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三維動畫制作也稱為3D動畫制作。基于3D電腦圖形來表現。有別于二維動畫，三維動畫提供三維數字空間利用數字模型來制作動畫。這個技術有別于以前所有的動畫技術，給予動畫者更大的創作空間。精度的模型，和照片質量的渲染使動畫的各方面水平都有了新的提高，也使其被大量的用于現代電影之中。3D動畫幾乎完全依賴于電腦制作，在制作時，大量的圖形計算機工作會因為電腦性能的不同而不同。3D動畫可以通過電腦渲染來實現各種不同的最終影像效果。包括逼真的圖片效果，以及2D動畫的手繪效果。三維動畫主要的制作技術有：建模、渲染、燈光陰影、紋理材質、動力學、粒子效果（部分2D軟件也可以實現）、布料效果、毛發效果等。著名的3D動畫工作室包括皮克斯、藍天工作室、夢工廠等。軟件則包括3Dmax、Blender、Maya、LightWave 3D、Softimage XSI等。
其他電腦動畫技術電腦動畫制作技術通過計算機得到了很大的延伸。很多技術不僅用在動畫制作上，還用在電視、電影的制作上。這些技術包括卡通渲染動畫（cel-Shading/Toon Shading Animation）動作捕捉（motion capture）、藍屏（blue screen）、非真實渲染（non-photorealistic rendering）、骨骼動畫（skeletal animation）、目標變形動畫（morph target animation）、模擬（simulation，模擬風、雨、雷、電等）。另外亦有使用位圖或矢量圖形制成的小動畫，互聯網上主流的格式是位圖GIF與矢量Flash。
膠片繪制動畫（Drawn on film animation）直接在電影膠片上進行繪制的動畫制作技術，也被稱為直接動畫（direct animation）或者是無攝像機動畫（animation without camera），以區別于其他需要一幀幀拍攝圖像或物體的動畫形式。是早期動畫的一種制作方式，也被用于早期的電影中。因為這種技術可以使動畫中的角色出現在現實的影像中，類似于合成技術。作品有逃出墨水瓶（out of ink)。
玻璃動畫（Paint-on-glass animation）在玻璃片上繪制作動畫。一般采用一些油畫的顏料來制作，用時也會用一些樹膠水彩畫。俄國的亞歷山大?佩特洛夫是使用這方面技術有名的動畫師，他大約有這種技術拍了七部電影，并且都獲得一些獎項。
針幕動畫（Pinscreen animation）針幕動畫使用一塊有許多可以活動的針的板，然后通過不同的針的上升下降來實現動畫效果。這種動畫技術可以實現一些傳統動畫比較難實現的質地效果。
沙動畫（Sand animation）用沙為材料，在一塊打前光燈或者是背光的玻璃上用沙子來繪制各種圖像，然后做為幀拍攝下來，以制作動畫。沙動畫在影像上風格獨特，有其他動畫比較難表現的效果。
手翻書（Flip book）手翻書是一個帶有一系列連貫動作圖像的書。當書頁被快速翻閱時，看到的圖像會因此視覺殘留現象而出現動畫效果。手翻書一般是針對兒童的，但也有面向成人的采用一系列照片而不是圖像的手翻書。手翻書有時也會出現在一般的書或者是雜志的附刊中，或者是頁角上。
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