这一历史观点赋予历史活力

计算机动画的研究始于20世纪60年代初。1963美国AT & amp；t .贝尔实验室制作了第一部电脑卡通片。20世纪80年代以前，计算机动画主要侧重于二维动画系统的开发，应用于教学演示，辅助传统动画制作。

三维动画的研究始于20世纪70年代初，当时开发了一些三维计算机动画系统。直到20世纪80年代中后期，由于具有实时处理能力的超级图形工作站的出现，三维几何建模技术和真实感图形生成技术取得了巨大的进步，推动了具有高度真实感效果的三维计算机动画技术的快速发展，达到了实用商业化的地步。到20世纪90年代初，计算机动画技术在电影特效中的应用已经取得了令人瞩目的成就。

同时，为了满足科学研究和复杂系统中动力学仿真、视景仿真、机器人学和生物力学的需要，对物理建模和动画的研究已经成为计算机动画研究的重要课题。人体动画是近年来发展起来的计算机动画的一门新学科。它是基于人工角色的综合动画系统的研发，在三维场景中制作涉及具有人类意识的人工角色的行为动画。这样的系统是基于各个学科的知识、技术和方法，如动画、力学、机器人学、生物学、心理学和人工智能。它可以达到以下目的:一是可以自动生成计算机生成的人类自然行为；其次，提高动作的复杂度和真实性，不仅体现在关节动作的真实感上，还要求在动画制作过程中身体、手、脸等部位的变形是真实的；第三，降低运动描述的复杂度。Poser now是著名的MetaCreations公司出品的一款独具特色的人体建模三维动画软件。

三维计算机动画的发展趋势:

还记得《侏罗纪公园》栩栩如生的恐龙吗？你还记得《泰坦尼克号》里船翻落水的场景吗？在欣赏这些精彩的美国大片的同时，我们领略了电脑动画的高超魅力。美国华特·迪士尼公司甚至预言21世纪的电影明星将是听话的计算机程序...

随着计算机硬件技术的飞速发展和计算机图形学的深入研究，用计算机生成各种动态虚拟场景画面和特效已经成为可能，被称为三维计算机动画技术。1998年，ACM siggraph计算机图形学卓越奖获得者迈克尔·f·科恩(Michael F. Cohen)在当年的siggraph大会上说:“在Siggraph过去25年的历史中，我们的世界发生了翻天覆地的变化。在电影屏幕上，当恐龙以不可思议的现实向我们走来时，很少有人会感到惊讶，人们已经习惯了电视屏幕上闪闪发光的三维标志。”这充分说明电脑动画已经渗透到人们的生活中。在过去的几十年里，计算机动画一直是图形学中的一个研究热点。在全球图形学的盛会Siggraph上，几乎每年都会有一个计算机动画的专题。一年一度的电脑动画节为动画师们提供了一个展示作品和想象力的世界。推动电脑动画发展的一个重要原因是电影、电视特技等娱乐产业的需求。目前，电脑动画已经形成了一个庞大的产业，并且有进一步增长的趋势。

计算机动画是计算机图形学和艺术相结合的产物，是随着计算机硬件和图形算法的飞速发展而发展起来的高新技术。它综合运用计算机科学、艺术、数学、物理等相关学科的知识，用计算机生成丰富多彩、连续不断的虚拟现实画面，为人们提供了一个充分展示个人想象力和艺术才华的新世界。在《终结者》、《《侏罗纪公园》》、《玩具总动员》、《泰坦尼克号》、《恐龙》等优秀影片中，我们可以充分体会到电脑动画的高超魅力。1993电影《《侏罗纪公园》》凭借动画特效制作的恐龙片段获得奥斯卡最佳视觉效果。

1996年，世界上第一部完全由电脑动画制作的电影《玩具总动员》上映，不仅获得了创纪录的票房收入，还开辟了电影制作的新途径。1998放映的电影《泰坦尼克号》中，很多船倾覆时乘客落水的镜头都是用电脑合成的，避免了实拍中的高难度和危险动作。美国华特·迪士尼公司预测，21世纪的明星将是一个听话的计算机程序，他们将不再要求数百万美元的报酬或头把交椅。计算机动画不仅可以应用于电影特技，还可以应用于商业广告、电视片头、动画片、娱乐场所、计算机辅助教育、科学计算可视化、军事、建筑设计、飞行模拟等等。

计算机硬件技术和图形学的发展推动了动画技术的进步，同时动画软件的功能也越来越强大...

所谓动画，是指利用人类的视觉残留特性，将连续播放的静态画面连接起来，形成的动态效果。电脑动画是由传统的卡通动画发展而来的。在制作传统卡通动画的过程中，导演首先要将剧本分成镜头，然后由资深动画师确定每个镜头的角色建模，并在一些关键时刻绘制角色建模。最后，助理动画师根据这些关键形状绘制出一个关键形状到下一个关键形状的自然过渡，并完成颜色填充和合成工作。最后依次拍下这一帧一帧的连续画面，得到一个动画片段。

在上面的制作过程中，由于大量枯燥的工作都集中在助理动画师身上，所以用电脑来减少助理动画师的工作，从而提高卡通动画制作的效率，是一个很自然的想法。1964年，贝尔实验室的k·诺尔顿首次尝试解决上述问题，从而宣告了计算机辅助动画时代的开始。早期的动画制作系统主要以二维卡通动画设计为主，其出发点是利用形状插值和区域自动颜色填充来完成助理动画师的全部或部分工作，从而提高卡通动画制作的效率。

20世纪70年代末，随着计算机图形学和硬件技术的发展，计算机建模技术和真实感图形绘制技术有了很大的进步，出现了与卡通动画有质的区别的三维计算机动画。自20世纪80年代初以来，市场上推出了许多三维动画软件。这些计算机动画系统以友好的界面为用户提供了一系列生成各种动画和视觉效果的手段和工具，用户可以组合使用这些工具来生成各种所需的动作和效果。你或许能找出80年代电脑动画作品中很多不尽人意的地方，但90年代的动画系统已经能制作出很多以假乱真的影视特技，在《《侏罗纪公园》》、《终结者二》等电影中得到了淋漓尽致的展现，观众也很难分辨哪些画面是电脑动画生成的，哪些是模型制作的结果。

计算机动画技术的成熟促进了动画软件的发展，其中影响较大的商业软件有:

◆1991美国Autodesk公司推出的Dos环境下的3D Studio，1996推出的Windows 95/NT环境下的3D Studio Max，Animator Studio1995引进的，集图像处理、动画设计、音乐剪辑、音乐合成、剧本编辑、动画播出于一体的二维动画设计软件；

◆法国的TDI Explore(SGI图形工作站Unix环境)后来被波前合并；

◆1984引进的美国波前，后来被Alias合并；

◆加拿大的Alias(SGI图形工作站Unix环境)1985推出，后被美国SGI公司兼并；

◆1998引进的美国maya(SGI Unix环境或Windows NT环境)；

◆美国lightwave3D；

◆1988加拿大推出的softimage(SGI Unix环境或Windows NT环境)1996被微软收购，1998被Avid收购；

◆加拿大的苏门答腊岛。

随着计算机硬件性价比的迅速提高和Open GL图形标准的广泛应用，商业动画软件公司纷纷推出微机版动画软件。比如以前在工作站上运行的价格昂贵的动画软件Alias|Wavefront、maya、softimage，现在都有了nt版本，进一步推动了计算机动画的应用和发展。近年来，PC图形加速卡的性价比迅速提高，使得在基于nt的微机工作站上制作动画如同在SGI工作站上一样得心应手。目前商业动画软件的功能越来越强大，使用起来也越来越方便。

后期处理在计算机动画中起着非常重要的作用。后期处理是指动画后期的非线性编辑合成技术，包括抠像、合成、图像变形、特殊灯光效果等。理论上不属于电脑动画的范畴，但却是动画制作中必不可少的一道工序。尤其是视频技术的数字化趋势，越来越受到人们的关注。目前有很多优秀的后期合成软件，比如Flint，Flame，Jellio，Composer，Eddie，Premier，Aftereffects等等。在这些软件中，大量使用了图像处理和计算机视觉技术(如相机反转)，使用户可以方便地处理特效、运动跟踪、深度合成等复杂操作。

简单来说，计算机动画是指由绘图程序生成的一系列场景画面，其中当前帧画面是对上一帧画面的局部修改。动画是一种动态的艺术。正如动画大师约翰·哈拉斯所说，动作是动画的关键要素。一般来说，计算机动画中的运动包括场景的位置、方向、大小和形状的变化，虚拟摄像机的运动，以及场景表面纹理和颜色的变化。电脑动画产生的是一个虚拟世界。虚拟场景可以是商标、汽车、建筑物、人体、分子、桥梁、云彩、山脉、恐龙或昆虫等。虚拟场景并不真的需要搭建，物体和虚拟相机的移动也不受限制。动画师可以随意创造他想象的世界。电脑动画的制作主要包括以下步骤:

(1)创意，根据设计的需要，导演设计剧本进行动画制作；

(2)预处理:扫描外部图像，输入外部数据；

(3)场景建模；

(4)设置材料和光源；

(5)设置动画；

(6)绘制运动图像；

(7)动画播放；

(8)后处理；

(9)动画的录制；

(10)配音(包括背景音乐和台词)。

计算机动画主要研究运动控制技术和动画相关的建模、绘制、合成等技术。虽然建模技术在CAD和CAGD中得到了广泛的研究，但是计算机动画对传统的实体和曲面建模提出了一些新的要求。一方面，计算机动画中场景建模的精度没有工业设计中的高；另一方面，对建模工具的灵活性和场景运动的可控性提出了更高的要求。这就引出了很多为动画应用设计的建模技术，比如隐函数曲面建模技术，Catmull-Clark离散曲面建模技术。此外，多边形网格模型由于其简单性和兼容性，在计算机动画系统中得到了广泛的重视。绘制本身是真实感图形的主要研究内容，但是随着动画技术的发展，传统的真实感图形绘制技术必须进行改革才能满足动画的需要。动画技术很多，很难仔细分类。在接下来的文章中，我们将从关键帧动画、渐变和变形物体动画、过程动画、关节动画和人体动画、基于物理的动画等方面对计算机动画的研究现状进行全面的介绍。

时至今日，计算机动画在理论和应用上都取得了巨大的成功，但离人们的期望还相差甚远。用计算机动画模拟许多自然现象仍然很困难...

从近年来发表的论文和取得的成果来看，作者认为以下研究方向值得我们关注:

1.复杂拓扑曲面的建模与动画

动画追求的新奇和创新推动了这个方向的发展。对象建模和动画通常是密切相关的，一些新的建模方法往往同时提供新的动画控制方法。由于NURBS曲面在表示复杂拓扑对象时有很多困难，由Catmull和Clark提出的由任意拓扑控制网格生成B样条曲面的细分曲面方法近年来在计算机动画中受到越来越多的关注，相关论文也很多。在1998到2000年的siggraph中，有近10篇与Catmull-Clark细分曲面相关的论文，其中皮克斯公司的DeRose等人将细分曲面引入到角色动画中，取得了非常好的效果。在动画软件maya中，基于Catmull-Clark的细分曲面建模和动画已经成为一种重要的手段。隐式曲面的建模和动画也很重要。

2.运动捕捉动画数据的处理

动作捕捉技术在电影《泰坦尼克号》中取得了巨大的成功，其中许多乘客从船上落入水中的惊险场面都是由动画特技完成的。事实上，动作捕捉已经成为现代高科技电影不可或缺的工具。运动捕捉动画数据包括关节运动数据和面部表情动画数据。如何重用运动捕捉动画数据并重置目标值得进一步研究。

3.基于物理学的动态动画

影视特技要求虚拟的动作画面可以造假，基于物理的动态动画更能满足这一要求。这项研究包括如何建立一个更通用的数学模型，如何减少计算量，以及如何有效地控制动画过程。