第二章 電腦動畫的發展與物理實驗教學動畫之運用
2-1 電腦動畫的發展簡史
所有移動的影像，無論是電影或電視，都牽涉到將連續而靜止的影像的快 速播放，使得眼晴產生視覺暫留，影像看起來不會中斷。而這些是靜止影像一 張一張個別地被製作出來，這個製作過程便是所謂的動畫(animation)。這個字 眼"animate"意指"賦予生命"，動畫師賦予靜止影像生命。（1-15）
在十九世紀中葉，動畫以基本形態首次出現，其中有一種裝置用來播放靜 止影像稱為迴轉畫筒(Zoetrope)，它將個別影像排列在輪子周圍。當輪子轉動 時，觀看者透過輪子前方一個固定開口觀賞，如果輪子轉動夠快，觀看者眼睛 會將這些靜止影像當成是連續移動影像。動畫在二十世紀初開始萌芽，從而在 技術及美學上日益精進。在電影產業最引人注意的話題要算是電腦軟體所產生 的動畫的發展。電腦動畫的衝擊遠超乎一般人對於動畫所認知的印象，因為電 腦動畫也常被用在製作天衣無縫的特效並且合成於真實影片中。電腦軟體所產 生的動畫正在改變動畫和電影的面貌，而 3D 電腦動畫是所有電腦技術被使用在 這行業中最複雜、也最令人震撼的。
美國是最早發展電腦動畫的地方，在二十世紀七十年代末便利用電腦類比 人物活動。1982 年，迪斯尼（Disney）推出第一套電腦動畫的電影─Tron（電 子世界爭霸戰）。傳統的動畫是由畫師先在畫紙上手繪真人的動作，然後再複製 於卡通人物之上。直至二十世紀七十年代後期，電腦技術發展迅速的紐約技術 學院的電腦繪圖實驗室導師麗蓓卡亞‧倫女士將錄影帶上的舞蹈員影像投射在 電腦顯示器上，然後利用電腦繪圖記錄影像的動作，然後描摹輪廓。1982 年左 右，美國麻省理工學院及紐約技術學院同時利用光學追蹤技術記錄人體動作，
演員身體的各部份都被安上發光物體，在指定的拍攝範圍內移動，同時有數部
攝影機拍攝其動作，然後經電腦系統分析光點的運動，再產生立體的活動影像。
1983 年，麻省理工的 Ginsberg 和 Maxwell 發展了一套系統（Graphica Marionette），利用電腦語言控制卡通的動作。但受到當時電腦硬體速度的限 制，一個簡單的電腦動畫往往需要花費很長的時間。隨著電腦硬體及動畫軟體 的迅速發展，以及越來越多的研究機構及商業機構加入到電腦動畫領域，電腦 動畫的製作水準也隨之日新月異。動畫日益形成一個重要的產業，在美國、日 本、英國和荷蘭這些卡通片的製作強國，動畫產業在國民生產總值中佔有非常 重要的地位，日本的動畫產業更是國民經濟六大支柱產業之一。
2-2 常見電腦動畫軟體簡介
目前動畫軟體大致可分為 3D 及 2D 兩大類。而且目前電腦動畫已經廣泛應 用於影視特技、商業廣告、遊戲、電腦輔助教育等領域上。其中 3D 電腦動畫軟 體目前較受歡迎大致有 Softimage 3D、3 Ds Max、MAYA、LIGHTWAVE 3D 等。
2-2-1 常見 3D 動畫軟體簡介 1.Softimage 3D：
Softimage 3D 可以說是三維動畫軟體領域的大哥大，由 Softimage 公司出 品。它最知名的部分是 mental ray 超級渲染器和傑出的動作控制技術。
(1-20)Softimage 3D 是由專業動畫師設計的強大的三維動畫製作工具，它的功 能完全涵蓋了整個動畫製作過程，包括：交互的獨立的建模和動畫製作工具、
SDK 和遊戲開發工具、具有業界領先水準的 mental ray 生成工具等。Softimage 3d 系統是一個經受了時間考驗的、強大的、不斷提煉的軟體系統，它幾乎設計 了所有的具有挑戰性的角色動畫。98 年提名的奧斯卡視覺效果成就獎的全部三 部影片都應用了 Softimage 3D 的三維動畫技術，它們是《失落的世界》中非常 逼真的讓人恐懼又喜愛的恐龍形象、《星際戰隊》中的未來昆蟲形象、《鐵達尼 號》中幾百個數字動畫的船上乘客。這三部影片是從列入奧斯卡獎名單中的七 部影片中評選出來的，另外的四部影片《蝙蝠俠和羅賓》、《接觸》、《第五元素》
和《黑衣人》中也全部利用了 Softimage 3D 技術創建了令人驚奇的視覺效果和 角色。
2.3Ds Max：(1-21)
3D Studio Max，常簡稱為 3ds Max 或 MAX，是 Discreet 公司開發的（後 被 Autodesk 公司合併）基於 PC 系統的三維動畫渲染和製作軟體。其前身是基 於 DOS 作業系統的 3D Studio 系列軟體，最高發行到 8.0 版本。在 Windows NT 出現以前，工業級的 CG 製作被 SGI 圖形工作站所壟斷。3D Studio Max + Windows
NT 組合的出現一下子降低了 CG 製作的門檻，首選開始運用在電腦遊戲中的動畫 製作，後更進一步開始參與影視片的特效製作，例如 X 戰警 II，最後的武士等。
3D Studio Max 對 CG 製作產生了歷史性的影響：
(1)CG 軟體製作平臺紛紛由 Unix 工作站向基於網路的 PC 平臺轉移 (2)CG 製作成本大大降低
(3)CG 製作由電影的高端應用進入電視遊戲等低端應用 突出特點
(1)基於 PC 系統的低配置要求
(2)安裝外掛(plugins)可提供 3D Studio Max 所沒有的功能（比如說 3D Studio Max 6 版本以前不提供毛髮功能）以及增強原本的功能 (3)強大的角色(Character)動畫製作能力
(4)可堆疊的建模步驟，使製作模型有非常大的彈性。
(5)支援 Maxscript 內建腳本控制語言，讓使用者有自訂工具的能力。
3.MAYA：(1-22)
Maya 是相當高階而且複雜的三維電腦動畫軟體，被廣泛用於電影、電視、
廣告、電腦遊戲和電視遊戲等的數位特效創作。曾獲奧斯卡科學技術貢獻獎等 殊榮。
Maya 推出時一共有兩個版本，一個是 Maya Complete，另一個是 Maya Unlimited。Maya Complete 包含了 Maya 的大部分功能，Maya Unlimited 則包 含了 Maya 的所有功能。Maya Unlimited 剛推出時，價錢貴到令一般家庭使用者 卻步，但目前的價錢已經跟其他三維運算軟體不相上下。此外，也有非商業用 途的 Maya Personal Learning Edition﹙PLE﹚版本，這個版本是完全免費的，
當使用到某些關鍵功能時,會不斷跳出巨大的標題提醒你，不得將此版本挪做商 業用途。寫出 Maya 軟體的公司是 Alias，這家公司過去名字比較長，叫做 Alias Wavefront（Alias Wavefront 是由 Alias 和 Wavefront 兩家公司合併而成）。
該公司過去推出過一款名字跟公司舊名一樣，叫做 Alias Wavefront，給工業設 計和動畫特效用的三維電腦軟體。但目前發展成以 Alias 軟體為主體，一系列 輔助軟體的軟體體系。2005 年 10 月 4 日，生產 3D Studio Max 的 Autodesk 公 司宣佈正式以$1.82 億美元收購生產 Maya 的 Alias。Maya 的推出一舉降低了三 維動畫製作的成本，在 Maya 推出之前的商業三維動畫製作基本上由基於 SGI 工 作站的 Softimage 軟體所壟斷，Maya 採用 Windows NT 作為作業系統的 PC 工作 站，降低了設備要求，促進了三維動畫的普及，隨後 Softimage 也開始向 PC 平 臺轉移。Maya 在現在電影特效製作中應用相當廣泛，著名的星球大戰前傳就是 採用 Maya 製作特效的，此外還有蜘蛛人、魔戒三部曲、侏羅紀公園、海底總動 員、哈利波特甚至包括頭文字 D 在內的大批電影作品。
4.LIGHTWAVE 3D：(1-23)
Lightwave 3D 是 NewTek 公司的產品。目前 LIGHTWAVE 在好萊塢的影響一 點也不比 Softimage、Alias 等差。它具有出色品質的，價格卻是非常低廉，這 也是眾多公司選用它的原因之一。《鐵達尼號》中的鐵達尼號模型，就是用 LIGHTWAVE 製作的。
2005 年的 SIGGRAPH 盛會上，NewTek 有限公司，正式發佈了 LightWave 3D 9.0 版，這是 Lightwave 的最新版本。
NewTek 開發人員重新編寫和構建了 LightWave 的內核，將網格編輯功能加 入到 Layout 模式中，並增強 Modeler 模式中的工具；從 Layout 模式中提取渲 染器，重新編寫光線跟蹤方法，使它具有更快速的演算法；基於到攝像機的距 離和可見性改寫網格細分。Modeler 的工具箱已經被升級使它具有實邊，細分表 面已經被重新啟動來改善處理過程並支持多次細分。
可是 3D 動畫由於資料量龐大在網路上的傳輸速度慢，因此在網路上的教 學運用上有其限制與困難。
2-2-2 常見 2D 動畫軟體簡介
2D 電腦動畫雖然不及 3D 電腦動畫來的絢麗，然 2D 電腦動畫仍然有其應 用的市場及支持度，特別在網際網路上傳輸的運用上是 3D 電腦動畫所不能比 的。2D 電腦動畫軟體目前較常見大致有 Adobe/Flash、Ulead GIF animator、
Java Applet 等。
1.Adobe/Flash：
Adobe/Flash 是本論文實驗動畫所採用的設計軟體，在眾多動畫軟體之所 以會用此軟體，主要原因除了易學習、易製作、動畫生動活潑、互動性強外，
在網際網路上傳輸的運用上也是主要的考量。Adobe/Flash 軟體的發展簡史在下 一節將特別介紹。
2.Ulead GIF animator：(1-17、1-18)
GIF 是 Graphics Interchange Format 的縮寫，是由 CompuServe 公司發展 出來在網路上使用的圖形交換規格，有 GIF 87a 及 GIF 89a 兩種。現在通用的 是 GIF 89a，其特點如下： (1-17)
(1)支援透明格式
透明格式就是圖案的背景是透明的，而顯示出(不會遮蔽)網頁本身的背景 顏色或圖案。
(2)支援動畫格式 (Animation)
有許多程式可以將多幅的 GIF 圖案合為一個檔案，然後依序顯示。就好像 小時候玩的卡通書一樣，你快速地將書頁從頭翻到尾，一格格的靜態圖畫就動 了起來，成為翊翊如生的卡通。
GIF 動畫的優點是你不需要會 JAVA 語言或其它電腦程式語言就可以讓你 的網站更生動；你也不必要求全世界的瀏覽者裝上一些特別的外掛程式，幾乎
所有目前通用的瀏覽程式(IE 4.0 及以上、NC 4.0 及以上)都均支援 GIF 動畫，
(但早期的瀏覽程式就不見得了)，大家都可以欣賞你的努力成果。
(3)支援交錯顯示 (Interlacing)
交錯顯示(Interlacing)和一般圖形顯示不同的地方在於：一般圖形顯示 是由上至下，一條線一條線地掃描，等到所有資料由網路上取得之後，你才能 看到完整圖案；而交錯顯示是以相隔八條線的方式掃描，所以你看到的圖形出 現方式有如打開百葉窗一般。(有些瀏覽程式處理方式略有不同，不像百葉窗的 方式，而是像焦距有點模糊，等到資料由網路上收齊了，焦距豁然清楚)。交錯 顯示圖案的好處是在螢幕上出現的速度較非交錯顯示圖案快，而且瀏覽者在圖 案未完全出現前，能對圖案有個概念。(在製作 GIF 動畫時，可能不適合交錯顯 示，會有鬼影殘留的情形。)
(4)支援無損失壓縮
GIF 圖形比 Bitmap 圖形檔案小了許多，因為 GIF 採用了壓縮格式，而且這 種壓縮方式並不會損失圖形的解析度。(網路上另一常見的壓縮圖形格式是 JPEG，其為損失壓縮，壓縮效果和損失的解析度成正比，壓縮越多則圖形失真 情況越嚴重)。GIF 的壓縮方式是一種數學演算法，計算每一種顏色出現在圖案 中的頻率和位置，然後以最有效率的方式儲存。這種方式很適合儲存由大塊相 同顏色和一些線條及文字構成的圖案，但不合適儲存相片檔案(風景及人物)。
Ulead Gif Animator 是製作 GIF 動畫檔的工具中，功能強大、操作使用 簡易的程式。在 Ulead Gif Animator 之中內建了各種您再製作動畫檔時會使 用到的各種功能，其中包括了各種轉場特效、圖形最佳化、以及動畫編輯的工 具，讓您在使用 GIF Animator 的時候可以專心在酷炫的 GIF 動畫製作上，而 不用擔心因為使用工具的技巧不純熟而無法隨心所欲。
Ulead GIF Animator 的功能：(1-18)
簡易的操作方式： GIF Animator 在您做 GIF 動畫的編輯、預看以及最佳
化的步驟時加入了新的導覽功能，另外也提供了 1：1 的圖檔編輯方式，同時 在每一個 frame 中也清楚的標示了這個 frame 所代表的順序數字，讓您可以 更容易的掌握到自己的工作進度以及狀況。
(1)強大的編輯以及預看功能： GIF Animator 中有提供"Onion Skin"的功 能，這樣您就可以像話卡通一般將前一格墊在下面對照著去話，自然您的動畫 看起來也就更加的順暢了。
(2)強大的自動化批次處理能力：如果您常常需要製作 GIF 動畫檔的話，這 項整合過的強大自動處理能力的確可以幫助您省去不少寶貴的工作時間，在 GIF Animator 中您只要透過簡單的設定就可以定義一些批次處理的動作，如您 可以將所有的圖檔處理成使用相同的色盤，而您在也不需要以手動的方式一個 個去調整，另外就是您的這些批次處理的工作方式現在還可以被記憶起來，如 果您日後還需要使用到相同的處理方式，您只需要將它在叫出來即可，大大的 增加重複使用性。
(3)動畫特效：GIF Animator 中最吸引人的莫過於它內建了相當多的特效可 以使用，如 Headline Banners、Eye-catching 動畫特效、新的轉場特效，以 及允許您將兩個 GIF 動畫檔整合在一起並且可以透過位置的轉移產生另一種 動畫特效。
(4)強化的輸出功能選擇：過去製作 GIF 動畫檔的工具相當簡易，大多都是 只能純粹的製作出 GIF 動畫檔而已，但是新版的 GIF Animator 可就不同了，
讓您的 GIF 動畫不再簡易，不但可以在您完成 GIF 動畫檔同時輸出相對應的 HTML 原始碼，並且可以為您的 GIF 動畫檔中加上一些鏈結，使用者可以在 GIF 動畫中直接鏈結到另一個網頁中。
可是 GIF 動畫的主要缺點是與使用者缺乏互動的功能，其主要是能在網頁上
產生視覺上的動畫效果而已，因此不能符合本研究預期的互動效果。
3.Java Applet：(1-19)
Applet 或 Java 小應用程序是一種在 Web 環境下，運行於客戶端的 Java 程序 組件。它也是 1990 年代中期，Java 在誕生後得以一炮走紅的功臣之一。通常，
每個 Applet 的功能都比較單一（例如僅用於顯示一個舞動的 Logo），因此它被 稱作「小應用程序」。
Applet 必須運行於某個特定的「容器」，這個容器可以是瀏覽器本身，也可 以是通過各種外掛程式，或者包括支持 Applet 的移動設備在內的其他各種程序 來運行。與一般的 Java 應用程序不同，Applet 不是通過 main 方法來運行的（參 見 Java 的 Hello World 程序和 Java Applet 的 Hello World 程序）。在運行時 Applet 通常會與用戶進行互動，顯示動態的畫面，並且還會遵循嚴格的安全檢 查，阻止潛在的不安全因素（例如根據安全策略，限制 Applet 對客戶端文件系 統的訪問）。
Applet 是由英語「應用程序」Application 的縮寫 App 和代表「小」的尾碼 let 組成。Servlet(Server-let)、MIDlet(Mobile Information Device-let) 和 JSP 中的 Scriptlet 的命名也是基於同樣原理。
2-3 Flash 電腦動畫軟體的發展簡史(1-5)
Adobe Flash（前稱為 Macromedia Flash，簡稱為 Flash）是美國 Macromedia 公司所設計的一種二維動畫軟體。通常包括 Macromedia Flash，用於設計和編 輯 Flash 文檔，以及 Adobe Flash Player，用於播放 Flash 文檔。
（http://zh.wikipedia.org/wiki/Flash）
一、特性
1.被大量應用於網際網路網頁的向量動畫文件格式。
2.使用向量運算﹙Vector Graphics﹚的方式，產生出來的影片占用存儲空 間較小。
3.使用 Flash 創作出的影片有自己的特殊檔案格式﹙swf﹚
4.該公司聲稱全世界 97%的網路瀏覽器都內建 Flash 播放器﹙Flash Player﹚
5.是 Macromedia 提出的「富網際網路應用」（RIA）概念的實現平臺 二、主要檔案格式
1.swf 這是一個完整的影片檔，無法被編輯。有時會被念做「swiff」。Swf 在發佈時可以選擇保護功能，如果沒有選擇，很容易被別人輸入到他的 原始檔中使用。然而保護功能依然阻擋不了為數眾多的破解軟體，有不 少閃客專門以此來學習別人的程式碼和設計方式。
2.fla Flash 的原始檔，只能用 Macromedia Flash 打開編輯。
3.as (有時也稱為 actionscript) 是一種程式語言的簡單文字檔案. FLA 檔案能夠直接包含 Actionscript, 但是也可以把它存成 AS 檔做為外部 連結檔案(如定義 ActionScript 類則必須在寫在 as 文件裏,再通過 import 加入類)，以方便共同工作和更進階的程式修改。
三、歷史版本
1.FutureSplash Animator (1995) - Flash 的前身,由簡單的工具和時間線 組成
2.Macromedia Flash 1 (1996-11) - Macromedia 給 FutureSplash Animator 更名後為 Flash 的第一個版本
3.Macromedia Flash 2 (1997-6) - 引入庫的概念
4.Macromedia Flash 3 (1998-5-31) - 影片剪輯,Javascript 外掛程式, 透明度和獨立播放器
5.Macromedia Flash 4 (1999-6-15) - 變數,文本輸入框,增強的 Actionscript,流媒體 MP3
6.Macromedia Flash 5 (2000-8-24) - Javascript, 智能剪輯, HTML 文本 格式
7.Macromedia Flash MX (2002-3-15) - Unicode,組件,XML,流媒體視頻編 碼
8.Macromedia Flash MX 2004 (2003-9-10) - 文本抗鋸齒,Actionscript 2.0,增強的流媒體視頻,行為
9.Macromedia Flash MX 2004 Pro (2003-9-10) - 包括所有 Flash MX 2004 的特性,加上 Web Services, ActionScript 2.0 的物件導向編程,媒體播 放組件
10.Macromedia Flash 8 (2005-9-13)
11.Macromedia Flash 8 Pro (2005-9-13) 增強為移動設備開發的功能,方 便創建 Flash Web,增強的網路視頻
12.Adobe Flash 9 (2006) 13.Adobe Flash Pro 9 (2006)
2-4 電腦動畫在物理實驗教學上的運用
將物理的現象與概念製作成生動活潑的電腦動畫，對物理教學來說是很好 的教學資源，就教師教學過程中是很棒的輔助工具，對學生學習過程來說也是 很重要的學習物理現象與概念的管道。目前已有很多物理教師本這對物理科學 教育的熱誠。從事物理動畫的設計與研發，並將結果免費的在網路上提供需要 的教師與學生分享運用。例如：師大物理系黃福坤副教授所建立的「物理示範 教學實驗室」（網址：http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/index.htm）更 是其中的佼佼者、除外還有「用 Java 小程式學物理」
(http://www.ngsir.netfirms.com/chineseVersion.htm)、「物理園」
（http://www.hk-phy.org/main.html）等等。網站繁多只要上網一搜尋就可找 到相關的資源。這些網站設計發展動畫所用的程式軟體各不相同，早期大部分 是採用 Java Script 或 Java Applet 等。
近年來由於 Flash 軟體的發展快速，Macromedia Flash 是現階段網路上應 用相當廣泛的多媒體標準，其所提供的動態網頁製作技術內含 Action Script，
兼具程式功能，所製作的程式將可與使用者進行高度互動。不但互動性佳，視 窗化的介面容易學習，且採用向量運算方式產生的影片占用存儲空間較小有利 於在網路上的傳播與運用。因此採用 Flash 軟體發展物理教學動畫的物理教師 愈來愈多，架設的教學資源網站也愈來愈多。
本研究也是搭上 Flash 軟體的這股風潮，想嚐試將高中物理實驗，製作成 與能讓使用者由動畫直接模擬實驗操作，完全真實實驗操作一般，不但可以測 量、紀錄、做圖並求出實驗結果，像這樣的以 Flash 軟體設計的實驗動畫截至 目前為止，尚未在其他網站建過，應該是創舉，也希望能有好的成果。
