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自然界中，我们对生物群体的运动其实并不陌生，天上的鸟群、地上的人群或动物群体、水里的鱼群，都是群集运动的例子。这类的群集运动似乎普遍具有一种迷人色彩，甚至乍看之下会给人某种神秘感。一方面，群集中的每一个个体具有独立的运动状态；另一方面，群集整体又具有同一的运动规律在群落中。最为震撼的是群落中似乎隐藏有一种“群体智慧”，或者可以比喻成是一个隐藏的“超级大脑”。这个“超级大脑”在对群体中的每一个个体进行有效控制。因为有这样的控制存在，所以群体中的每一个个体都始终保持一定距离，同时又在运动方向上始终保持大致相同，从而组合出各种变幻莫测的图案出来。当然，所谓神秘只是我们人的一种感觉。从数学的角度来看，群集运动实际上是一个可以被计算机模拟的并不复杂的数学问题。
在CG领域，粒子系统经常被用来制造风、火、云、雪、水等电影特效[i]。群集动画是一个比粒子系统更复杂的计算问题，好比是粒子系统的一个升级版。通常来讲，粒子系统中的粒子虽然有各自不同的周期变化，但每一个粒子都是没有形体的点。而在群集动画中，每一个个体都是具有形体的，而且必须更加“智能化”，所以处理起来要比粒子更加复杂。但是在群集动画中，个体的行为通常又不会像单独的生物个体那么复杂。看似复杂的群体场面，其中每一个个体的行为很可能是非常简单的。使用粒子系统描述物体的基本步骤如下：
（1）分析所描述物体的静态特性，定义粒子的初始属性；
（2）分析所描述物体的运动规律，构建粒子属性变化的时间函数；
（3）给一定数量的粒子赋予初始属性，并将其加入系统中；
（4）根据它们的动态属性来移动和改变粒子；
（5）删除已经结束生命周期的粒子；
（6）绘制并显示由所有正在活跃的粒子组成的图形。
将步骤（3）～（6）循环操作，就可以实现物体的不规则动态变化过程。[ii]群集动画虽然和粒子系统不尽相同，但是在算法设计方面又有一定的相似之处。不论是鸟群、鱼群、人群、兽群还是僵尸群、魔兽各族大军等，在运动形态方面都会遵循以下几条规则：
（1）群集中的每一个个体都占有一定的空间；
（2）个体和个体之间保持一定距离；
（3）群体具有一个确定的运动方向，每一个个体的运动和这个方向保持大致相同；
（4）运动的群体遇到障碍物时会分开，绕过障碍物后再汇合。
从这几条简单规则出发，便可以编写出各种复杂软件或插件，从而创造出电影里的各种群集效果。我们在电影中看到的各种群集场景，无论是《星河战队》（Starship Troopers，1997）里面漫山遍野的外星虫族，还是《指环王3：国王归来》（The Lord of the Rings: The Return of the King，2003）里面规模宏大的战争场面，或《雨果》（Hugo，2012）里面繁忙拥挤的火车站，或《僵尸世界大战》（World War Z，2013）里面洪水般的众多僵尸，以及《海王》（Aquaman，2018）、《巨齿鲨》（The Meg，2018）、《头号玩家》（Ready Player One，2018）、《复仇者联盟4：终局之战》（Avengers: Endgame，2019）……这些电影里相应的CG特效部分，都涉及到群集动画这一相同的技术实现手段。
一、群集动画的技术发展
在CG技术出现之前，电影中的宏大场面通常只能通过制片方耗费巨资实拍来实现。早在电影艺术的童年时期，便曾有格里菲斯的《党同伐异》（Intolerance，1916）这种因拍摄宏大场面而导致电影公司赔的血本无归的经典案例。比耗费巨资更令创作者头疼的是，某些电影中的群体场面靠实拍是根本不可能实现的。在没有电脑CG特效的时代，电影创作者们为了制造电影中的群集效果可以说是煞费苦心。其中最典型的一个例子便是希区柯克的经典名片《群鸟》（The Birds，1963）。
（一）《群鸟》（1963）——动态片段叠化技术
早在电影问世之初，世界电影先驱、法国电影艺术家乔治·梅里爱就曾用停机拍摄、叠印、多次曝光等特技，创造了如《月球旅行记》（1902）等充满奇幻想象的电影短片。在《一个人的乐队》（1900）这部短片中，梅里爱利用传统的特效手法成功地“复制”了七个自己，在其中一个人的统一指挥下，其他六个人用各自不同的乐器演奏同一支曲子。这里所利用的传统特效手法，在一定程度上可以看作是群集化控制的一个雏形。
梅里爱自导自演的短片《一个人的乐队》（1900）
在悬念大师阿尔弗雷德·希区柯克1963年的作品《群鸟》中，最令人震撼的莫过于鸟群莫名聚集和突然对人发起攻击的场面。在影片中，当弱小的鸟聚集在一起成为一个群集时，似乎变成了一个巨型的恐怖存在。这大概是观众第一次在银幕上体会到鸟群的独特震撼。为了制造出群鸟的惊悚效果，迪士尼公司将不同的鸟的模型的动态片段抠出再进行叠化，从而制造出眼花缭乱的鸟的群集影像。从本质上来讲，这里的特效技术实际上跟梅里爱时代并没有太大差别，不过是利用多层叠化来增加鸟的数量，但影片完成后的效果却出奇的好。虽然影片中某些抠像的边缘可以明显看出粗糙感和破绽，但依旧瑕不掩瑜。对比一下印度电影《宝莱坞机器人2.0：重生归来》（2018），这里面有无数手机在一起组合成一只巨鹰的CG特效场面，技术上虽远胜于《群鸟》，但以银幕震撼效果而论却差了很多。
《群鸟》中鸟群袭击人的场面
《宝莱坞机器人2.0：重生归来》里无数手机组合成的巨鹰
（二）《星河战队》（1997）——CG创造外星虫族
把外星生物设计成类似于蚂蚁或蜜蜂这种具有“群体智慧”或“超级大脑”的生物形态，是好莱坞科幻电影中的常见创意，代表作品比如《异形2》（Aliens，1986）、《星河战队》等。在《异形2》里面，创作者第一次设计出了异形的群体形态。一只体型巨大的异形女王负责产卵，类似于蚁后或者蜂后，而其它异形类似于蚁群中的工蚁、雄蚁或者蜂群中的工蜂和雄蜂。技术所限，这部影片里的异形全部来自于传统的模型特效。尽管大导演詹姆斯·卡梅隆把片尾女主角大战异形女王的戏拍出了史上最具震撼的效果，但异形群体的整体运动形态，这样的场面在影片中实际上是缺席的。《星河战队》里的外星虫族，在生物形态方面跟《异形2》里的异形群体实际上非常相似，也是一个“超级大脑”负责指挥和掌控所有的虫族个体。按照影片中的情节设定，《星河战队》中的展现重点不是哪一个外星虫族的个体，而是密集疯狂、充满攻击性的外星虫族的群体效果。这一次，CG技术有了大显身手的机会。
1990年代是CG技术刚刚发展成熟的时代。在当年奥斯卡最佳视觉效果奖的颁奖典礼上，这部《星河战队》惜败给了《泰坦尼克号》。对比今天的CG技术，可以明显看出这部《星河战队》是如何挖掘CG的潜能又如何扬长避短的。首先，影片把外星虫族设计成身上长着硬壳的节肢动物，这给模型制作提供了极大的便利。事实上，影片中出现的各种外星虫族个体的镜头，基本都是采用一比一的模型来实现的。影片的特效团队只需要保证外星虫子的头和几个关键肢节点会动即可，而不必考虑细腻复杂的面部表情变化、以及运动带来的身体肌肉皮肤毛发的变化这些因素。至于外星虫子的身体局部细节，更是可以用简单的一只腿或者一个触角之类的道具来实现。
影片的CG特效团队主要负责虫族的群体场面处理。下图实际上是《星河战队》这部电影当年拍摄的第一个镜头，长镜头跟拍士兵们从要塞下面快速登上要塞，然后镜头升起，观众看到漫山遍野的外星虫子，极具震撼效果。囿于当时的CG水平，摄制组采用了先拍摄实景镜头，然后再把CG制作的外星虫族“粘贴”上去的办法。先由技工组雕刻出模型的每一个组件，大致确定外星虫子的运动形态，然后由影片的CG团队对模型进行扫描，在电脑中实现其个体的运动。单一的外星虫子在电脑中的运动问题解决之后，特效团队再进行大量复制。在这里外星虫族节肢动物的特点再次简化了影片的CG制作难度，虫子们尖锐的肢体，以及空间环境的干旱、坚硬、封闭，群集场面的远景特点等，这些因素都让CG制作的虫子和实景拍摄的环境，这二者之间的融合问题变得简单不少。而且影片中外星虫族的运动速度很慢，这也让CG团队在处理群体运动时容易了许多。
《星河战队》中充满攻击性的外星虫族，三维动态故事板及最后完成镜头
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