#5.2.1 计算机动画-在应用研究中成型（1960-1964）

20世纪60年代

• 贝尔实验室成为计算机图形学、计算机动画和电子音乐领域的主要研究基地，

  • 多位著名计算机动画先驱都曾工作于此。

• 利弗莫尔实验室（LLNL）作为美国核武研究核心机构，大量使用高性能计算机进行流体力学、爆炸模拟等计算。
  •  这些研究需要将复杂物理现象可视化，推动了3D图形技术的早期发展。
  • 实验室开发了基于粒子系统的模拟算法，用于呈现爆炸、冲击波等动态效果，这类技术后来被动画行业借鉴（DS提供信息，真伪核实中）

NASA 早期飞行模拟的光学与模拟可视化技术（1959–1964）

涵盖 Mercury（1959–1963）至 Gemini 早期（1964）飞行模拟器；开发方：美国国家航空航天局（NASA）

在数字图形尚未出现的年代，NASA 需要为宇航员训练构建“窗口外视景”。1959–1964 年间，NASA 以光学投影、机械摄像机构造与模拟计算机联动的方式，创造出一整套“前数字时代的可视化工程体系”。这些系统虽未使用任何 CG，却奠定了现代飞行模拟器的核心框架，也直接催生后续数字场景生成器的需求。

技术创新 / 可视化方法学突破

• 光学背景投影系统：最早的“窗口视景”
  • 使用航拍照片、手绘地景图或微缩模型制作背景板，通过投影机投射到飞船舱窗前。
  • 通过变换投影角度或切换背景，模拟视角变化。
  • 成为 NASA 最早的“视觉模拟器”雏形。
• 摄像机机械滑轨：物理版实时渲染
  • 在真实地形模型上安装能俯仰、位移的摄像机，由模拟计算机实时驱动。
  • 宇航员看到的“地景飞掠画面”，本质是摄像机在模型上机械移动的输出。
  • 形成飞行模拟中最早的“视景生成器”。
• 模拟计算机驱动的闭环系统
  • 飞行动力学解算、姿态变化均由模拟计算机实时输出。
  • 输出信号同步驱动摄像机、投影系统和仪表。
  • 虽然没有任何数字图形，但已构成完整的飞行模拟闭环结构。
• 实体舱段 + 光学视觉：早期沉浸式体验
  • 宇航员坐在真实比例舱段中，舱体可俯仰滚转，与窗口前投影或摄像机画面同步。
  • 具备现代 VR / 飞行模拟器三要素：空间环境、视景反馈、运动反馈。

历史价值与影响

• NASA 视觉模拟体系的建立，为数字图形铺路
  • 早期光学系统提出了后续数字图形必须解决的核心需求：可程序控制的视角，可实时更新的地形，可计算的姿态与轨迹。
  • 这些要求成为 1960 年代中后期 NASA 发展数字场景生成器（scene generator）的直接推动力。
• 建立飞行训练的“窗口外可视化”标准
  • 从 Mercury 到 Gemini 早期的光学系统，确立了飞行模拟训练最关键的结构：飞行控制 → 姿态解算 → 外部视景更新。
  • 这一模式至今仍是所有飞行模拟器的基础。
• 促使 NASA 引入实时数字图形
  • 光学方法的局限（缺乏动态地形、分辨率固定、难以实时改变地貌）让 NASA 必须寻找更灵活的数字替代方案。
  • 1964 年后 NASA 开始：将主模拟机改为数字计算，建立早期向量/光栅图形系统，发展电子场景生成器。
  • 成为最早推动实时计算机图形发展的机构之一。

1960：

瑞典皇家理工学院CG动画短片《计划中高速公路的渲染》（Rendering of a planned highway，1960）。

• 首部描绘具象事物的数字动画短片。

• 在“二进制电子序列计算机”（BESK）上创建，时长49秒，模拟一辆汽车在高速公路上行驶的所看到的公路画面。
• 白色线条动画在一台专门的示波器上显示，再用一台由计算机控制的相机拍摄。

《计划中的高速公路渲染》
© 瑞典皇家理工学院，1960

约翰·惠特尼（John Whitney）创立“运动图形公司”（Motion Graphics）🎉​

• 继续使用自己改装的设备制作运动图形动画，并把它们发展成一种艺术形式，

• 成为首批正式使用和定义术语“运动图形”的人。

• 他也被认为是把“狭缝扫描”技术引入电影特效动画的开路者。

• 美国波音公司的威廉·费特（William Fetter）和凡尔纳·哈德森（Verne Hudson）创造了术语“计算机图形”（Computer Graphics），

  • 当时用于描述他们的计算机绘图工作。
  • 该术语的缩写“CG”，有时候会和“计算机生成”（Computer Generated）的缩写混淆😕。

• IBM开发了第一个自动化设施，开始大规模生产晶体管。

• 物理学家西奥多·梅曼（Theodore Maiman）发明了“激光”，它将对CG动画行业的多个领域发展带来重要贡献。

1961：

• 约翰·惠特尼制作了首部CG的实验动画短片《目录》（Catalog，1961），

  • 依然使用自己改造的模拟计算机制作，摸索了大量迷幻绚丽的图形运动效果。
  • 这部作品即使在今天观看也不会让人产生“过时”感。

《目录》
（约翰·惠特尼，1961）

• 美国菲尔科公司（Philco）的科莫（Comeau）和布莱恩（Bryan）建造了一个头戴式显示器“Headsight”。
  • 在头盔上安装了一个磁跟踪系统来确定方向，头盔显示器与遥控闭路电视系统一起使用，以远程查看危险情况，但尚未与计算机生成图像整合。

1962：

• 模拟电子动画先驱李·哈里森三世（Lee Harrison III）开发了一套具有运动捕捉功能的混合图形数字动画系统“Animac”的早期版本。

  • 使用电位器组装的紧身动捕服，在CRT屏幕上生成实时3D角色动画。
  • 哈里森三世在1960年代使用该系统制作了一些列探索性的CG动画，尽管所生成的动画图像以及其动捕精度都还不太“靠谱”。
  • 基于计算机的运动捕捉技术将在21世纪成为一种常用的动画制作技术，并对电影和动画技术之间的分界造成严重困惑🤹。

Animac系统说明册附图
© 1962 Lee Harrison III

• 麻省理工学院的史蒂夫·罗素（Steve Russell）等在PDP-1计算机上开发了视频游戏《太空战争》（ Spacewar!，1962）。

  • 首款数字计算机视频游戏，首款可双人同时操作的游戏

  • 随着学生们的自发传播，游戏的源代码被分享到其他拥有同型号计算机的机构，从而使这款游戏被更多人认识，但当时计算机高昂价格还不能让视频游戏成为一种大众商品。
  • 在最初的版本中，背景星空是随机生成的，后加入了昂贵的、基于真实星图的天象仪程序。

• 与此同时，一些战略模拟“游戏”正在美政府机构中研发。
  • 值得注意的是，随着相关技术的发展，现代所谓的游戏引擎，和战争模拟器，只是一朵双生的花而已。

《太空战争》
© Computer History Museum

• 莫顿·黑里格（Morton Heilig）获得了一个多感官虚拟体验设备“传感剧院”（Sensorama）的专利。

  • 一种早期的“虚拟现实”（VR）设备

  • 包括立体彩色显示器、风扇、气味发射器、立体声系统和运动椅子，让观众体验骑摩托穿越纽约的感觉。
  • 它被当作一种新式街机电子游戏设备并投放在商场里，但似乎只投放了一台。
  • Heilig M.传感剧院模拟器: US3050870A[P]. 1962-08-28.

• 黑里格还获得过可能是世界上首款头戴式显示器的专利（于1957年提交申请），

  • Heilig M.Stereoscopic Television Apparatus for Individual，Use: US2955156A[P]. 1960-10-04.
• 以及又一种类似于现在4D影院的沉浸式体验剧场（Experience Theater）的专利（于1966年申请），但均未见实物。
  • Heilig M. Experience Theater: US3469837A[P]. 1969-09-30.

Sensorama 广告图

1963：

• 贝尔实验室的爱德华·扎亚克（Edward Zajac）制作了CG动画短片《双陀螺重力梯度高度控制系统》（A Two Gyro Gravity Gradient attitude control System，1963）

  • 最早的“科学可视化数字动画”之一。

  • 动画基于物理模拟计算，演示他开发的一种保持通信卫星在运行时朝向的姿态控制系统。
  • 这些模拟动画的制作资金一般来自航空公司、政府或科研机构，相关项目在一定程度上辅助了计算机生成图像和计算机生成动画技术的发展。

• 贝尔实验室的肯·诺尔顿（Ken Knowlton）开发了使用图形原语的数字动画系统“Beflix”

  • 名字来自贝尔实验室（Bell）+电影（Flicks）
  • 该系统在IBM的大型计算机7090上开发，动画通过微缩胶卷记录器输出到电影胶卷。
  • 随后被用来制作了数十部动画。

《双陀螺重力梯度高度控制系统》
© 1963 Edward Zajac, Bell Telephone Laboratories

• 安派克斯（Ampex）开发了一款面向电视节目的线性视频编辑系统“电子编辑器”（Editec），

  • 允许录像带逐帧录制、编辑、控制、制作简单的动画效果等。
  • 非破坏性编辑：原始素材得以保留并进行多次编辑，它改变了以往直接裁剪和粘贴破坏式电影胶卷编辑方式，也是后续所有电子视频编辑系统的基础。
  • 但它还有很多问题需要解决，包括复制时造成影像质量损失、没有时间码、无法标记编辑点、没有预览等。

• 麻省理工学院的劳伦斯·罗伯茨（Lawrence G. Roberts）在其博士论文《机器对三维实体的感知》中

  • 提出了已知最早的关于在3D线框渲染中“消除隐藏线”的解决方案。

  • Roberts L. G. (1963). Machine Perception of Three-dimensional Solids. MIT.
  • 尽管它对模型有限制，但罗伯茨的努力引起后来韦斯（Ruth A. Weiss）、伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）和德瓦伊（F. Devai）等人相继推进相关问题的研究。
    • Weiss R. A. (1966). BE VISION, A Package of IBM 7090 FORTRAN Programs to Draw Orthographic Views of Combinations of Plane and Quadric Surfaces. Journal of the ACM, Volume 13,Issue 2, 194–204.
    • Sutherland I. E., Sproull R. F., and Schumacker R. A. (1974). A Characterization of Ten Hidden-Surface Algorithms. ACM Comput. Surv. Vol.6, Issue 1, 1–55.
    • Devai F. (1986). Quadratic bounds for hidden line elimination. SCG ’86: Proceedings of the second annual symposium on Computational geometry, 269–275.

• 俄亥俄州立大学的查尔斯·丘里（Charles Csuri）成立了一个计算机图像研究实验室 🎉​，
  • 探索CGI技术与艺术的连接，致力于动画语言、复杂的建模环境、用户中心界面、人类和生物运动描述等领域的研究。
  • 相关工作为后来著名的俄亥俄州立大学计算机图形研究小组（CGRG）垫下基础。
  • 丘里作为一名画家，却逐渐对计算机及其作为艺术工具的潜力产生了浓厚兴趣。

• 飞利浦的卢·奥滕斯（Lou Ottens）和其团队带来了“盒式磁带”，
  • 再一次，储存媒体的进步将推动动画技术进入另一个舞台。

• 麻省理工学院启动一项计算机合作项目“MAC项目”，
  • 旨在创建一个功能强大的分时系统，以允许多用户从不同的位置访问同一台计算机的程序，最终为人类带来了互联网时代。

1964：

• 威廉·费特（William Fetter）为波音的一个动画短片

  • 创造了第一个3D线框数字角色——“波音人”，成为早期CGI技术史的一个重要里程碑。

“波音人” © 1964 Boeing

• 达特茅斯学院的约翰·凯梅尼（John G. Kemeny）和托马斯·库尔茨（Thomas E. Kurtz）开发了“初学者通用符号指令代码”（BASIC语言）
  • 为编写电脑游戏提供了更便利的语言环境，尤其在大学生群体中引起了一股创造游戏的潮流。

• 露丝·韦斯​​（Ruth E. Weiss）创建了首批将3D曲面方程转换为“正交图形”的算法。

  • Weiss, Ruth E. (1966). BE VISION, a Package of IBM 7090 FORTRAN Programs to Drive Views of Combinations of Plane and Quadric Surfaces, Journal of the ACM 13(4) April, p.194-204

• 通用汽车和IBM开发了第一个商用计算机辅助设计系统“DAC-1”

  • 后来被CADANCE接替。

• IBM推出

  • 第一台商用的矢量图形显示系统“IBM 2250”，

    • 成为1960-70年代早期最常用的图形显示器之一，1024×1024分辨率，12×12英寸显示屏。

  • 第一台使用可互换软件和外围设备的计算机“System/360”。

• 美伊利诺伊大学的唐纳德·比策（Donald L. Bitzer）等人发明了等离子显示屏，
  •  但距离其商业普及还有一段时间。
  • 是柏拉图计算机项目的一部分。

• 兰德（RAND）开发了图形计算机输入设备“RAND Tablet”，类似于现代的手写板。

NASA 数字飞越动画与任务规划初期（1964–1972）

在 Gemini 后期和 Apollo 初期阶段，NASA 可视化团队的飞行模拟逐步从光学/机械模拟向数字计算机辅助可视化过渡。这一时期，数字动画开始被引入任务规划、航天器轨道与姿态分析，以及宇航员训练中。

技术创新

• 线框数字建模（Wireframe Models）：计算机生成航天器和轨道的线框图，可动态旋转、缩放和飞越，为工程师提供直观空间参考。
• 早期数字飞越动画：将轨道和姿态数据输入计算机程序，自动生成连续动画序列，模拟航天器从发射、轨道到对接或着陆的全过程。
• 交互式任务可视化：结合模拟控制台，工程师可实时调整轨道参数并观察航天器响应，为 Apollo 登月任务的关键操作提供技术支撑。
• 辅助宇航员训练：飞越动画与可视化模型结合任务脚本，帮助宇航员理解复杂轨道操作和对接流程，提高培训效率和安全性。

历史意义

• 科学可视化基础：数字飞越动画的开发奠定了后续科学可视化技术的核心框架，包括精细建模、动态渲染和交互控制。
• 教育与科普启发：这些技术的早期应用示范了动画在教育和公众科普中的潜力，为后来的航天教育片和数字演示提供了先例。
• 任务规划革命：可视化工具使任务设计更直观可靠，提升了工程师与宇航员之间的信息沟通效率，推动了 Apollo 任务的顺利实施。