电脑动画发展史

电脑动画发展史

电脑动画发展史

电脑动画是计算机图形学和艺术相结合的产物,它给⼈们提供了⼀个充分展⽰个⼈想像⼒和艺术才能的新天地。⽬前, 电脑动画

已经⼴泛应⽤于影视特技、商业⼴告、游戏、计算机辅助教育等领域。

美国是最早发展电脑动画的地⽅，在上个世纪七⼗年代末便利⽤电脑模拟⼈物活动。1982年，迪斯尼（Disney）推出第⼀套

电脑动画的电影—Tron（中⽂⽚译《电脑争霸》）。

传统的动画是由画师先在画纸上⼿绘真⼈的动作，然后再复制于卡通⼈物之上。直⾄20世纪70年代后期，电脑技术发展迅速

的纽约技术学院的电脑绘图实验室导师丽蓓卡亚·伦⼥⼠将录像带上的舞蹈员影家投射在电脑显⽰器上，然后利⽤电脑绘图记

录影像的动作，然后描摹轮廓。1982年左右，美国⿇省理⼯学院及纽约技术学院同时利⽤光学追踪技术记录⼈体动作:演员⾝

体的各部份都被安上发光物体，在指定的拍摄范围内移动，同时有数部摄影机拍摄其动作，然后经电脑系统分析光点的运动，

再产⽣⽴体的活动影像。

世界电影史上花费最⼤、最成功的电影之⼀—《泰坦尼克号》的成功很⼤程度上得益于它对电脑动画的⼤量应⽤。世界著名的

数字⼯作室Digital Domain 公司⽤了⼀年半的时间，动⽤了300多台SGI超级⼯作站，并派出50多个特技师⼀天24⼩时轮流地

制作《泰坦尼克号》中的电脑特技。

1983年，⿇省理⼯的Ginsberg和Maxwell发展了⼀套系统（Graphica M arionette），利⽤计算机语⾔控制卡通的动作。但受

到当时计算机硬件速度的限制，⼀个简单的电脑动画往往需要花费很长的时间。随着计算机硬件及动画软件的迅速发展，以及

越来越多的研究机构及商业机构加⼊到电脑动画领域，电脑动画的制作⽔平也随之⽇新⽉异。动画⽇益形成⼀个重要的产业，

在美国、⽇本、英国和荷兰这些动画⽚的制作强国，动画产业在国民⽣产总值中占有⾮常重要的地位，⽇本的动画产业更是国

民经济六⼤⽀柱产业之⼀。

技术的领先

我国的52集动画连续剧《西游记》绘制了100万张原画、近2万张背景，共耗纸30吨、耗时整整5年。在迪斯尼的动画⼤⽚

《花⽊兰》中，⼀场匈奴⼤军厮杀的戏仅⽤了5张⼿绘⼠兵的图，电脑就变化出三、四千个不同表情⼠兵作战的模样。《花⽊

兰》⼈物设计总监表⽰，这部影⽚如果⽤传统的⼿绘⽅式来完成，以动画制⽚⼩组的⼈⼒，完成整部影⽚的时间可能由5年延

长⾄20年，⽽且要拍摄出⽚中千军万马奔腾厮杀的场⾯，是基本不可能的。

那么，是什么使得电脑动画技术有此神⼒？这还要从它所涉及的技术来谈。

电脑动画技术从制作的⾓度看，主要涉及⼏何造型技术和图像处理技术。在电脑动画发展的初期，⼈们进⾏动画制作主要采⽤

⼏何造型技术，⽤⼏何学的⽅法来描述对象，使⽤计算机来产⽣动画。但近年来，由于这种技术制作成本太⾼、费⼯费时，就

开始研究结合使⽤基于图像处理的制作⽅法，⽤已有的图像数据来提取、表现空间的动态对象从⽽⽣成动画。

在⽬前的电脑动画技术中，重要的是深⼊研究运动控制和渲染技术。早期的动画制作需要制作者将画⾯逐帧画出，⼯作量⾮常

巨⼤。引⼊计算机动画技术后，尤其是运动控制技术，制作者⾸先利⽤计算机设计⾓⾊造型，按照剧情确定关键帧，由动画师

绘制⼀些静态的关键画⾯。然后按⼀定的补插规则完成⼀序列画⾯，利⽤动画软件⽣成图像序列。⽐起⼿⼯绘制动画，这⽆疑

是⼀个巨⼤的进步，但对于⼀个复杂的动画作品来说，要对关键帧中每个造型的姿态特别是表情进⾏细致的调整，这仍然是⼀

个相当⿇烦和困难的⼯作。它不但要求动画师必须具有丰富的经验和⾼度的技巧，⽽且其效率低、易出错，很不直观，难以达

到⽣动、⾃然的效果，已成为动画制作过程中的瓶颈。不过，关键帧这种古⽼的技术现在仍然是制作电脑动画的主要⽅法。

同时，电脑动画也有⾃⼰的特点，发展了⼀套新的技术，这就是基于物理模型的运动控制技术。因为物体的运动要遵循⼀定的

运动定律，⽐如表现⼀个球的弹跳、⽔流的波动，都有⼀定的物理模型，要符合⼀定的物理规律。如果由电脑通过计算来完

成，会使运动变得⾃然⽽逼真。这种技术现在还没有完全进⼊⼤规模实⽤阶段，因为有关模型的理论还在完善中，但这将是未

来发展的趋势。

2004年5⽉重磅推出的《蜘蛛侠》影⽚中，蜘蛛结⽹、空中⼤战等场景都需要电脑CGI技术的⽀持才能实现

渲染技术主要包括光照和纹理，光照技术是利⽤计算机模拟⾃然界中光对物体的照射来体现动画对象的⽴体效果，⽽纹理技术

是通过给动画对象的表⾯添加⼀些细节来增加真实感。⽬前的演⽰设备，归根到底还是平⾯式的屏幕，那就要想办法在平⾯上

搞出⽴体效果来，许多研究⼯作事实上是基于这⼀硬件环境的现实情况。

⾄于电脑动画制作的硬件环境，由于PC处理能⼒的迅速增长，图形⼯作站在动画制作领域的主导地位受到了挑战。现在，⼀

台⾼配置的PC机已经可以满⾜相当⼀部分动画制作的计算及处理上的需要。当然，如果是⼤规模的制作，还是需要在图形⼯

作站上才能完成。

难题—三维动画

三维动画特技可以说是电脑动画技术中的⼀⼤难题，因为这需要⾮常强⼤的软件和运算能⼒极强的硬件平台。当然，它所带来

的视觉效果也是⽆可⽐拟的。当《侏罗纪公园》、《第五元素》、《泰坦尼克号》这些影⽚中逼真的恐龙、亦真亦幻的未来城

市和巨⼤的“泰坦尼克号”让⼈沉浸在现代电影所营造的“真实”世界⾥时，你可知道创造了这些令⼈难以置信的视觉效果的幕后

英雄是众多的三维动画制作软件和视频特技制作软件。好莱坞的电脑特技师们正是借助这些⾮凡的软件，把他们的想像发挥到

极限，也带给了我们⽆⽐的视觉享受。

三维动画特技制作包含了数字模型构建、动画⽣成、场景合成三⼤环节，⽽三维扫描、表演动画、虚拟演播室等新技术，恰恰

给这三⼤环节都带来了全新的技术突破。综合运⽤这些新技术，可望获得魔幻般的特技效果，彻底改变动画制作的⾯貌。可以

想像，先⽤三维扫描技术对⼀个80岁的⽩发⽼太太进⾏扫描，形成⼀个数字化⼈物模型，然后将乔丹的动作捕捉下来，⽤以

驱动⽼⼈模型的运

动，观众将会看到80岁⽼妪空中扣篮的场⾯。甚⾄还可以⽤演员的表演驱动动物的模型，拍摄真正的动物王国故事。利⽤表

演动画技术还可以实现⽹上或电视中的虚拟主持⼈。

实际上，实现理想的三维动画特技需要⾮常强⼤的软件和能提供⽆⽐运算能⼒的硬件平台。所以这项⼯作可以说是在⾼科技电

影中花费最⼤和最费时的，并且需要⼤量的专业⾼级技术⼈才。《泰坦尼克号》中光是视频特技部分的花费就是2500万美

元。

迪斯尼耗资3.5亿美元制作的《恐龙》是世界上最早⼀部实景拍摄加数码影像合⼆为⼀的电影。为制作出动画场⾯，摄制组选

择了多种成品软件的组合，同时由15个软件⼯程师编写了450个程序

在电脑影视特技的领域中，SGI可以说是⽆⼈不知，其所⽣产的SGI超级图形⼯作站可算是最好的3D与视觉特技的硬件平台，

它提供给创作⼈员异常强⼤的图形⼯作能⼒。Softimage 3D、MAYA、Flint等软件在SGI平台上可以发挥最好的性能。虽然现

在PC平台也开始⼊侵视频制作的领域，但是SGI依然是视频领域⾼端运⽤的绝对主⼒选⼿。

光有超强的硬件平台还不够，电影电视中那些逼真的形象还是得靠各种各样的超级3D图像软件来实现。这些特技软件每年的

全世界销售额在12亿美元左右。⽽且各专业⼚商都有⾃⼰特定的优势产品和⽤户群，所以形成了群雄争天下的局⾯。

Softimage、Alias/Wavefront这些家喻户晓的软件更可以说是割据⼀⽅，各有特点。然⽽，这些⼯作站级的软件原来都只能运

⾏在SGI的超级图形⼯作站上，⽽⼀台SGI⼯作站的价格在数万到数⼗万美元，这也相对制约了这些软件的普及，使它们成为

少量专业⼈员的⼯具。

这⼀状况直到Microsoft染指3D动画业才得到彻底的改变。1994年，Micr osoft公司以1.3亿美元收购了Softimage公司，使其成

为Microsoft公司的全资⼦公司。随后便推出了Softimage 3D for NT版，这标志着⾼端图形软件开始进⼊PC的⼤家庭，可以说

是视频特技软件业的⼀颗原⼦弹。之后，各软件⼚商

纷纷推出各⾃软件的NT版。SGI公司看到这种情形也不⽰弱，于1995年将Al ias研究公司和Wavefront公司收购，顺势推出了

最新的3D动画软件——MAY A。现在基本上各种⾼端图形软件都有了各⾃的NT版，如Softimage 3D、MA YA、Houdini、

Effect等。

中国的电脑动画之路

1990年，北京11届亚运会为我国电脑动画制作的发展带来关键性的契机。中央电视台、北京电视台在当时的电视转播中⾸次

采⽤了计算机3D动画技术来制作节⽬⽚头。中科院软件所、北⽅⼯业⼤学CAD中⼼、上海南⽅CAD公司等单位分别承担了有

关的制作⼯作。从那以后，电脑动画技术开始在我国迅速发展。

在制作⽅⾯，北⽅⼯业⼤学CAD中⼼与北京科教电影制⽚⼚、北京科协合作，于1992年制作了我国第⼀部完全⽤计算机编程

技术实现的科教电影《相似》，并正式放映。在研究⽅⾯，中科院软件所、浙江⼤学CAD&CG国家重点实验室及其他⼀些科

研院所取得了很多成果。

现在，对电脑动画相关技术的研究在国内科研机构已经⼴泛开展起来。各个电视台都有了⾃⼰的制作中⼼，电脑动画制作公司

也从⽆到有，数量稳定增加。但是我们的制作⽔平还远远跟不上国内市场的需求，⾸先在数量上我们的动画还远远不够。其

次，在质量上还缺少精品。迄今为⽌，国内的动画产品还没能在S IG GRAPH等国际性⽐赛中获奖。

当初迪斯尼的《花⽊兰》申请在中国上映时，甚⾄引起⾼层的重视，⼀位中央领导给⼴电主管部门写信说:“请你们研究⼀下，

⼀个中国的民间传说被制成卡通后为什么会引起如此轰动效应，以后我们⾃⼰能否创作⼀些这类卡通。”2000年3⽉，国家⼴

电总局颁发《关于加强动画⽚引进和播放管理的通知》，规定国内电视台播放引进动画⽚的时间不得超过动画⽚播放总量的

40%。在“⼗五”规划中，⼴电总局还提出要每两年有⼀部国产动画影⽚推向市场。“（我国动画产业的）环境、政策和财⼒投⼊

上都优于以往，说明国家已意识到了动画是⼀个⾮常⼤的产业。”北京电影学院动画学院副院长孙⽴军说。据悉，该学院将由

国家投资1.25亿元建⽴⼀个影视动画基地。

据中国动画学会介绍，2000年，全国的动画公司登记在册的共有120多家，全国动画⽚的产量13000分钟，是1999年6500分

钟的⼀倍。国产动画⽚的⽬标是到2005年达到年产48000分钟。

未来动画

从国际上看，电脑动画技术的发展正在趋向于规模化、标准化、⽹络化。⾸

先，规模化是指应⽤范围⼴⽽应⽤⽔平和产⽣的效益⾼。其次，现在动画制作软件和动画技术呈现出⼀种百家争鸣的形势，各

有特⾊但相互间的兼容则做得不够，不便于交流与合作，因此，随着技术的⽇益成熟，标准化是⼤势所趋。第三，⽹络化表现

为⽹络技术和电脑动画技术间的相互促进。

从技术的发展⽅向看，体视动画会是未来的热点。现在⼀些通过⽴体眼镜能够呈现⽴体效果的游戏就是体视动画的应⽤，⽬前

⼈们正在研究降低⽴体眼镜的成本、提⾼图像质量的⽅法和有关的替代技术，未来我们很可能不⽤⽴体眼镜的帮助也能欣赏逼

真的⽴体效果。另⼀个热点会是虚拟现实（VR）技术，与⼀般的动画相⽐，VR的特点在于实时、交互。VR中的场景会随参

观者的位置、视点变化⽽实时动态⽣成，并具有⼈机交互的能⼒，这种技术在未来将⼤有可为。

“蓝猫”案例

2003年8⽉，上海⼤世界吉尼斯总部宣布，由湖南三⾠影库卡通节⽬发展有限公司制作的《蓝猫淘⽓3000问》以当时播出500

集、7500分钟（全部30 00集，总长45000分钟）的长度，创造了最长动画⽚的中国吉尼斯纪录。这⼀纪录打破了1986年出品

的美国动画⽚《⾟普森》保持的242集的世界吉尼斯纪录。

⼀家原本名不见经传的民营企业如何制造了中国电视卡通的世界记录？

“蓝猫”的⾼产、快产正得益于三⾠卡通的秘密武器—⾃主开发的⼀套“⽹络动画集成技术”。此项技术使动画的制作速度⽐传统

动画提⾼了10倍。它实现了动画制作全计算机化，即“⽆纸化作业”。三⾠卡通成为国内唯⼀完全利⽤计算机进⾏动画制作的⼚

商。⽬前，三⾠卡通每天⽣产电视动画30分钟，全年⽣产100 00分钟，占全国动画⽚⽣产总量的50%以上。

在唐⽼鸭、⽶⽼⿏等洋卡通之后，“蓝猫”开始抓住了孩⼦的⼼

在湖南，“蓝猫”有500多⼈的制作队伍，全部采⽤艺术⽣产流⽔线作业，流⽔线上细分为36道⼯艺。但是，这种分⼯并不是传

统⼯⼚⾥的简单分⼯，因为

计算机⽹络特殊的资源共享和随时修改的功能，使每⼀位⼯作⼈员既是整个流程中的⼀个环节，⼜是独⽴创作、独⽴发挥的⼀

个艺术源头。流⽔作业⼤⼤提⾼了制作效率，为卡通的规模化⽣产提供了可能。正在开发的⼯业化卡通数据库，可以将业已绘

制完成的⼏千万件卡通素材重组、整合，⽆限⽣成新画⾯。“将来我们可能不需要再画了。”三⾠卡通副总裁祝新华说。

国产卡通与美国卡通相⽐，⼆维并不逊⾊，差距主要在三维。⽽“蓝猫”40%以上的镜头是运⽤国际领先的三维动画技术制成

的，极⼤地增强了国产卡通的艺术感染⼒、视觉冲击⼒。

三⾠卡通要求导演能玩游戏机，把游戏的对抗性、交互性带⼊卡通。“蓝猫”就是要在⼆维和三维构成的虚拟空间中，把科普

性、知识性的东西揉搓进去，使求知和娱乐融为⼀体。“蓝猫”逼真地再现和还原了许多⼈们⽆法亲眼⽬睹或亲⾝经历的精彩画

⾯，⼤到天体运动、⼤陆漂移、原⼦弹爆炸、⽕⼭、地震，⼩到精⼦运动、细胞分裂、纳⽶技术……沧海桑⽥尽收眼底，使⼈

如临其境。

2004年初，三⾠卡通作出重⼤决定:在长沙软件园征地200亩，投资1.5亿元，建⽴湖南三⾠数字卡通城。预计该卡通城将是我

国乃⾄世界最⼤的动画⽣成基地。4⽉，卡通城建设⼯程破⼟动⼯。

对于未来，三⾠卡通董事长孙⽂华总结道:“卡通产业只有以科技创新为先导，才能有未来。有句话说得好:如果你今天不能创造

未来，明天你就会⽣活在过去。”

3D与视觉特技软件扫描

* Softimage 3D

Softimage 3D可以说是三维动画软件领域的⼤哥⼤，由Softimage公司出品。它最知名的部分是mental ray超级渲染器和杰出

的动作控制技术。

* 3Ds Max

这是⼀款应⽤于PC平台的元⽼级三维动画软件，Autodesk公司出品。它具有优良的多线程运算能⼒，⽀持多处理器的并⾏运

算，丰富的建模和动画能⼒，出⾊的材质编辑系统。在中国，3Ds Max的使⽤⼈数⼤⼤超过其他三维软件。3 Ds Max的成功

在很⼤的程度上要归功于它的插件。全世界有许多专业技术公司在为它设计各种插件。

* MAYA

MAYA是Alias/Wavefront公司出品的最新三维动画软件。虽然它是个后来者，但却有超过Softimage 3D的势头。它是新⼀代的

具有全新架构的动画软件。

* LIGHTW***E 3D

⽬前LIGHTW***E在好莱坞的影响⼀点也不⽐Softimage、Alias等差。具有出⾊品质的它，价格却是⾮常低廉，这也是众多公

司选⽤它的原因之⼀。《泰坦尼克号》中的泰坦尼克号模型，就是⽤LIGHTW***E制作的。