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为动画插上翅膀——电脑动画发展史
央视国际 2004年09月15日 14:35
中国计算机报 朱肖莉
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 Marionette），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。
技术的真相
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。
今年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，Microsoft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Alias研究公司和Wavefront公司收购，顺势推出了最新的3D动画软件——MAYA。现在基本上各种高端图形软件都有了各自的NT版，如Softimage 3D、MAYA、Houdini、Effect等。
电脑动画中国之路
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SIG 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。
动画未来
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
去年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3000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10000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。
今年初，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。”
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