Computer Animation: Taking Shape in Applied Research

20世纪60年代，所谓“变革”的年代为各种实验艺术提供了土壤，也鼓励新技术的发展，尽管计算机动画还没有真正准备好，但一些先驱已经开始他们的征途，启动新一轮科学与艺术的对话。基于计算机的动画技术，在图形和运动方面有着天然的准确性，它比之前任何一代动画技术，都更合适走拥抱科学研究和产业应用。

1960：

• 瑞典皇家理工学院在“二进制电子序列计算机”（BESK）上创建了首部描绘具象事物的数字动画短片《计划中高速公路的渲染》。
  • 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。

• 约翰·惠特尼创立“运动图形”（Motion Graphics）公司，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·费特和凡尔纳·哈德森创造了术语“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·梅曼发明了“激光”，它将对计算机动画技术发展带来重要贡献。

• 1960年代，NASA开始委托开发太空飞行训练模拟器的视觉内容，其发展在在一定程度上促进了早期数字动画技术的发展。

1961：

• 菲尔科公司的科莫和布莱恩建造了一个“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。

• 约翰·惠特尼制作了通常被认为是首部计算机生成的实验动画短片《目录》，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。

1962：

• 麻省理工学院的史蒂夫·罗素等在PDP-1上开发了首款数字计算机视频游戏《太空战争》，也是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。

• 莫顿·黑里格(Heilig M)获得了一个多感官虚拟体验设备“传感剧院”（Sensorama）的专利，是一种早期的“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。
  • 它被当作一种新式的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.个人使用的立体电视设备: US2955156A[P]. 1960-10-04.
• 后来也提出过一种类似于现在4D影院的沉浸式体验剧场构想，但均未见实物。
  • Heilig M.体验剧场:US3469837A[P]. 1969-09-30.

• 模拟电子动画先驱李·哈里森三世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屏幕上生成实时的三维角色动画。
• 哈里森三世在60年代使用该系统制作了一些列探索性的数字动画，尽管在当时来说还不太“靠谱”，但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。

1963：

• 贝尔实验室的爱德华·扎亚克制作了数字动画短片《双陀螺重力梯度高度控制系统》，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，是最早的“科学可视化数字动画”之一。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动画的技术发展。

• 美国著名计算机科学家伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）开发了第一个具有“图形用户界面”的计算机绘图程序“画板”（Sketchpad），开创了人机交互的方式，该程序也是现代计算机辅助设计程序的始祖。
  • 用户可使用“光笔”在向量显示屏上绘画，该程序也包括有限的三维线框模型绘制功能，在麻省理工学院林肯实验室的计算机（TX-2）上运行。
  • 它标志着面向非编程背景人员的图形软件开始出现，这是计算机生成图像技术从实验室走向行业应用的重要一步，但计算机硬件还需要一些时间才能准备好成为生产工具。

有趣的是，在接下来的几十年里，尽管计算机硬件技术不断飞跃，算法研究还是比硬件开发跑得更快。

• 贝尔实验室的肯·诺尔顿开发了使用图形原语的数字动画系统“Beflix”，随后被用来制作了数十部动画。该系统在国际商业机器公司的大型计算机7090上开发，动画通过微缩胶卷记录器输出到电影胶卷。

• 安派克斯公司开发了一款面向电视节目编辑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。
  • 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(Roberts L G)提出了已知最早的关于在三维线框渲染中消除隐藏线的解决方案，尽管它对模型有限制，但罗伯茨的努力引起后来韦斯(Weiss R A)、伊万·萨瑟兰和德瓦伊(Devai F)等人相继推进相关问题的研究。
  • Roberts L G. 三维立体的机器感知[D]. 剑桥: 麻省理工学院. 1963.
  • Weiss R A). (1966).成为愿景，用于绘制平面和二次曲面组合的正交视图的IBM 7090公式翻译程式语言程序包[J]. 计算机协会期刊. 1966, 13( 2): 194–204.
  • Sutherland I E, Sproull R F, Schumacker R A. 十种隐藏表面算法的表征[J]. 计算机协会计计算概观. 1974, 6(1): 1–55.
  • Devai F. 消除隐藏线的二次边界[C]//第二届计算几何年会论文集. 纽约: 美国纽约计算机协会, 1986: 269-275.

• 俄亥俄州立大学的查理斯·苏黎成立了一个计算机图像研究实验室，探索计算机生成图像技术与艺术的连接，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。

• 飞利浦的卢·奥滕斯和其团队带来了“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，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·费特为波音的一个动画短片创造了第一个三维线框数字角色——“波音人”，成为早期计算机生成图像历史的一个里程碑。

从人工操控的可动偶，到机械操控的自动偶，到利用定格动画技术的动画偶，再到引入机电运动控制技术的电子机械偶，这一系列变迁都印证着人类对于动画技术漫长的探索。于是，当计算机动画诞生之时，便已经预告了新一代动画偶——“数字偶”的到来，只是它们更常用的名字是“数字角色”“虚拟角色”“数字木偶”“数字替身”等。

• 达特茅斯学院的约翰·凯梅尼和托马斯·库尔茨开发了“初学者通用符号指令代码”（BASIC），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。

• 由IBM推出第一台商用的矢量图形显示系统“2250”，是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。

• 作为柏拉图计算机项目的一部分，美伊利诺伊大学的唐纳德·比策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。

• 兰德公司开发了图形计算机输入设备“兰德平板”（RAND Tablet），类似于现代的手写输入板。

• 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”。

1965：

• 贝尔实验室：
  • 麦克·诺尔制作了首部关于4D概念的立体计算机动画《4D超立方体》，需使用立体眼镜观看。
  • 弗兰克·辛登创作了一部阐述牛顿运动定律的计算机动画短片《力、质量和运动》。计算机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·费特制作了已知首部第一人称视觉的三维飞行模拟动画《运输机着陆》，后来这个三维图像被很多游戏视频和模拟器使用。

• 劳伦斯·罗伯茨把“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，但这不影响它为计算机生成图像技术研发带来新的可能。

1966：

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。

一些科学家开始自称为艺术家，一些艺术家开始学习计算机语言，而一种被称为“计算机艺术”的新艺术形式正在形成，这极大地改变了计算机生成图像的发展方向。

• 艺术家罗伯特·劳森伯格和贝尔实验室工程师比利·克鲁弗创立了非营利性组织“实验艺术与技术”，旨在促进艺术家和工程师之间的合作。

• 劳伦斯·罗伯茨开发了一种超声波位置传感装置“林肯魔杖”，允许计算机获取棒尖的三维坐标。

1967：

• 查理斯·苏黎和谢弗制作了著名的早期数字动画短片《蜂鸟》，内容是一只蜂鸟的绘制、移动和线条变形。
• 他们随后使用马克·吉伦森开发的一个关键帧动画系统“WhatsIsFace”，制作了《正弦曲线人》，是首部涉及人面变形的数字动画短片。

• 日本计算机技术小组的幸村真佐男和藤野孝尔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》，一个线框图形从奔跑的人变成可乐瓶，再变成非洲地图。

• 麻省理工学院的史蒂文·库恩斯（Coons S）发表了一篇被称为“小红皮书”的论文，描述了控制几何曲面的数学公式，成为后来三维曲面描述（B样条、NURB等）的基础。
  • Coons S.空间形式的计算机辅助设计的表面[R].麻省理工学院剑桥MAC项目, 1967.
• 怀利（Wylie C）等发表了关于扫描线渲染的文章，可能是相关主题的首次发表，是三维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等. 电脑半色调透视图[C]// 美国信息处理协会联合会 '67 (秋): 1967年11月14-16日秋季联合计算机会议论文集. 纽约: 计算机协会, 1967-11: 49-58.
• IBM研究中心的亚瑟·阿佩尔（Appel A）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). 定量不可见性的概念和立体的机器渲染[C]// ACM ' 67:1967年第22届全国会议录, 纽约: 计算机协会, 1967-1: 387-393.

• 索尼推出了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·拜耳开发了第一个在电视上玩游戏的设备“棕色盒子”，成为后来所有家用游戏机的和控制手柄原型，也包括首款主机游戏，和第一把“光枪”。

• 1967-1968年间，哈里森三世使用他的“Animac”系统制作的实验动画短片创下了多个第一：
  • 《棍子人》（1967）是现存第一个基于运动捕捉的实时数字木偶；
  • 《美丽的噪音》（1968）是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》（1968）是现存第一个会说话的数字木偶。

1968：

• 道格拉斯·特鲁姆布使用了一种被称为“狭缝扫描”的特殊技术，为斯坦利·库布里克执导的《2001太空漫游》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三维的透视线轨迹效果。
  • 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，虽然很多运动控制技术不断被更先进的全数字动画技术取代，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和著名的“跳转剪辑”案例。

• 苏联数学家尼古拉·康斯坦蒂诺夫领导的研究小组创建了一只小猫变形和行走的动画短片《凯蒂》。凯蒂经常被介绍为世界上第一个数字动画角色，但这视乎于对角色的界定。
  • 该片在“大型电子计算器-4”（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·普里切特带来了首部以娱乐为目的制作的数字动画短片《菲利斯派德》（The Flexipede）。

• 山田学和月尾嘉男使用计算机控制绘图仪制作了一部数字动画短片《风雅的技法》，内容是一些三维线框的立方体旋转、变形、跳动、排列等，成为现存日本最早的数字动画。

• 亚瑟·阿佩尔（Appel A)）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。它相比起其他三维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. 实体着色机渲染的一些技术[C]// 美国信息处理学会联合会’68(春季): 1968年4月30日-5月2日春季联合计算机会议论文集. 纽约: 计算机协会, 1968: 37-45.

• 萨瑟兰和其学生在麻省理工学院的实验室开发了首款增强现实头戴显示器“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三维场景，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。

•  戴夫·埃文斯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。

• 埃文斯和萨瑟兰创立了“埃文斯和萨瑟兰公司”，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，并在数字动画技术发展史上建立多个重要的里程碑。

• 国际工作室出版了一本特刊《控制论的机缘巧合，计算机和艺术》，介绍了1960年代世界各地关于计算机艺术的研究和探索。
  • (Reichardt J). 控制论的机缘巧合，计算机和艺术[M]. 伦敦: 国际工作室, 1968.
• 贝尔实验室的保罗·寇恩执导了电影短片《不可思议的机器》介绍该实验室在1960年代对计算机生成图像和计算机动画技术的研究成果，并展示了相关设备、软件和数字动画，为动画技术研究提供了珍贵的影像资料。

• IBM研究员罗伯特·丹纳德发明了新一代动态随机存取储存器。

• 美国信息国际公司推出胶片摄像机“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）的数字图像记录到透明胶片中，成为当时数字动画转录的理想系统。

• 惠普推出世界上第一台台式电脑“9100A”，也是第一台大规模销售的个人电脑。
• 同年，惠普还推出了首批实用的LED显示屏，它们将推动一场数字显示技术革命。

• 斯坦福研究所的道格拉斯·恩格尔巴特发明了首款“鼠标”，至今依然是数字动画制作和交互的主要工具。

1969：

• 数学应用集团为IBM制作了已知第一个涉及数字动画的电视广告。
• 该公司开发了一系列软件，成为早期计算机动画技术的重要拓荒者之一。

• 世嘉公司的《导弹》是已知首款把实际模型、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“动画马克”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，斯肯尼梅特系统在80年代逐渐被新一代数字动画系统取代。

• 贝尔实验室：
  • 威拉德·博伊尔和乔治·史密斯设计了第一个实用的半导体图像传感器“电荷耦合元件”，他们在2009年获颁诺贝尔物理学奖。
  • 图像传感器是后来数字摄影机的核心元件，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。
  • 麦克·诺尔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。

• 麻省理工学院林肯实验室的罗纳德·贝克尔开发了早期的数字动画制作系统“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。

• 埃文斯和萨瑟兰公司开发了首款配备图形处理器的矢量显示设备（LDS-1）。

• 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。