#5.1.1 在科学研究中诞生（before 1950）

计算机也有着悠久的溯源历史，但1930年代之前，它们由很多遥远又零碎的故事组成……

现代计算机史在1930年代正式启航，而所谓计算机生成图像（CGI）技术，则在1950年代启航。

至于CG动画技术，可以理解为CGI技术与一系列传统动画技术的技术的融合演进体。

Before 1930：

• 古老的日晷、水钟、指南车、记里车、天文仪等都被视为是模拟计算机的祖先。

• 约公元前150-100年间：

  • “安提基特拉机械”有时候被认为是世界上第一台模拟计算机。

• 算盘作为公认的人类最早的计算器，其确切起源无考，世界各地都有零星证物。

• 15世纪末16世纪初：

  • 达·芬奇也留下了一些关于机械计算器的手稿。

• 1610年代：

  • 苏格兰数学家约翰·纳皮尔（John Napier）提出了对数概念，并发明了“纳皮尔骨头”计算系统。

• 1623年：

  • 德国数学家、科学家威廉·席卡德（Wilhelm Schickard）制造了世界上第一台机械计算器，基于钟表的齿轮技术和纳皮尔骨头的想法。

• 1804年：

  • 法国发明家约瑟夫·雅卡尔（Joseph Jacquard）制造了世界上第一台全自动可编程织布机，
    • 利用打孔卡上孔的有和无（即1和0）控制机器编织不同的花样，成为计算机发展史的重要一步。

巴贝奇的差分机与分析机：通用计算思想的奠基（1820s–1840s）

• 1820 年代，英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）为解决航海、天文等数表易错且昂贵的问题，启动自动机械计算机“差分机”计划。1822 年他完成并展示了早期模型（常被称为 Difference Engine 0），随后政府资助其推进更大规模的 “差分机 1 号”（Difference Engine No. 1），其设计与开发大致持续于 1822–1833 年。然而，该机器需要大量高精度齿轮与零件加工，当时的金属加工与装配公差控制难以在成本上支撑，项目最终中止。
• 在差分机受挫过程中，巴贝奇进一步提出更通用的 “分析机”（Analytical Engine）设想：以“运算装置（mill）—存储装置（store）”为核心，配合输入输出机构，并借鉴提花织机的穿孔卡实现程序与数据的控制与载入。相关设计工作约始于 1833 年，并在 1837 年首次系统描述，使其在逻辑上呈现出后来电子计算机所熟悉的“存储—运算—控制分离、可编程执行”的架构雏形。
• 基于这些经验与改良，巴贝奇在 1847–1849 年又重新设计了 “差分机 2 号”（Difference Engine No. 2），结构更精炼、工程性更强；虽仍未在其生前建成，但后世依据其图纸成功复原并验证了设计可行性。
• 虽然巴贝奇的“计算机”们最终都未能真正成功，更不会接生成影像，却确立了“计算可自动执行、可被程序精确控制”的关键观念，为 20 世纪计算机科学与计算机图形学奠基；当电子计算机在 20 世纪中叶落地后，几何建模、图形变换与渲染等图形计算能力才得以系统发展，最终成为 CGI、三维动画与虚拟环境技术的底层支柱。

• 1840年代：

  • 电子图像技术拉开帷幕，电子显示屏和电视共同经历和分享了一段历史，前文已述发展便不再重复。

• 1850年代：

  • 佩尔·舍茨（Per G. Scheutz）等建造了世界上第一台可销售的打印计算机“差分机3号”。

• 1884年：

  • 统计学家赫尔曼·何乐礼（Herman Hollerith）发明了使用打孔卡的制表机，标志着机械化二进制代码和半自动数据处理时代的开始，
    • 直到1970年代，不少电脑仍然使用打孔卡作为处理媒介。
    • 他后来创办的制表机器公司，成为“国际商业机器公司”（IBM）的前身之一。

• 20世纪初：

  • 发明家们已经开始探索印刷电路板。

第一次国际物理学大会（1900）

量子理论奠基（1900）

• 1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）提出“能量量子化”假设，破解黑体辐射解释困境，开创量子理论，打破经典物理学能量连续认知。为拟合实验数据，普朗克提出能量以离散“能量子”为单位传递，满足公式E=hν，这一最初的数学模型成为量子理论发端，1918年他凭此获诺贝尔物理学奖。
• 这一里程碑虽聚焦微观领域，却为现代数字动画技术筑牢底层支撑，间接但深刻地影响了动画向数字CGI的演进。
  • 经爱因斯坦发展为光子说，确立光的波粒二象性，为CGI核心的物理基渲染（PBR）技术提供理论依据，让动画光影更贴近现实。
  • 同时，量子理论催生能带理论，揭示半导体电子运动规律，为晶体管、集成电路发明奠定基础，而GPU并行算力正是数字动画建模、渲染的核心支撑，无此便无动画工业化生产。
  • 它还催生量子点显示技术，依托电子能级跃迁原理实现高色域呈现，精准还原动画色彩细节。
• 普朗克假设虽不直接作用于动画创作，却作为光学、电子学共同基石，构建起动画技术的光影、算力与呈现支撑，印证了基础学科突破对动画技术革新的核心推动作用。

福特汽车公司的成立与“福特主义”工业范式（1903）

• 1903 年 6 月 16 日，Ford Motor Company 由 Henry Ford 等人在美国密歇根州底特律成立。公司早期以汽车的标准化设计与规模化制造为目标，1908 年推出的 T 型车成为工业化生产的重要象征。真正具有范式意义的技术与管理突破发生在 1913 年：福特在 Highland Park 工厂系统化引入移动装配线，将复杂产品拆分为高度标准化的工序，使生产节拍、成本控制与质量管理首次在大规模工业体系中实现高度协同。这一模式随后被概括为“福特主义（Fordism）”，并迅速扩散至全球制造业，深刻改变了 20 世纪的工业生产逻辑。
• 从动画技术史的视角看，福特公司的意义并不在于直接发明影像或动画技术，而在于其工业组织方式与技术生态所产生的深远影响。
  • 首先，装配线所代表的“流程拆分—标准化—协同生产”思想，为后来动画产业由个体作坊式创作向工作室制、流程化生产转型提供了重要的管理范式参照。动画制作中分镜、原画、动画、中间画、合成等工序的工业化组织，正是在类似的现代生产逻辑背景下逐步成形。
  • 其次，福特在工程研发中对工业计算与交互式计算机图形的早期探索（主要服务于设计、仿真与工程可视化），推动了图形硬件、显示终端与算法在工业体系中的成熟应用。这类工程导向的图形计算需求，虽不等同于影视 CGI，但为计算机图形学的发展提供了重要的应用牵引与技术土壤，间接影响了后来影像与动画领域对数字图形技术的吸收与转化。
  • 最后，汽车工业对精密制造、机电系统与标准件体系的高度要求，也推动了相关基础工业能力的升级。这些能力在摄影、放映、显示与后续数字影像设备的工业化过程中，构成了不可忽视的外部技术支撑。由此，福特汽车公司的历史位置，既是现代制造业的关键节点，也构成动画与影像技术走向流程化、工业化与数字化的重要时代背景。

爱因斯坦“奇迹年”：光量子与狭义相对论（1905）

• 1905 年，阿尔伯特·爱因斯坦在 Annalen der Physik 集中发表多篇划时代论文，形成所谓“奇迹年”成果：其一，他在光电效应研究中提出光以能量量子形式与物质交换的观点（后来成为量子理论的重要线索之一），并用以解释光电效应的频率阈值等关键现象；其二，他在《论动体的电动力学》中建立狭义相对论，以光速不变与相对性原理重塑时空观；其三，他还通过布朗运动研究为原子论提供强有力的实验支撑，并在同年短文中推导出能量与质量的等价关系（E=mc²）。
• 这些成果并不直接“发明动画技术”，但深刻影响了动画所依赖的现代影像技术底座。光量子与光电效应理论为光电探测与半导体器件奠定理论基础，进而支撑摄像机/扫描仪的感光器件（CCD/CMOS）、数字摄影与显示技术的发展，使数字影像采集与处理成为可能；而狭义相对论则更多在科学可视化与特定科幻效果中提供严格物理框架。总体而言，1905 年标志着“从经典物理到现代物理”的跃迁，也为 20 世纪影像-计算-显示体系的技术生态提供了关键思想与理论背景。

1930年代：

• 1930：

  • 美国科学家范尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）发明了首批实用的模拟计算机“微分分析器”。

• 1936：

  • 被誉为“计算机科学之父”和“人工智能之父”的艾伦·图灵（Alan Turing）提交了关于图灵机概念的重要论文，

    • 为现代计算机科学奠定了基础。

    • Turing, A.M. (1937), On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem. Proceedings of the London Mathematical Society, s2-42: 230-265.
  • 最初他称之为“自动机”，术语“图灵机”是图灵的导师后来创造的。
  • 美国计算机协会自1966年开始以图灵的名字颁发🏆“图灵奖”，表彰对计算机领域作出贡献的人。

• 1938：

  • 世界上第一台使用“布尔逻辑”和“二进制”浮点运算的可编程计算机“Z1”面世
    • 由德国工程师康拉德·楚泽（Konrad Zuse）设计，它并不成熟，在1943年被战火摧毁。

• 1940：

  • 爱德华·康登（Edward U. Condon）在世界博览会上展示了已知第一台可以玩游戏的计算机“拿子游戏机”，

    • 玩家在游戏中尽量避免捡起最后一根火柴棒，原设备已丢失，如今仅存专利文件。
    • Condon E等. Machine to play game of NIM: US2215544A[P]. 1940-09-24.
  • 尽管它只是由一些指示灯显示，还没有动画，但它是游戏动画的一个重要起步。

拿子游戏机专利图
© 1940 Edward U. Condon

• 1941：

  • 康拉德·楚泽制造了机电计算机“Z3”，是世界上第一台可编程全自动数字计算机，
    • 原型在1943年被摧毁。楚泽后来制作了一个复制品，它被认为基本上具有图灵完备性。

• 1942：

  • 约翰·阿塔纳索夫（John V. Atanasoff）和克利福德·贝瑞（Clifford Berry）开发了世界上第一台电子数字计算机“阿塔纳索夫-贝瑞计算机”（Atanasoff–Berry Computer）。
    • 项目自1937年开始，1942年成功测试，为现代计算机奠定了基础。

• 1943：

  • 奥地利发明家保罗·艾斯勒（Paul Eisler）发明的印制电路板在美国开始规模生产用于近炸引信制造，
    • 二战结束后开始用于商业用途。

• 1944：

  • 第一批可编程电子计算机“巨人”（Colossus）在英国运行，
    • 用作破译密码。
  • 第一台全自动电子计算机“哈佛一号”（Harvard Mark I）落户哈佛大学，
    • 由科学家霍华德·艾肯（Howard H. Aiken）设计，IBM制造，
    • 严格来说仍属于机电计算机，且没有分支结构。

• 1946：

  • 世界上第一台通用电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC）诞生，
    • 项目最初由宾夕法尼亚大学的约翰·莫奇利（John Mauchly）于1942年提出设想，美军方资助建造，
    • 两年后升级为第一台存储程序计算机，被认为是大多数现代计算机原型。
  • 弗雷迪·威廉姆斯（Freddie Williams）和汤姆·基尔本（Tom Kilburn）发明了数据存储设备“威廉姆斯管”，
    • 只能储存12840个二进制位（bit）。
    • Williams F. 用于存储脉冲序列的装置: US2951176 [P]. 1960-08-30.
    • Williams F. C., Kilburn T. 信息存储装置: US2777971[P]. 1957-01-15.
    • 英国专利（GB645,691和GB657,591）

• 1947：

  • 贝尔实验室成员威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）发明了第一个“晶体管”，

    • 很大程度上减小了计算机的体积，它至今仍被电子产品使用。

  • 小托马斯·戈德史密斯（Thomas T. Goldsmith Jr.）和埃斯特尔·曼（Estle R. Mann）带来了第一个视频游戏的候选者“阴极射线管娱乐装置”（Cathode-Ray Tube Amusement Device，1947）

    • 基于模拟电路，使用阴极射线管显示器，射击模拟游戏，从未向公众销售，仅余专利文件幸存。
    • Jr. Goldsmith T G, Mann E R. 阴极射线管娱乐装置: US2455992[P]. 1947申请，1948-12-14获批.

• 1948：

  • 基尔本在曼彻斯特大学制造了世界上第一台存储程序计算机“小型实验机器”（SSEM）。
  • 艾伦·图灵（Alan Turing）和大卫·尚珀诺韦（David Champernowne）开发了首款国际象棋程序“图罗冠军”（Turochamp），
    • 但由于它的算法对于当时的计算机来说太复杂，该项目直到图灵去世（1954年）仍未能真正在一台计算机上运行。

• 1949：

  • 哈佛大学的华裔计算机科学家王安开发了已知最早的磁芯存储器

    • 但专利直到1955年才获批，这引发了一系列的诉讼，最终IBM以50万美元的价格买下了这项专利。
  • 王安后来创立了王安电脑公司，一度成为行业巨头。