫游，用于方案展示、营销与审批。使用V-Ray、Corona等渲染器可生成照片级室内外效果，配合VR设备创建交互式虚拟样板间，客户可“行走”其中体验空间。
3.3.2 产品渲染与广告制作
工业设计领域利用CGI展示产品外观、结构拆解与使用场景。广告中常见油、水、玻璃等产品的逼真渲染，无需实拍即可呈现完美光影。电商平台大量使用3D渲染图替代传统摄影，降低成本。
3.3.3 科学模拟与医学可视化
CGI用于科学可视化，如分子结构、流体动力学、天体物理学模拟等。医学领域结合CT/MRI数据重建器官三维模型，用于手术规划与教学动画。精度要求极高，需使用体素渲染与实时交互。
3.4 虚拟现实与增强现实
3.4.1 虚拟现实环境构建
VR环境需要高帧率（90fps以上）与低延迟渲染，常用双摄像机立体渲染。建模需考虑沉浸感与性能平衡，使用Level of Detail、遮挡剔除等技术。应用涵盖游戏、培训、心理治疗等领域。
3.4.2 增强现实中的空间CGI
AR将虚拟对象叠加到现实场景，通过SLAM（同步定位与地图构建）实现空间锚定。CGI必须与真实光照匹配，利用环境光估计与阴影投射。苹果ARKit与谷歌ARCore为移动AR提供标准工具。
3.4.3 元宇宙与数字孪生
元宇宙概念中的三维虚拟世界依赖CGI创建持久化的数字空间，用户以虚拟化身交互。数字孪生则是物理实体的虚拟映射，用于工业监控与仿真，例如工厂生产线实时三维可视化。
4.1 全能型DCC软件
4.1.1 Autodesk Maya
Maya是影视与游戏行业的标准DCC软件，提供完整的建模、动画、特效、渲染管线。其强大的绑定系统与Python API使其成为大型工作室首选。缺点为版权费用较高。
4.1.2 Blender（开源社区之光）
Blender是免费开源的3D创作套件，集建模、雕刻、动画、渲染（Cycles/Eevee）、合成与视频编辑于一体。社区活跃，插件丰富，近年来凭借几何节点、视口性能提升在独立制作与教育领域广泛流行。
4.1.3 Cinema 4D与3ds Max
Cinema 4D以高效易用著称，尤其适合运动图形（Motion Design）与广告制作，MoGraph模块是其核心优势。3ds Max历史悠久，在建筑可视化与游戏资产制作中保有大量用户，配合V-Ray与Corona引擎表现突出。
4.2 专用渲染引擎
4.2.1 V-Ray与Arnold（离线渲染）
V-Ray由Chaos Group开发，支持CPU与GPU混合渲染，全局光照稳定，广泛应用于建筑与产品可视化。Arnold由Solid Angle（现属Autodesk）开发，基于光线追踪，在影视中配合Maya使用，是皮克斯之外的又一主流渲染器。
4.2.2 Unreal Engine与Unity（实时渲染）
Unreal Engine 5以Lumen动态光照、Nanite虚拟几何体系统重新定义了实时渲染标准，被影视、建筑与游戏广泛采用。Unity更加灵活，跨平台优势明显，在移动端与AR/VR领域占有率高。
4.2.3 Redshift与Octane（GPU渲染）
Redshift与Octane均为GPU加速的偏置渲染器，速度远超传统CPU渲染。Redshift支持多种DCC插件，平衡速度与质量；Octane以纯GPU光线追踪及实时预览见长，深受独立艺术家喜爱。
4.3 辅助工具与插件
4.3.1 ZBrush（数字雕刻）
ZBrush以2000万以上的多边形实时雕刻能力闻名，提供DynaMesh、ZRemesher等突破性工具，是角色与生物建模的标准工具。其笔刷系统可模拟真实黏土效果。
4.3.2 Substance Painter（纹理绘制）
Substance Painter提供基于图层的纹理绘制工作流，支持智能材质（Smart Materials）、粒子画笔与实时PBR预览。导出纹理可直接用于游戏引擎，大幅提升贴图制作效率。
4.3.3 Houdini（特效与程序化流程）
Houdini以节点式程序化工作流为核心，擅长流体、烟雾、爆炸等特效模拟。其VEX语言与HDA（数字资产）使特效师可封装复杂效果。被多家大型视效工作室用于电影烟雾、破碎等场景。
5.1 团队分工
5.1.1 建模师、纹理师与灯光师
建模师负责创建三维几何体，分为角色建模与硬表面建模。纹理师负责制作贴图，涵盖UV展开与材质调整。灯光师在场景中布置光源，模拟真实或风格化光照，为最终渲染提供气氛。
5.1.2 动画师与绑定师
动画师赋予角色生命，通过关键帧或动作捕捉实现运动表演。绑定师为模型搭建骨骼控件，设计面部变形与约束系统，是连接建模与动画的桥梁。
5.1.3 特效师与技术总监
特效师负责烟火、水、破碎、粒子等动态效果，通常使用Houdini或专用插件。技术总监（TD）编写脚本与工具，维护管线效率，解决渲染与流程中的技术问题，是团队中的多面手。
5.2 教育与培训路径
5.2.1 院校专业与在线课程
全球开设数字媒体艺术、动画或游戏设计的院校众多，知名院校包括美国SCAD（萨凡纳艺术与设计学院）、法国Gobelins、中国北京电影学院等。在线平台如Coursera、Udemy、Bilibili提供入门到进阶课程，Gnomon Workshop以专业大师课著称。
5.2.2 作品集与行业认证
进入CGI行业的核心是高质量作品集（Reel），展示个人在建模、动画、特效等某一领域的硬实力。Autodesk提供Maya认证，Unreal官方有学者认证，但业界更看重实际项目经验。参与开源电影（如Blender项目）或游戏地编竞赛是积累作品的有效方式。
5.3 常见梗与黑话
5.3.1 “渲染五帧用了三天”——渲染时间的调侃
CGI从业者常自嘲渲染一帧需要数小时，五帧可能耗费三天，尤指离线光线追踪渲染。该梗反映渲染资源的昂贵与等待的煎熬，常伴随“下班前点下渲染，明天见”的日常。
5.3.2 “这个模型先挂个临时材质”——永远在临时
制作过程中，美术师经常临时使用默认棋盘格或单色材质替代最终纹理，但“临时”往往持续到项目收尾。类似“先这样凑合着”成为行业口头禅。
5.3.3 “甲方要五彩斑斓的黑”——CGI界的终极需求
源自设计圈经典段子，指客户提出自相矛盾的视觉效果要求。在CGI领域，类似需求还有“既要有金属质感又要像塑料”“背景要高清但不要抢眼”等，成为从业者苦笑中的有趣谈资。
6.1 实时渲染与虚拟制片融合
随着GPU算力持续提升，实时渲染有望在画质上完全媲美离线渲染。虚拟制片将普及到中小型制作，LED舞台结合光照响应的实时CGI将大幅减少后期成本。游戏引擎与影视工作流的界限将进一步模糊。
6.2 AI生成内容（AIGC）的冲击
6.2.1 文字转3D与NeRF技术
文字描述直接生成三维模型的技术（如DreamFusion、Stability AI的生成模型）已初步可用，但细节与拓扑质量尚待提升。NeRF利用多视角照片重建三维场景，可用于快速数字孪生或虚拟摄影。AI有望替代部分重复性建模工作。
6.2.2 自动绑定与智能材质
AI自动绑定工具（如Mixamo、DeepMotion）可将无绑定模型快速生成骨架与动作。智能材质通过GAN网络从参考图自动生成PBR贴图。但自动化带来的一致性风险仍需人工审校。
6.3 伦理与版权问题
6.3.1 深度伪造与数字肖像权
CGI结合AI可生成以假乱真的虚拟面孔，深度伪造技术被用于制作虚假视频，引发政治与隐私危机。数字肖像权法律尚未完善，演员需签署数字替身使用协议以防被永续复用。
6.3.2 CGI资产的NFT化争议
部分CGI艺术作品以NFT形式交易，但环境能耗（某些链）、版权追溯困难与投机炒作引发争议。行业内部对“数字稀缺性”的看法不一，艺术性如何在NFT框架下得到保护仍是待解问题。