CG數字影像藝術中的真實感研究

鄧云淇 樊榮

摘要：隨著計算機技術的快速發展，計算機圖形學（CG）在電影、動畫、游戲、網絡等社會生活的各個領域得到了廣泛應用。CG技術以其獨特的視覺效果和廣泛的應用領域，成為現代娛樂產業中不可或缺的一部分。使用計算機生成的圖像和效果，CG影像可以呈現出豐富多樣的視覺效果，包括逼真的光影效果、細膩的材質質感、精確的物體運動軌跡等。然而，在追求視覺效果的同時，CG影像的真實感也成為一個重要的考慮因素。在現實世界，人們對影像的真實性有較高的要求，希望影像能夠貼近物理現實并引發情感共鳴。所以，在CG影像創作中，構建數字影像的真實感極具挑戰性。盡管CG技術在視覺效果上取得了巨大的突破，但對CG影像真實感的研究相對較少或較為淺薄。真實感作為影像的重要屬性之一，在影視、游戲等領域具有重要意義。因此，文章從數字影像真實感角度出發，分析CG技術在影像真實感構建中的應用，依據“CG影像概述—傳統影像真實—CG影像真實—CG影像如何構建真實”的邏輯線索進行論述，旨在實現CG影像技術性與藝術性、現實性與真實感的結合，深入剖析CG影像，探索CG影像真實感的構建方法和技術手段，并探討其在影視、游戲等領域的應用前景和潛在影響，開啟一次獨屬于CG影像藝術的探討之旅。

關鍵詞：真實感；CG藝術；藝術真實；數字影像

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）09-0-04

0 引言

自人類使用影像媒介以來，對“真實感”的探求從未停止。在CG技術誕生之前，真實感的載體大多集中于傳統影像與繪畫。1895年12月28日，盧米埃爾兄弟在法國巴黎卡浦星路14號大咖啡廳的地下室進行了電影《火車進站》的首次公映。在電影中，一列火車向著攝影機飛馳而來，觀眾們感到非常恐慌，紛紛避讓。在此之前，他們沒有任何觀影體驗，不知電影為何物，當他們第一次看到銀幕上的影像時，以為一輛真實的火車正朝他們駛來。從此，影片中火車進站的鏡頭成為電影技術崛起的標志，這一天作為“電影誕生之日”被人們永遠銘記。

1 CG影像的真實感

傳統影像的真實感是一種“復制真實”，在過去的一百多年里，電影產業極速發展，傳統影像“復制真實”的觀念逐漸式微，取而代之的是像素，它開始成為構成世界的基礎要素，人們進入了一個以“描繪真實”甚至“創造真實”為核心的CG新時代，“真實”的真正含義再次被擴展和爭論。隨著時代的發展，“真實”的含義已經由客觀對象擴展到了主觀對象，由“現實”走向了“虛擬”，隨著人類的認知能力、理性思維能力和想象能力的提高逐漸產生深層次的意義，漸趨復雜多元。

1.1 從“再現真實”到“創造真實”

CG動畫和現實世界的關系模式大體可以分為“再現真實”和“創造真實”兩種類型。CG的“再現真實”反映了影片制作者對現實世界存在的事物的模擬和摹寫，力求將影像與現實聯系起來，以實現某種認識論上的目的。然而，CG動畫與現實世界之間的聯系并非實時的，它所展現的總是已經消亡的過往，所以CG動畫常被用于重現歷史中某些偉大的人物或者事件，并且漸漸變成了紀錄片中一種新的探尋“真實”的方式。紀錄片《故宮》利用CG技術重現了故宮的建造過程，并且還原了歷史上場面盛大的慶典儀式，給觀眾帶來在中華五千年歷史長河中緊隨故宮命運穿梭的視覺體驗，達到高度逼真和充滿藝術性的展示效果。CG不但沒有削弱影片的真實性，反而有助于觀眾更深入地了解歷史的內涵，這就是新紀錄電影所倡導的“再現真實”［1］。

除了文化類歷史紀錄片，自然歷史類紀錄片也可以利用CG技術增強影片的真實感。例如，《史前星球》（見圖1）以白堊紀的時代環境為背景，模仿野生動物紀錄片的敘事手法，用最先進的計算機圖像技術講述古生物學知識，還原了海岸、沙漠、河流、冰雪世界和森林的場景，展現了不同種類的恐龍為了生存而奮斗的景象，用獨特的視角揭開古老地球上的動物棲息地面紗……這些作品中的CG動畫嘗試使用“再現真實”的方式盡量還原現實，用影像的永恒來抵御時間的侵蝕。它們之所以能獲得真實的屬性，并不是因為在形式與技術上多趨向寫實，而是因為它們展現的是史實，而CG技術只是一種重現真實的方法。

數字技術的發展，讓CG動畫擺脫了常規的桎梏，建立了屬于自己的“超真實”的虛擬世界秩序。CG技術在當代數字技術的加持下，不再局限于以往的“描摹者”角色，而是以“創造真實”的“創作者”身份讓影片煥發新的生機，如《阿凡達》中絕美的潘多拉星球，《阿麗塔：戰斗天使》中的“眼神級別的真實”，《星際穿越》里交錯縱橫的四次元空間，都是在獨特的數字世界中杜撰的虛擬畫面。CG技術能從現實世界無法呈現或者根本不存在的視角，呈現出虛擬對象的全貌或局部，從而使CG電影呈現出更豐富、更高層次的“真實”。同時，CG影像的景別與傳統影像相比有很大的區別，在遠、全、中、近、特等基本的景別上呈現出兩極化擴展的傾向，宏觀上可以展現廣袤無垠的宇宙，微觀上可以展現每一粒細胞乃至原子的運動軌跡，景別和運動的跨度是傳統影像無法比擬的，微觀、宏觀世界的自由視角也能讓觀眾感到空前的新鮮和震撼。并且，在CG影像中，虛擬攝像機的動作不會受到現實的限制，它的移動速度、幅度和時間都是非常靈活的，通過設計影片細節構建更高一級的真實感，也讓影片的敘事方式更加多樣。

1.2 跨越“恐怖谷”效應

盡管CG影像真實感構建已經取得了長足進步，但仍然面臨一些挑戰。在CG技術不斷“創造真實”的當下，有一種效應始終是CG需要跨越的坎——“恐怖谷”效應。日本的機械學家森政弘在1970年發表的《恐怖谷效應》中指出，當一個形象接近于人，卻又與人不完全相似的虛擬人物出現時，會引起一些人的反感和憎恨。

觀察圖2可以了解到，“恐怖谷”的好感度是一種動態的數值，這種數值會隨個體的認識和社會文化而波動。雖然使用CG技術為影片的創作與布景提供了新的可能，但如何克服“恐怖谷”效應是制作人員面臨的一大問題，尤其是在決定使用逼真路線的CGI渲染后，影片中的角色很可能會掉進“恐怖谷”的范圍。在當今的CGI動畫中，主要采用兩大戰略來規避“恐怖谷”效應。一種是將影片中的角色夸張化或者卡通化，讓他們看起來不像真實人物，并且把曲線維持在“恐怖谷”左側，如皮克斯的動畫片《玩具總動員》［2］，將角色塑造成了與人類不同的物種，從形象、習性等方面區別于真實的人。另外一種方法是讓真人演繹，由多個高速攝像機從不同角度捕捉演員動作，之后綁定影片中的動畫角色，使影片里的人物從各方面無限趨近真實人物，直接跳過“恐怖谷”，跨越到右側的曲線。第一個方案已經在很多電影里得到了驗證，可行性很強，而第二個方案的實施難度比較大，可行性也有待商榷。

不過，在如今頂級的CG技術的幫助下，通過完全模擬人的動態和神情來規避“恐怖谷”效應已不再是難事。比如羅伯特·羅德里格茲執導的《阿麗塔：戰斗天使》，影片在動態CG方面最不可思議的就是對阿麗塔神態表情的完美表現，使阿麗塔的形象仿佛通過默念魔法咒語，逃離了“恐怖谷”效應。由此可見，利用最先進的技術讓CG脫離“恐怖谷”效應具有相當大的可行性，但影片制作人員必須注意以下幾點：首先，人物形象必須足夠逼真；其次，通過增加人物與場景互動，增強人設本身的真實感；最后，編寫一個符合現實邏輯的劇本，為其行為尋找合適的動因，只有這樣才能使一切變得真實可信。

2 CG影像真實感的構建

目前，對CG影像真實感的構建，可采用光柵圖形生成演算法、圖形交互技術、虛擬現實等技術手段。現代CG技術最大的目標之一，就是利用電腦的“虛擬”空間創造出令人賞心悅目并能讓人感受到“真實”的畫面和場景。試想一下，如果沒有深刻理解物體的結構、色彩關系、透視原理、光影關系、明暗關系，構建出來的虛擬世界怎么可能接近“真實”？因此，CG影像中的真實感是以物理模型與光學成像規律為基礎原理，利用計算機技術，結合人眼視覺機制呈現出的一種特殊的視覺感知。

2.1 設計構思

很多CG作品表現的是虛構的東西，這些東西并不存在于現實世界。他們之所以能讓觀眾覺得真實，純粹是源于創作者對現實的認知，對真實世界規律法則的掌握，以及對現實的摹寫。可以說，一部好的CG作品，其透視關系、明暗關系以及光影關系都是正確的。這些存在的形態、色彩、線條、明暗、質感、量感、存在感、空間、動態等復雜的要素，彼此交織，共同構成了一種美麗的秩序。

第一，素描關系。任何造型藝術都應該以素描為基礎。素描是對自然界事物的研究和表達，其目的是探索自然界事物的造型特點、內在結構以及各個構成要素之間的關系。

第二，構圖。與基礎素描和構成一致，CG在構圖方面仍然遵循常見的構圖原則，如黃金比例分割、多樣統一原則、對稱構圖法則、平衡構圖原則等。

第三，色彩關系。在CG影像作品中合理運用對比色、同類色、互補色，正確處理色調對比、明度對比等對比關系，以及處理好非同色、同色、同明度、同純度等協調關系，就能讓CG作品的氛圍營造、色彩搭配、物體關系達到最佳的平衡，營造出獨一無二的視覺效果。

2.2 細致入微的建模

3D建模技術最大的好處在于可以讓創作者像雕塑大師那樣，從無到有地創作出想象中的虛擬場景。這項技術的問世使影視從業者不再需要花費大量精力去制作實體模型，僅通過電腦就可以完成建模。無論是自然界的物體還是人造的物體，都能以三維模型的形式來表現。在CG建模中，一般采用多邊形、曲面片、構造實體幾何（CGS）等表示方法。

電影《阿凡達》史無前例地將表示物體的多邊形數量從以往的百萬級別增加到十億級別。隨著多邊形數量的增加，其建模精度達到新的高度，極大地提升了影片的真實度。當然，數量的倍增也意味著其對計算機的渲染和處理能力有著極高的要求。

2.3 模擬光照及光線追蹤

燈光在影像藝術中有著舉足輕重的地位，它不僅可以營造出空間的立體感，還可以用來表達影片創作者的主觀情感。在CG影像中，燈光是不可或缺的一環。虛擬空間中的一切物體呈現都需要燈光的配合，它既是讓模型產生漫射的基本要素，又是一種重要的造型方式和色彩表達方式。近年來，光線追蹤技術在CG中得到了越來越多的應用。

光線追蹤技術能夠提供令人難以置信的真實光照，它一經面世就擊敗了世界上所有的模擬光照技術，成為CG影像制片的新寵兒。實質上，這種技術能夠使用算法跟蹤光的軌跡，并且模仿光線和虛擬物體之間的交互。影視從業者可以借助光線追蹤技術創作更逼真的陰影和反射效果，同時還可以大大改善半透明度和散射。這種算法以類似于人眼的方式處理真實光線，利用陰影和反射的方式來考慮光線擊中的位置，并計算其中的交互和相互影響，人們觀察到的物體色彩也受到了光線照射物體方式的影響。

2.4 擬真材質貼圖

在三維建模軟件中，“材質”通常是指物體表面的可視屬性集合，常見的材質系統包括透明度、漫射、金屬反射率、顏色、法線等。三維造型軟件生成的模型只是一種具有形體的純色塊，是一個可編輯的線框模型，它的表面沒有任何材質。在燈光的照射和烘焙下，只會產生均勻的漫射光，所以必須對它進行加工，添加各種材質以及法線、層菲涅爾等。常用的環境材質球見圖3。

在CG影像創作中，要實現材質真實，一般有兩種方法：一種是調整各種參數，讓模型材質球表面的視覺屬性與現實世界相符，達到貼近物理現實的效果；另一種是利用貼圖的手段，將材質貼圖“粘貼”到模型的表面。第一種方法基于計算機算法函數，直接生成材質的紋理，其中包含顏色、反射率、高光、漫反射等大量的視覺參數，操作流程比較煩瑣。第二種方法相對比較簡單，利用Pixplant等貼圖軟件，將一張拍攝的紋理圖處理成無縫貼圖，并通過紋理本身生成（法線凹凸、置換、Alpha等）通道貼圖，然后直接將具體的材質圖片和通道貼圖賦予線框模型，再對它進行細節處理。當前，CG從業者會綜合使用上述兩種方式。除非非常仔細地貼近觀察，否則其材質已經可以騙過大部分人的眼睛，可以說達到以假亂真的地步。

2.5 動作真實

CG影像帶來的感官真實，不僅涉及外在形體的真實，更重要的是涉及動作真實——能讓人從中感受到情感與生命。在動捕技術問世以前，CG動畫的主流技術包括關鍵幀動畫、物體變形動畫等。但是，這些技術非常基礎，主要被應用于Flash動畫或者簡單的二維動畫中，利用關鍵幀生成的動作比較僵硬，且很難完成復雜的運動。因此，現在很多影視作品放棄了這種傳統的K幀動畫，轉而采用了骨骼系統技術。

這種技術會先為生物體制造出一副虛擬的骨架，再將“皮膚”附著在骨頭上，只需要稍微調整一下骨頭節點的動作，便能“牽一發而動全身”，使對象的動作變得更加真實與流暢。可以說，骨骼系統為虛擬生物模型注入了血肉，使虛擬模型不再空有一副皮囊［3］。

3 結語

本文探討了CG數字影像真實感的構建。通過分析數字影像的發展歷程、實際應用和相關理論基礎，可以了解到數字影像真實感的構建是一個綜合性問題，涉及多個學科領域。在研究相關文獻和搜集網絡資源的基礎上，本研究歸納出數字影像真實感構建的關鍵因素和常用方法，并分析了現有技術的優缺點，從設計構思、建模、光照、材質、動作等方面總結了構建數字影像真實感的必要條件。

然而，本研究還存在一些不足之處。例如，需要進一步考慮如何綜合平衡多種感官要素，如視覺、聽覺等，以及需要進一步研究和探索虛擬場景的真實還原等方面。本研究主要關注數字影像的物理特性和視覺感知原理，對數字影像更深層次的文化和情感內涵，還有待深入探究。

參考文獻：

［1］ 幸小利，楊尚鴻. CG在紀錄片中的運用與新紀錄電影觀［J］.電影評介，2009（5）：76.

［2］ 張茅萍.跨越電影CG制作中的恐怖谷效應［J］.衛星電視與寬帶多媒體，2019（8）：113-114.

［3］ 孫少華.虛擬與真實的滲透：試論CG影像中的真實構建［D］.重慶：重慶大學，2017.

作者簡介：鄧云淇（2000—），男，江蘇蘇州人，碩士在讀，研究方向：數媒與影像數字化。

樊榮（1976—），女，上海人，碩士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：數字內容策劃與設計管理。