Computer Animation: Born in Scientific Research

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……

1930年之前

• 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：
  • 制作的“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。

• 1820年代：
  • 数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）开始尝试制作他的第一台自动机械计算机“差分机1号”，他的设计是可行的，但当时的金属加工技术未能胜任，导致成本不断跃升而中断。
    • 后来巴贝奇转而开发一种更通用的、使用打孔卡作为记忆和编程的“分析机”，并利用该想法重新设计了“差分机2号”。
    • 虽然巴贝奇的“计算机”们最终都未能真正成功，但其本身的设计逻辑成为100年后电子计算机的先驱。

• 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后来是“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。

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. 玩拿子游戏的机器: 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。

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，它至今仍被所有电子产品使用。

• 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），
  • 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。

1950：

• 本·拉波斯基（Ben Laposky）创作了第一批由电子机器生产的图像，
  • 通过操纵电子束在示波器上显示出来，再记录在高速胶片上。
  • 他自称这些作品为“振荡器”（oscillon）和“电子抽象”。

• 工程师约瑟夫·凯茨（Josef Kates）在加拿大国家展览会上展出了已知最早公开展示的计算机游戏《伯蒂的大脑》（Bertie the Brain），
  • 观众可与“人工智能”玩井字棋游戏，棋盘由灯泡阵显示，类似于像素图效果。它在展览之后便被拆除，因此经常被遗忘。

• “控制论”始创者诺伯特·维纳（Norbert Wiener）出版了《人有人的用处》（The Human Use of Human Beings，1950）一书，解释自动化对社会的好处，以及人们可以如何面对这种变化。
  • Wiener N. (1950). The Human Use of Human Beings. Boston: Houghton Mifflin.

• 图灵提出著名的图灵测试，其后续发展逐渐演变成如今的“人工智能”。

1951：

• 诺曼·麦克拉伦（Norman McLaren）把示波器的运动图案，拍摄成一部立体电影动画短片《就是环绕》（Around Is Around，1951）
  • 在英国电影节放映，这是已知首部公开展示计算机动画片。
  • 把计算机生成图像逐帧拍摄到传统电影胶片上，是早期计算机动画片唯一的分发方式，因为当时的电脑设备太珍贵，还不能用于商业放映。

• 英国电脑科学家克里斯托弗·斯特雷奇（Christopher Strachey）编写了一个跳棋游戏程序，
  • 最初在英国国家物理实验室的通用电子计算机“领航自动计算机”（Pilot ACE）上运行，但它耗尽了计算机的内存。
  • 随后斯特雷奇转向内存更大的计算机“费兰蒂1号”（Ferranti Mark 1），至1952年夏天该程序终于能以合理的速度进行游戏。
  • 它有时候被认为是第一个视频游戏，尽管斯特雷奇没有为它起名字。

• 第一台能够显示实时文本和图形的数字计算机“旋风计算机”（Whirlwind）面世，
  • 由麻省理工学院服务机实验室于1945年开始研发。
  • 它标志着显示屏开始成为可行的交互界面，也打开了计算机图形学的大门。
  • 该系统还引入了“光笔”作为输入设备。

1952：

• 英国计算机科学家亚历山大·道格拉斯（Alexander S. Douglas）设计的井字棋游戏《OXO》
  • 第一个使用“随机存储器”的计算机游戏，
  • 在剑桥创建的第一代电子管计算机“电子延迟存储自动计算器”（EDSAC）上运行
  • 它也经常被介绍为第一个视频游戏，
    • 但它和斯特雷奇的跳棋游戏一样，没有实时移动和刷新的图形。

1954：

• 威廉·布朗（William Brown）和泰德·刘易斯（Ted Lewis）在密歇根大学开发了《泳池》（Pool）
  • 第一个有实时动画的视频游戏
  • 显示在一个13英寸的圆形CRT显示屏上，用户可以实时看到游戏界面中小球的滚动轨迹并进行操控。
  • 据说该游戏的开发初衷是为了向大众展示计算机的非军事用途。

• 美国国会投影仪公司（Capitol Projector Corp）发行的《自动测试》（AUTO-TEST）
  • 是首款商业投放的街机游戏，也是首款“全动态视频游戏”。
  • 屏幕中播放了一个真实的驾驶场景影像，根据玩家动作与视频需求动作的匹配度得分，
  • 由于实时渲染动画技术还不可行，屏幕前放置了一台真实的小车模型以供玩家参考所在位置。

• 德州仪器（Texas Instruments）宣布开始商业化生产硅晶体管。

• IBM推出了世界上第一台使用“固态晶体管”而不是“真空管”的计算机“608”，以及可以在35毫米高速感光胶片上逐点绘制矢量图形图像的“740阴极射线管记录器”（740 CRT Recorder）。

1950年代中

• 麻省理工学院杰伊·福雷斯特（Jay Forrester）的团队发明了另一款磁芯存储器，
  • 开始取代延迟线、威廉姆斯储存管、鼓存储器等不太靠谱的早期存储器。

1955：

• 美国计算机科学家约翰·麦卡锡（John McCarthy）创造了术语“人工智能”（AI）。

1956：

• 阿瑟·塞缪尔（Arthur Samuel）通过电视节目演示了他在IBM701计算机上编写的跳棋程序。
  • 它通常被认为是第一个自学程序，自1952年已开始研发。

• 雷·杜比（Ray Dolby）、查尔斯·金斯伯格（Charles Ginsberg）和查尔斯·安德森（Charles Anderson）开发了世界上第一台实用的广播质量磁带录像机“安派克斯VRX-1000”（Ampex VRX-1000）
  • 它们开始被引入电视广播行业，作为电影胶卷更便宜、更快的替代品。

• 麻省理工学院林肯实验室建造了完全基于晶体管的计算机“TX-0”，它和几个后续版本都是60年代交互式计算机图形学发展的重要设备。

• IBM推出了第一块硬盘，以及第一台附带“硬盘”的计算机“305 RAMAC”。

1957：

• 世界上第一张“数字图像”在美国马里兰州诞生，
  • 工程师拉塞尔·基尔希（Russell Kirsch）和其团队研发了第一台“光学扫描仪”
  • 把基尔希儿子的照片扫描成一幅可以在示波器上显示的、176×176像素、
  • 这张如今看起来有点“糟糕”的数字图像，象征着一个全新的研究领域就此打开。

• 汤姆·戴蒙德（Tom Dimond）申请了一种后来被称为“绘图板”的手写输入设备专利，但这种设备暂时还不会在商业上流行起来。

• IBM的约翰·巴克斯（John Backus）开发了第一个被广泛采用并流传至今的高级编程语言“公式翻译器”（Fortran）
  • 随着更多高级编程语言的陆续诞生，鼓励了计算机应用程序的发展。

• 苏联把世界上第一颗人造卫星成功送到太空，这刺激了美国在次年成立“国防部高级研究计划署”（ARPA），孕育了后来的互联网。

1958：

• 阿尔弗雷德·希区柯克（Alfred Hitchcock）执导的电影长片《迷魂记》（Vertigo，1958）
  • 约翰·惠特尼（John Whitney）与平面设计师索尔·巴斯（Saul Bass）合作，制作了第一个用于电影长片的计算机动画片段。
    • 使用他改装的一台二战时的防空瞄准模拟计算机“M5炮长”，需要5个人才能操作，具体的改造方式从未公布，只知道利用了炮管的无休止旋转和钟摆机构，大概可以理解为一台基于机械计算机运动控制的绘图机。
  • 惠特尼兄弟在1940至1950年代还购买了其他二战后多余的军备，改装成各种各样的动画创作机器，可控制灯光、图像、摄像机等在轨道上执行各种机械运动。模拟计算机需要在处理信息之前准备好“信息”，就像几百年前那些可编程绘画的自动机人偶那样。
  • 惠特尼兄弟创作了一系列实验电影，被普遍认为是模拟计算机时代的首批基于运动控制技术制作的计算机动画案例，他们的动画也因此表现出一种特殊的机械美学。

在基于数字计算机的数字动画技术变得实用之前，一系列基于模拟计算机或计算机运动控制的动画技术，在20世纪50至70年代为人们带来过很多有趣的计算机动画，但了解并掌握它们的人很少，导致它们经常被遗忘，甚至很多人会以为所谓的计算机动画，都是直接由计算机程序虚拟生成的。

• 威利·海金博塞姆（William Higinbotham）开发了首款广为人知的视频游戏《双人网球》（Tennis for Two，1958），
  • 使用模拟计算机，在示波器上实时显示交互动画。
  • 该游戏也是为宣传计算机技术的亲民用途开发和展出的，在布鲁克海文国家实验室的年度公开展览上供参观者娱乐。
  • 次年，海金博塞姆再次展出该游戏的升级版，但它在展览后便被拆除了，毕竟当时的计算机资源十分真贵，还不能被“浪费”在纯粹的娱乐产品上。

• 杰克·基尔比（Jack Kilby）和罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）几乎同时独立地发明了“集成电路”，
  • 这是储存技术的重要突破，也是计算机生成图像技术从实验室走向市场的基础，并由此催生了新一代微型电子产业。
  • 基尔比后来获得了诺贝尔物理学奖，诺伊斯成为仙童半导体公司和英特尔的创始人之一。

• 上海牌手表和上海照相机实现了中国自造手表、相机的突破，尽管起步晚，但这是我国进入精密机械电子设备制造领域的重要一步。

• 麻省理工学院：
  • 林肯实验室开发了基于晶体管的计算机“TX-2”，是交互式计算机图形学发展的重要设备。
  • 道格·罗斯等开发了数控数字绘图机“自动编程工具2“（APT II）
  • 约翰·麦卡锡​（John McCarthy）高级编程语言家族“LISP”。

1959：

• 麻省理工学院的道格·罗斯（Doug Ross）和约翰·沃德（John Ward）开发了第一个有具体角色的视频游戏《迷宫中的老鼠》（Mouse in the Maze，1959）
  • 但当时所使用的计算机“TX-0”的图形显示能力还不合适用于视频游戏。
  • 罗斯在研究把数学语句转换为计算机生成图像时，曾“顺便”创建了一个米奇老鼠图像，这可能是最早通过计算机绘制的卡通角色图像。
    • From the Vault of MIT. (2016). MIT Science Reporter—"Automatically Programmed Tools"(1959). https://www.youtube.com/watch?v=ob9NV8mmm20
  • 这位看起来喜欢“不务正业”的计算机科学家先驱，还创造了术语“计算机辅助设计”（CAD）。

• 塞缪尔创造了术语“机器学习”，21世纪以后，机器学习和人工智能逐渐成为动画制作技术的关键词。

• 贝尔实验室的研究员穆罕默德·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）和达文·康（Dawon Kahng）成功制造了第一个有效的“金氧半场效晶体管”（MOSFET）。
  • 这是计算机生成图像技术从实验室走向实用化的重要一步，也是所有电子产品的重要一步。

• 迪吉多公司（Digital Equipment Corporation）开发了世界上第一台商用小型计算机“PDP-1”。
  • 是TX-0计算机的商业化版本

• 斯特罗姆贝里-卡尔森公司（Stromberg-Carlson）推出一种计算机控制的电影胶片记录仪“SC4020”
  • 把图型和文本输出到缩微胶片或硬拷贝（光敏纸），可安装16毫米电影摄像机，以用于把数字动画输出到电影胶卷。
  • 大多数主要科学实验室都购买了SC4020，其中包括多个早期CG动画技术先驱实验室：
    • 贝尔实验室、利弗莫尔实验室（LLNL）、波音公司、麻省理工学院、NASA、IBM等（名单可能有遗漏，相关信息可信来源较少）
    • SC4020是计算机动画技术商业化的重要基础之一，虽然这并不是它被发明的初衷。无心插柳柳成荫的故事，在动画技术发展史上发生了很多次~