11.3.1 电脑模拟技术的历史和
发展自电影诞生以来，电影画面主要是用摄影机拍摄出来的，即使是电影特效中的画面，也是以现实物体为参照物的。当然还有一类影片——卡通片是基本上用手绘制的。计算机的出现改变了这一状况，它表明除了手绘、摄影以外还有第三种影像生成的方式，也就是电脑模拟的方式。电脑模拟影像就是“无中生有”，也称为计算机图形（Computer Graphics）技术或电脑成像（Computer Generated Imagery，简称CGI）技术。它可以利用计算机二维动画或三维动画软件，从建立数字模型开始直到生成影片所需的动态画面，在整个制作过程中由于完全不需要摄影机的参与，所以现在摄影机不再是获得画面的唯一手段了。这种功能其实与用传统的模型摄影方法相仿，不同的是模型摄影技术是先创造物体，进而创造画面；而计算机可以直接产生画面，它既可以生成如手绘一般的动画片，也能创造出逼真自然的如同摄影机拍摄的影像画面。计算机生成影像技术给电影带来了一场革命，电影从此可以把它过去做不出来的、极具视觉冲击力的生动逼真的画面呈现给观众，使观众得到更高的审美享受。
电脑模拟技术诞生于军事和航天领域，但那时由于技术限制，需要有超大型的设备、复杂的程序编制和昂贵的制作成本。20世纪80年代后，电脑模拟技术日趋成熟，特别是在微型计算机出现后，使电脑模拟技术成本大大降低，制作周期缩短，视觉效果也得以大大改善，逐渐开始得到电影制作者的关注，少数电影制作者开始尝试采用电脑模拟技术为自己的影片增加说服力和新的表现方式。但是在这一时期，电脑模拟技术还并未真正得到电影制作者的认可，主要原因是电脑所创造的图像比较生硬，它的真实感难以得到观众的认可，反而会影响影片的真实性。
20 世纪90年代以来，以计算机动画为代表的电脑模拟技术日益成熟，并且开始大量参与电影制作，迅速涉足于银幕。电影《终结者Ⅱ》的拍摄就采用了计算机制作的人物模型，片中来自未来的杀手能够在观众的注视之下像水银般流进直升机驾驶舱，也可以从地板上融合起成人形，手指还可以变成一把置人于死地的利刃；更神奇的是当身体被打得千疮百孔甚至于熔化之后，还能奇迹般地迅速复原。《终结者Ⅱ》把电影特效提高到了新的水平，为电脑模拟技术叩开了进入电影的大门，所以该片被《时代》周刊评为1984年10部最佳影片之一。另外一部具有开创性的作品是1993年的《侏罗纪公园》，其中由电脑成像技术所生成的恐龙形象，活灵活现地出现在银幕上，让观众仿佛穿越时空隧道来到了侏罗纪时期。《侏罗纪公园》代表着电脑成像技术步入成熟阶段，在整个20世纪90年代，由电脑模拟技术所创造的视觉特效征服了观众。这种新的画面生成技术为电影讲述新的故事提供了可能性，新的故事加上新的感官刺激使电影步入了一个新的阶段。
为了炫耀电脑模拟的能力，近年来出现了以表现这种技术能力为目的的三维拟人化电影，本世纪初的美国电影《最终幻想》（Final Fantasy）就是其中一例。《最终幻想》的宣传广告自豪地宣称，这是第一部完全由计算机生成的演员进行表演的影片，在洛杉矶首映后不久，惹得大牌明星汤姆·汉克斯发表声明，号召大家警惕计算机演员代替真人演员的趋势，其情惴惴。不过其不佳的票房令“幻想”最终破灭！一场围绕着“演员能否被电脑演员所取代”的大讨论也就此告一段落。但是，换一个角度来看，不管其艺术价值如何，不管我们怎样挑剔片中的电脑演员表情如何夸张不自然，动作过于优美而不够随意，我们却不能不承认，《最终幻想》把计算机生成影像的能力发挥到了极致。作为一部全电脑动画电影，《最终幻想》中人物的逼真程度达到了前所未有的境界，成功地表达出以往电脑动画难以表达的“人类面部表情”以及“生命的真实感”，甚至连皮肤的纹理和衣服的褶皱这些细节的部分都栩栩如生。《最终幻想》在电脑模拟技术上的成就可以说是一部里程碑式的电影。
正是因为电脑模拟所具有的极大的创造自由度和逼真的视觉感受，能全面满足创作者塑造银幕形象的需求，因此无论是使用范围还是使用效果，都是其他特殊表现方式无法比拟的。
科技探索类节目是以展示科学景观、揭示科学道理、弘扬科学思想、宣传科学方法为己任，因此它所表现的对象非常广泛，内容十分丰富，其中有不少甚至超越了人类肉眼的观察范围和摄影机镜头的拍摄能力，像宏观的天体宇宙，微观的细菌病毒、分子原子，还有各种物理现象，化学反应等。为了能全面准确地反映科学内容，让观众正确理解作品所要表达的主题思想，创作者们经常会运用一些特殊的方式来表现这些常规摄影无法真实再现的内容。所以电脑模拟一经推出，就成为科技探索类节目创作者们争相使用的表现方式，并随着创作者们对它理解得日趋深刻、运用得日渐自如，成功的范例不断涌现，像北京科学电影制片厂上世纪90年代中期拍摄的《种子正传》，用计算机三维动画表现了人类从未见到过的植物由种子孕育生命的全过程，生动而形象，后来以计算机三维动画为主体的《宇宙与人》，真实可信地再现了宇宙的起源、发展和与人类的关系，场面恢复，气势磅礴。这些作品不仅利用电脑模拟的手段全面准确地反映了深奥难懂的科学内容，而且也充分展示了电脑模拟成像的特点与效果。
11.3.2 电脑模拟技术的分类
11.3.2.1 模拟摄像机
电脑模拟技术可以实现很多摄像机本身而言从技术角度来说根本无法实现或者难以实现的镜头，但是画面内容基本上还是在现实主义手法的领域内描画现实、再造历史或“真实再现”某些自然景象或动作奇观。比如美国电影《泰坦尼克号》中有一场戏，主人公杰克站在船头喊出“我是世界之王”。伴随着这个声音，镜头围绕船体从船头到船尾的一个快速运动变焦镜头，镜头向后拉开了两三公里，尽管这个镜头从原理上来说可以用飞机航拍完成，但是要达到如此平滑均匀的运动轨迹，几乎是不可能的事。
在2006年我国拍摄大型纪录片《故宫》第一集《肇建紫禁城》中，片子刚开始，满天星星的夜空，特别闪亮的两颗流星划过（冷光色、美好的）；镜头随之滑落云层朝下降，天空渐明，急速俯冲东亚大陆，云雾散去，华北平原带着古老的河道出现在画面中（画面外围稍偏暗冷色，画面中心明亮偏暖色，似有阳光照亮）；镜头减速下降，推进到华北平原北段（以北京为画面中心，外围是北京周边的山脉），标示燕、蓟的古地图叠现在华北平原相应的位置上，旁边出现相应的名称和公元年号；镜头保持很缓慢的下降速度，画面中古地图先后叠现出汉、唐、金中都、元大都、明、清北京的城市轮廓图像，并出现相应的名称和公元年号（金黄色地图）；镜头加速下降推进清北京城，掠过天坛，减速推向清代正阳门箭楼，看到古老护城河；这时正阳门的箭楼充满了画面，镜头仰起推进，猛然越过巨大的箭楼屋顶——2005年的北京天安门广场赫然展现于眼前，相应的字幕打上，镜头持续推进前行穿过天安门门洞，又把观众带入600多年前的明代。这个镜头做得非常逼真，但是事实上这样一个镜头根本不可能通过实拍来完成，只能通过电脑模拟来解决。
11.3.2.2 角色模拟
角色模拟是指在电脑模拟技术中利用计算机创造出本来不存在的物体或者无法拍摄到的物体。
在电视系列片《与龙同行》中角色模拟让电脑模拟出来的恐龙担任了该片所有演员的角色。《与龙同行》是BBC科技频道出品CG动物系列片中的主打片，由Frame Store制作，作为BBC科学节目旗舰的一部分。恐龙是生活在一亿年前的史前巨兽，在现在的世界上已经不存在了，所以该片中全部恐龙采用电脑模拟技术生成，栩栩如生呈现恐龙横行霸道的时代，让观众有身临其境的感受。Frame Store以恐龙的化石骨架为参照搭建起恐龙的实体模型，然后通过三维扫描技术扫描到计算机内，接着给恐龙填充肌肉，覆盖上多鳞的皮肤，添加一些泥土并做细微调整，最后上色生成一只静态的三维恐龙。这样一只静态的恐龙通过以生理力学为基础的复杂运算，“数字恐龙”学会了行走、攻击等各种运动方式，让神秘的恐龙时代活灵活现地出现在了观众的眼前。
在电视片《宇宙与人》中表现太阳和恒星表面的时候，影片采用电脑模拟的手法，模拟出一股股火焰从恒星表面升起，使星球上热流滚滚，处理得十分逼真，给人一种外星球的既怪诞又可信的身临其境的感受。上面这样的镜头是我们所不能够拍摄到的，而通过电脑模拟的方式让观众能够很直观地认识恒星，增加了科技探索类节目的魅力。
11.3.2.3 场景模拟
很多时候所要拍摄的场景早已不存在，如要拍摄阿房宫就需要搭景，搭建一部分还可以，如果建立一个完整的阿房宫耗资就太大了。这时可以搭建部分场景或利用缩微模型，也可以利用一幅画，通过数字技术跟踪、抠像或适当的透视变化，就可以仿造出宏伟的场景。容易看出破绽的前景用实景拍摄，而模型或背景则用在远景，不容易被观众识破。
历史题材影片往往是场景延伸技术频繁亮相的舞台，在这样的影片中常常伴随着大场面的拍摄，许多重要的场景需要大量人力物力重现，费时费力，效果还未必如人意。出于实用性考虑，利用场景模拟技术成为真实再现历史场景的最佳选择，不但能够大幅度节省人工和资金，还能最大限度地再现历史场景。2006年的我国影片《圆明园》就是一个范例。
《圆明园》以几个外国传教士的视角和清朝原本的历史为线索讲述了一个完整的故事，影片最大的看点就在于电脑模拟技术虚拟化的圆明园复原镜头。在整个西洋景区最著名的远瀛台的虚拟复原是最吸引人的部分之一，汉白玉和大青石构建的巴洛克式水池和由青铜十二生肖喷水的画面给人带来强烈的震撼。另外，康熙、雍正和乾隆祖孙三代在牡丹台相遇以及圆明园鼎盛时期的鸟瞰全景的逼真程度令人震惊。
11.3.2.4 模拟克隆
以前对于电影和电视的制片人来说，动用成千上万演员拍摄大场面是件耗资耗力的难事，如何以少的代价获得千军万马的宏大场面一直困扰着制片人。电脑模拟克隆技术为解决这一难题创造了条件，在现在的大片中很少真正调动千军万马进行实拍，而是用一小部分演员，进行一次或几次拍摄，然后通过数字复制的方式，把这一小群演员经过若干次复制，“克隆”出一模一样的影像，或者稍加改动，变换出更多的不同形象来，让他们布满整个画面。电视系列片《故宫》中，令人印象深刻的画面如第一集上万人运送大石的场景，明成祖在城墙上阅兵的壮观场面；第二集顺治进京；第三集太和殿广场百官叩头；第四集百官午夜点着宫灯从午门走到广场等候上朝等。这些都是采用了电脑模拟克隆技术，复制出了这样大规模的场面，使人感到震撼，加强了《故宫》的视觉感染力。其实现场参加演出的群众演员只有很少的人数，但经过制作人员将实际拍摄的场面用电脑进行多次复制，展现在银幕上的却有如此之多。有意思的是在复制人物形象时，演员的服装和标语牌都可以更换，还要给水池加上天空的倒影拍摄。当然要复制得完美还需要进行跟踪和比例变化，以匹配画面的运动和透视变化。
11.3.2.5 增光添影
我们还可以使用一些电脑软件，给画面增加光效，模拟出太阳、月亮等效果。甚至可以在三维空间内操纵画面，通过设置各种灯光，照射各个画面，产生光照效果，光晕、光束、闪电等光线效果也很常用。粒子系统可以在画面上制作出大量微粒，用于模拟自然效果。如可以制作出雨、烟、雪等真实效果，为画面增加气氛。
