#5.2.2 在应用研究中成型（1965-1969）

1960年代中：

早期的计算机动画先驱基本都是科学家，主要原因是计算机设备仍属于稀有资源，而早期的动画软件也没有考虑到非编程背景的用户，但这种情况在1960年代中逐渐改变。

1965：

• 贝尔实验室CG动画短片：

  • 麦克·诺尔（Michael Noll）制作的《4D超立方体》（4-D Hypermovie/Hypercube，1965）

    • 首部立体3DCG动画，首部关于“4D”概念的CG动画，需使用立体眼镜观看。

  • 诺尔还制作了《电脑芭蕾舞》（Computer Ballet，1965）
    • 涉及几个简单的火柴人跳舞动画。
    • 它也被介绍为第一部涉及人形的CG动画，但视乎于你对此前模拟电子动画先驱李·哈里森三世（Lee Harrison III）通过动作捕捉技术生成的实验动画，是否已经可以被称为CG动画。
  • 弗兰克·辛登（Frank Sinden）创作了一部阐述牛顿运动定律的《力、质量和运动》（Force, Mass and Motion，1965）。
    • 该片展示了CG动画技术在制作科学可视化动画中有着天然的数据准确优势。

• 波音的威廉·费特（William Fetter）制作了《运输机着陆》（Carrier Landing，1965）

  • 已知首部第一人称视觉的3D飞行模拟动画，

  • 后来这个3D图像被很多视频游戏和模拟器使用。
  • 这些仿真模拟动画的制作资金一般来自航空公司、政府或科研机构，相关项目在很大程度上促进了早期的CGI技术发展。

• 劳伦斯·罗伯茨（Lawrence G. Roberts）把“齐次坐标”引进计算机生成图像领域。

• IBM推出首个双极半导体存储器“SP95”，

  • 虽然在价格上暂时还无法与磁芯存储器竞争，但这不影响它为CGI技术研发带来新的可能。

1966：

• 艺术家罗伯特·劳森伯格（Robert Rauschenberg）和贝尔实验室工程师比利·克鲁弗（Billy Klüver）创立了“实验艺术与技术”（Experiments in Art and Technology，简称E.A.T.）🎉​，

  • 非营利性组织​，旨在促进艺术家和工程师之间的合作。

• 12月：日本计算机技术小组（Computer Technique Group，简称CTG）成立🎉。​

  • 创始成员包括小村正夫（Masao Komura）、土屋晴通（Haruki Tsuchiya）、山中邦夫（Kunio Yamanaka）和角崎順一（Junichiro Kakizaki​）。（资料来自英语网页，创始成员中文翻译为音译）
  • 在日本IBM的技术支持下，团队利用大型计算机与绘图仪创作前沿的CG艺术作品。

• 劳伦斯·罗伯茨（Lawrence G. Roberts）开发了一种超声波位置传感装置“林肯魔杖”（Lincoln Wand），

  • 允许计算机获取棒尖的三维坐标。

1967：

• 俄亥俄州立大学的查尔斯·丘里（Charles Csuri）和詹姆斯·沙弗（James Shaffer）

  • CG动画短片《正弦曲线人》（Sine Curve Man，1967）
    • 使用马克·吉伦森（Mark Gillenson）开发的一个关键帧动画系统“WhatsIsFace”制作。
    • 使用一个人的线条画，通过正弦曲线映射和一台大型计算机对其形状进行了修改。

    • 成为首部涉及人脸融合变形（morphing）的CG动画短片。

    • 由于缺乏记录这种原始动画的输出介质，他用IBM绘图仪在纸上绘制了中间帧，创造出一组令人难忘的图像融合。
  • CG动画短片《蜂鸟》（Hummingbird，1967）。
    • 内容关于一只飞行中的蜂鸟，制作了超过14,000帧画面，通过爆炸、分散和重组的动态效果呈现蜂鸟的形态。
    • 这些帧被输出至16毫米电影胶片，于1968年被现代艺术博物馆（MoMA）永久收藏，成为首批计算机生成动画艺术的代表作之一。
  • 此后数年，丘里继续与研究生及同事合作，尝试通过多种方法指导计算机动画技术，将其构想中的各类艺术意象转化为动态影像。
  • 1969年，丘里获美国国家科学基金会（NSF）资助，用于探索计算机与软件在视觉艺术研究与教育中的应用潜力。这一资助对艺术家而言极为罕见，凸显其团队研究的开创性价值。

• 日本计算机技术小组（CTG）的幸村真佐男和藤野孝爾创作了一幅著名的计算机生成融合变形图像《奔跑的可乐是非洲》（Running Cola is Africa，1967）

  • 一个线框图形从奔跑的人变成可乐瓶，再变成非洲地图。

《正弦曲线人》
© 1967 Charles Csuri, James Shaffer
PS：封面图为该作品同系列静态CGI作品

《蜂鸟》
© 1967 Charles Csuri, James Shaffer

《奔跑的可乐是非洲》
© 1967 Masao Komura, Koji Fujino

• 麻省理工学院的史蒂文·库恩斯（Steven Coons）发表了一篇被称为“小红皮书”的论文《计算机辅助空间形态设计的曲面》，

  • 描述了控制几何曲面的数学公式，成为后来3D曲面描述（B样条、NURB等）的基础。

  • Coons S.A. (1967). SURFACES FOR COMPUTER-AIDED DESIGN OF SPACE FORMS. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology.

• 怀利（C. Wylie）等发表了关于扫描线渲染的文章《计算机生成的半色调透视图》，

  • 可能是相关主题的首次发表，是3D渲染中用于确定可见面的算法，逐行工作。

  • Wylie, C., Romney, G.W., Evans, D.C., & Erdahl, A. (1967). Half-tone perspective drawings by computer. AFIPS ’67 (Fall).

• IBM研究中心的亚瑟·阿佩尔（Arthur Appel）发表了《定量隐形与固体机器投喂的概念》

  • 引入了定量不可见性的概念，也是确定可见面的一种方法。

  • Appel, A. (1967). The notion of quantitative invisibility and the machine tendering of solids, Proc. A.C.M. National Meeting, p387-393.

• 索尼推出首款便携式摄像录像机“PorTapak”
  • 其他厂商也陆续推出自己的版本，它们在70年代将陆续取代16毫米胶片机。

• 美国发明家、工程师拉尔夫·拜耳（Ralph Baer）开发了第一个在电视上玩游戏的设备“棕色盒子”（Brown Box）

  • 包括首款主机游戏，和第一把“光枪”（光笔的变体）。

  • 成为后来所有家用游戏机和控制手柄的原型。

• 通用电气为NASA制作了首个全彩实时交互飞行模拟系统“Rod Rouglet”。

• 1967-1968年间，哈里森三世（Lee Harrison III）使用其“Animac”系统制作的CG实验动画短片创下了多个第一：

  • 《棍子人》（The Stick Man，1967）

    • 现存第一个基于运动捕捉的实时数字木偶；

  • 《美丽的噪音》（Beautiful Noise，1968）

    • 现存第一个基于面部运动捕捉的、会唱歌的数字木偶，尽管比较抽象；

  • 《电脑先生》（Mr. Computer Image，1968）

    • 现存第一个会说话的数字木偶。

1968：

• 电影长片《2001太空漫游》（2001: A Space Odyssey，1968）

• 导演：斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick）；制作公司：Stanley Kubrick Productions。
  • 美国著名电影特效大师、导演及视觉效果先驱道格拉斯·特鲁姆布（Douglas Trumbull）使用了一种被称为“狭缝扫描”的特殊技术，为该片制作了著名的“星门”特效动画。
    • 相机、狭缝挡板、图像素材和灯光等连接在由马达驱动的特殊支架上，相机在每次移动时只拍摄一张夹缝照片，多次曝光后在胶片上获得一种伪3D的透视线轨迹效果。
    • 狭缝扫描技术源于早期的全景相机，后来用于拍摄静态图像的特殊模糊或扭曲效果，而制作动画效果则需要对每幅图像重复执行运动拍摄，是一个十分复杂和费时的过程，需要依赖精确的运动控制技术。
    • 后来，虽然很多基于机械的运动控制技术不断被更先进的全CG动画技术取代，但它们至今依然会被使用。
  • 该片也使用了大量传统特效动画技术，包括前投、投合、微缩模型和全尺寸模型，以及著名的“跳转剪辑”案例。
    • 利弗莫尔实验室（LLNL）参与了该片的技术咨询，提供运动控制摄影技术支持。（DS提供信息，未从权威资料中获取，有待核实）

• 苏联数学家尼古拉·康斯坦蒂诺夫（Nikolai Konstantinov）领导的研究小组创建了一只小猫变形和行走的CG动画短片《凯蒂》（Kitty，1968）。

  • 凯蒂经常被介绍为世界上第一个CG动画角色，但这视乎于对角色的界定。

  • 该片在大型电子计算机“BESM-4”上通过数学方程制作，图像由字母符号组成，逐帧打印到纸上，再拍摄到电影胶卷。

• 英国数字动画先驱托尼·普里切特（Tony Pritchett）带来了《菲利斯派德》（The Flexipede，1968），

  • 首部以娱乐为目的制作的数字动画短片。

《2001太空漫游》星门特效片段截图
© 1968 Stanley Kubrick Productions

《凯蒂》
© 1968 Nikolai Konstantinov

《菲利斯派德》
© 1968 Tony Pritchett

• 山田学和月尾嘉男使用计算机控制绘图仪制作了一部动画短片《风雅的技法》（風雅の技法，1968）

  • 成为现存日本最早的CG动画。

  • 内容是一些3D线框的立方体旋转、变形、跳动、排列等，

• 贝尔实验室的保罗·寇恩（Paul Cohen）执导了电影短片《不可思议的机器》（Incredible Machine，1968）

  • 介绍该实验室在1960年代在CGI和CG动画技术的研究成果，并展示了相关设备、软件和数字动画，为动画技术史研究提供了珍贵的影像资料。

• 亚瑟·阿佩尔（Arthur Appel）率先提出利用“光线追踪”原理让计算机生成图像的方法，以及确定一个点是否在阴影图像中的过程。

  • 它相比起其他3D渲染技术计算成本更高，但保真度也更好，能够模拟各种光学效果。
  • 此外，任何近似线性运动的物理波或粒子现象，都可以用光线追踪来模拟。
  • Appel, A. (1968). Some techniques for shading machine renderings of solids, Spring Joint Computer Conference, p37-45.

• 萨瑟兰（Ivan E. Sutherland）和其学生在麻省理工学院的实验室开发了首款增强现实（AR）头戴显示器“达摩克利斯之剑”（Sword of Damocles）

  • 可追踪定位，每只眼睛显示一个单独的线框图像，使佩戴者能够看到立体的3D场景，以及远程摄像机中的实时影像。
  • 尽管当时的硬件条件限制了虚拟现实、增强现实等技术的商业发展，但它在航天、军事等领域继续研究。

达摩克利斯之剑（萨瑟兰，1968）

达摩克利斯之剑（萨瑟兰，1968）

• 戴夫·埃文斯（Dave Evans）受邀在犹他大学成立计算机科学系🎉​。

  • 成为计算机生成图像技术研发的重要机构之一，

  • 随后十几年里在该领域中有影响力的人物，很多都在某种程度上与犹他大学有关。
  • *萨瑟兰（Ivan E. Sutherland）、克拉克（James H. Clark）、卡特姆（Edwin Catmull）、沃诺克（John Warnock）等

• 埃文斯和萨瑟兰创立了“埃文斯和萨瑟兰公司”（Evans & Sutherland，简称 E&S）🎉​。

  • 以研发专业数字动画设备闻名，也开发了多种一站式的操作训练模拟系统，同时为天文馆、圆顶投影等特殊造型的数字影院产品打开了市场。
  • 该公司在之后的几十年里，成为众多可视化动画项目的幕后力量，并在CG动画技术发展史上建立多个重要的里程碑。

• 惠普（HP）推出

  • 世界上第一台台式电脑“HP 9100A”，也是第一台大规模销售的个人电脑。

  • 推出首批实用的LED显示屏。

  • 相关领域的后续发展将推动一场数字显示技术革命。

• 美国信息国际公司（ Information International）推出胶片摄像机“FR-80”
  • 由使用精密的阴极射线管显示屏，以高达16384×16384的分辨率将黑白（后来包括彩色）的CG图像记录到透明胶片中，成为当时CG动画转录的理想系统。

• 斯坦福研究所的道格拉斯·恩格尔巴特（Douglas C. Englebart）发明了首款“鼠标”

  • 至今依然是数字动画制作和人机交互的主要工具。
  • 虽然它也带来了所谓的鼠标手之痛，说起来，我的手，有点痛……

• IBM研究员罗伯特·丹纳德（Robert Dennard）发明了新一代动态随机存取储存器（DRAM）。

• 伦敦当代艺术学院（ICA）举办​“控制论的意外发现”（Cybernetic Serendipity）​展览，

  • 首次将计算机艺术纳入当代艺术语境。

• 国际工作室（Studio International）出版了一本特刊《控制论的意外发现，计算机和艺术》
  • Reichardt J edited. (1968). Cybernetic Serendipity，The Computer and the Arts. London: Studio International.
  • 介绍了1960年代世界各地关于计算机艺术的研究和探索。

  • 首批探讨“技术与创造力关系”的出版物之一。

1969：

• 数学应用集团（Mathematical Applications Group, Inc.）为IBM制作了

  • 第一个涉及CG动画的电视广告。

  • 该公司于1966年由菲利普·米特尔曼（Philip Mittelman）在美国创立，1972年成立“MAGi/SynthaVision”图形组，参与了迪士尼电影《创》（Tron，1982）的CGI制作，开发了一系列CG动画软件，成为早期计算机动画技术的重要拓荒者之一。

• 早期CG动画实验先驱安藤紘平创作的《噢！我的妈妈》（オー・マイ・マザー/Oh! My Mother，1969）
  • 尝试将电子技术融入电影创作。
  • 该片使用反馈效果​（feedback effect）创作而成，即通过无限循环视频图像，使画面产生无限扩展的视觉效果。
  • 使用该技术的早前案例还有山口勝弘（Katsuhiro Yamaguchi）的《图像调制器》（Image Modulator）

• 日本计算机技术小组（CTG）制作的​《计算机电影2号》（Computer Movie No. 2）​
  • CTG团队通过IBM计算机编程生成图形，用16毫米胶片相机拍摄屏幕画面，并将逐帧影像剪辑为动画电影。

Oh! My Mother 剧照
© 1969 安藤紘平

Image Modulator
© 1969 Katsuhiro Yamaguchi

Computer Movie No. 2
© 1969 Computer Technique Group

• 机视频游戏《导弹》（Missile，1969）
  • 发行：世嘉（SEGA），街机系统：Sega Mechanical。

  • 首款把实际模型、预渲染动画和实时动画组合在一起的街机游戏。

  • 这类街机游戏在70年代一度流行，但随着实时数字动画技术的进步而逐渐被取代。

• 哈里森三世推出了第一套被广泛使用的商业动画系统“Scanimate”

  • 在接下来的十几年里，被用于各种电视节目的动画制作。
  • 该系统允许交互控制创建实时动画，可直接操纵视频信号生成图像，
  • 包括运动捕捉系统“Animac”的改进版（真空管更改为晶体管，操纵动画偶的方法被用于移动其他图形，皮肤扫描仪和系统经过改进，可处理图形动画，多骨骼机构简化为5个旗杆生成器），
  • 使用每秒50或60帧创建流畅的动画，颜色更加鲜艳饱和。
  • 但该系统不能直接绘制关键帧动画，由于基于模拟计算机系统的控制方式，其具有无限可能性的优点同时成为难以重复的缺点，动画师的培训也十分困难。
  • 哈里森三世因此于1972年获🏆 艾美奖
  • Scanimate 系统在80年代逐渐被新一代数字动画系统取代。

• 麻省理工学院林肯实验室的罗纳德·贝克尔（Ronald Baecker）开发了早期的CG动画制作系统“GENESYS”，
  • 最初是其博士论文的一部分，支持手绘输入、逐帧和路径动画、多图层编辑等功能。
  • Baecker, R. M. (1969). Interactive computer-mediated animation. MASSACHUSETTS INST OF TECH CAMBRIDGE PROJECT MAC.

CG动画制作系统“GENESYS”

• 埃文斯和萨瑟兰公司（E&S）开发了首款配备“图形处理器”的矢量显示设备“LDS-1”。

  • 全称 Line Drawing System 1，是计算机图形学领域具有里程碑意义的设备。
  • 尽管图形处理器（GPU）这一术语在当时的技术语境中尚未完全定型，但LDS-1的矢量显示能力和交互式图形处理功能，为动画技术的发展奠定了关键基础。

  • 首次实现了实时矢量图形绘制，

    • 通过硬件加速生成连续的线条和几何图形，而非依赖逐点扫描的传统光栅显示，这种技术对复杂图形的动态构建更有优势。
  • LDS-1的架构隐含了现代图形管线的核心逻辑：
    • 几何处理​：将三维模型转换为二维投影；
    • ​光栅化​：将矢量线条转换为屏幕像素；
    • ​实时渲染​：通过硬件加速实现动态更新。
    • 这一框架为后续的图形处理器设计提供了理论依据。
  • LDS-1通过专用硬件加速图形计算，验证了“图形专用处理器”的可行性。这一思路在1990年代催生了图形处理器GPU（GPU）的诞生，彻底改变了游戏和影视动画的渲染效率。

• 贝尔实验室的威拉德·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）设计了第一个实用的半导体图像传感器“电荷耦合元件”（CCD）。

  • 图像传感器是后来数妈相机的核心元件，用于感应光线并转换成数字信号，其发展最终让数字影像设备取代了传统电影胶片。
  • 他们在2009年获颁🏆 诺贝尔物理学奖。

• 贝尔实验室的麦克·诺尔（Michael Noll）设计了已知第一个带有“帧缓存器”的扫描显示器，

  • 只有2位和4级灰度。

• 被称为互联网鼻祖的“阿帕网”开始运作，但距离全球进入互联网时代还有一段时间。

1960年代末：

• 利弗莫尔实验室（LLNL）的科学家尝试将科学数据转化为动态图像，例如通过线框建模呈现核爆冲击波传播过程。（DS提供信息，真伪仍需核实）