基于OpenGL的三維皮影動畫仿真與實現

王迪+栗菲旋+高偉

摘 要：皮影戲作為傳統動畫之“雛形”，曾一度推動了我國動畫產業的發展。然而，隨著科技發展的日新月異，數字動畫逐漸占據了藝術市場，導致傳統皮影藝術瀕臨絕境。將傳統皮影戲與計算機三維動畫技術相結合，制作并實現一部數字皮影動畫《武松打虎》：利用3ds Max建立皮影角色模型，并建立皮影角色模型數據庫及其運動姿態數據庫；利用關鍵幀和幾何變換技術，實現皮影模型的三維動作仿真。該研究具有良好的應用前景，是對中國傳統皮影藝術傳承和保護的新嘗試。

關鍵詞：皮影戲；三維動畫；數據庫；關鍵幀；幾何變換

DOIDOI：10.11907/rjdk.171677

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0185-04

0 引言

皮影戲是我國古代一種集工藝美術和戲曲藝術于一身的民間藝術形式，但是隨著社會的進步和科技的發展，新的娛樂模式逐漸取代了皮影戲這一傳統文化藝術，使其逐漸走向蕭條。要拯救皮影戲這一瀕臨絕境的文化遺產，不僅需要文藝工作者大力弘揚中國傳統文化，以喚醒國民保護文化遺產的意識，還需要科技工作者為皮影戲的傳承和保護開辟新途徑。

2006年，國產皮影動畫《桃花源記》獲得了TBS動畫數字作品大賽最優秀獎；2008年、2011年兩部《功夫熊貓》在全球熱映[4]，其中風格古樸俏皮的皮影橋段給觀眾留下了深刻印象，計算機動畫技術隨之盛行，也給皮影戲的傳承和發展帶來了新的啟發。據此，本文提出皮影戲與計算機三維動畫技術相結合的新思路，以傳統皮影戲“武松打虎”為例將其制作成一部數字皮影動畫，并通過數字化渠道推廣和傳播。

1 皮影戲發展歷程

1.1 皮影戲起源與發展

據史料記載，皮影戲起源于距今約2 000年前的西漢，東晉史學家干寶所著《搜神記》中有關于皮影戲的記載，“影戲之源出于漢武帝李夫人亡，齊人少翁言能致其魂，少翁夜為方帷張燈燭，帝坐他帳，自帳中望之，仿佛夫人像也，故今有影戲”。相傳《漢書》也有類似的記載[1]。皮影戲就是濫觴于這段古代帝王的愛情故事[2]。

皮影戲起源于西漢，興盛于唐宋，在清代盛極一時，又在近代遭受重創。在唐代中晚期，已有類似影戲的雛形出現，被僧人俗稱為“變文”，是統治者用來普及佛教文化的一種形式。宋代的影戲表演已初具規模，北宋時都城汴梁就已經有皮影戲的演出。清朝以來，中國皮影藝術發展達到頂峰，皮影戲深受廣大民眾和宮廷的青睞。與此同時，皮影戲廣泛傳播，遍布中國大地，形成了不同的流派，獨具地方特色，可謂盛況空前。不幸的是，隨著近代抗戰爆發和“文革”的迫害，皮影戲經歷了風雨劫難，開始一蹶不振。

1.2 皮影戲瀕臨絕境的原因

皮影制作工序繁瑣以及難以保存、攜帶的特點給皮影戲的傳承和發展帶來嚴峻的挑戰。皮影用獸皮或紙板制作而成。據說，一套完整的皮影道具需要經過選皮、制皮、畫稿、過稿、鏤刻、敷彩、發汗熨平、綴結合成八道工序才能完成，制作工藝相當復雜。此外，皮影成品的保存和攜帶也是一個尚未攻克的難題。由于皮影材質多為皮質或紙質，光照、溫度和濕度變化都會導致皮影褪色或變形，導致皮影制品難以長期保存。再加之，皮影大都采用鏤空的雕刻方式，且影人的頭部、軀干和四肢是相互分離的，為了演出時靈活多變，再用線將皮影各部綴結合成，這無疑增加了皮影攜帶的難度，稍有不慎，就將造成皮影結構殘破，難以修復和彌補[3]。

皮影戲傳播方式的局限和現代各種文化形式的沖擊使得皮影戲逐漸走向衰落。傳統皮影戲演出幾乎不受場地限制，但是近代以來，皮影戲遭受迫害開始一蹶不振，演出場地也僅僅局限于散落各地的皮影戲班，皮影市場開始大幅萎縮。另一方面，皮影戲的表演極其考驗藝人們的表演技能，在皮影界，流傳著這樣一句話“三年能出個戲子，三年出不來個影匠”，形象地刻畫了學藝的艱辛，從而導致愿意繼承皮影衣缽的人急劇減少。此外，隨著現代影音技術的發展和各種文娛形式的涌現，皮影戲顯然不能滿足現代人的審美要求，再加上網絡等傳播渠道的日益普及，固守陳規的皮影藝術受到了巨大沖擊，使得青少年觀眾越來越少，直接威脅到皮影這一傳統民間藝術的生存和發展。

2 數字皮影動畫制作過程

2.1 皮影角色模型提取與建立

2.1.1 皮影模型數字化提取

傳統皮影素材主要是通過制作者重復雕刻和繪畫獲得，一套完整的皮影道具需要手工雕刻3 000余刀，大約花費一位手工藝人數月的時間，可見這種方式難以對皮影制品進行批量化生產，在一定程度上制約了皮影藝術的發展。隨著數字化時代的到來，人們提出了皮影模型的數字化提取技術，大大降低了皮影制作的復雜程度，節省了大量人力、物力和時間[5]。

目前，常用的皮影模型的數字化提取方式大致有3種：第1種是數碼拍攝技術；第2種是掃描儀掃描技術；第3種是用數位板連接PhotoShop手動繪圖技術，其中數碼拍攝技術是使用最普遍、最廣泛的圖像獲取技術。本文在皮影模型的數字化提取過程中首先將皮影模型肢解開來，按部位提取。

下面以傳統皮影戲“武松打虎”為例，在PhotoShop CC圖形處理平臺上進行武松影人頭部模型的數字化提取操作，圖1所示為武松頭部模型提取的全過程。首先，用磁環套索工具將模型邊緣選中，然后截取模型并創建新圖層將其保存為png格式的透明背景圖，這樣就完成了皮影部件模型的數字化提取。

2.1.2 三維皮影模型創建與合成

皮影模型的數字化提取操作是按照皮影的頭部、軀干、四肢分別進行的，因此，皮影模型的創建過程也應該是各部件分別進行[6]。創建皮影模型，首要任務是分析皮影模型的結構特征，圖2所示為皮影角色模型的層次結構；其次，使用3ds Max建模工具建立皮影各部件模型，具體操作如圖3所示，共分為3步。endprint

（1）輪廓導出。依次建立工作路徑→設置容差值→路徑到Illustrator→生成.ai格式文件。圖4所示為武松皮影頭部模型輪廓。

（2）模型創建。先將之前保存好的.ai格式文件導入到3ds Max軟件中，在視圖控制區會顯示皮影輪廓的二維線框，如圖5所示。然后對其進行擠出操作就得到三維的皮影模型。

（3）紋理貼圖。在模型簡單創建之后，就進入到材質編輯階段。首先，在3ds Max軟件的修改器列表中選擇UVW貼圖，然后在材質編輯器中為剛剛建好的武松頭部模型進行“有貼圖的真實材質”編輯，最后通過移動、旋轉和縮放操作完成貼圖操作。圖5為三維的武松皮影頭部模型。

三維皮影各部件模型創建完成后，開始進入模型合成階段，皮影模型的合成也是在3ds Max平臺下進行的。首先，將皮影角色的各部件模型導入到一個新的Max文件中，然后參照真實的皮影模型通過控制平移、旋轉、縮放進而拼接成一個完整的三維皮影角色模型并保存[8]。圖7為武松的三維皮影角色模型。

2.2 三維皮影角色模型數據庫

在制作數字皮影動畫的過程中，需要把真實的皮影道具、舞臺道具以及聲音和燈光以數字化的形式進行存取。本文采用數據庫組織、存儲和管理各類數據，旨在建立一個可共享的三維皮影角色模型數據庫。

在創建數據庫之前，首先要分析其所要包含的內容以及設計結構。結合皮影模型的提取和建立及數字皮影動畫的后期處理，可以明確三維皮影角色模型數據庫所要包含的數據內容有：皮影角色各部件貼圖文件、ai格式的各部件輪廓文件、max模型文件、靜態場景文件、聲音、光照、文本（劇本或臺詞）等。顯然，該數據庫包含的內容較為繁多。為了方便數據檢索，本實驗采用分類存取的方式設計數據庫，并設置相應的關鍵字進行標記。

由此可見，三維皮影角色模型數據庫的建立為數字皮影動畫的制作帶來了諸多便利。首先，克服了傳統皮影道具難以保存和攜帶的缺點；其次，數據分類存儲，方便提取，大大提高了皮影戲的演出效率；此外，數字化皮影道具可以通過網絡實現共享，而且分散各地的皮影表演者可以根據觀眾喜好隨時修改或重組皮影造型，輕松實現皮影再創造[5]。

2.3 三維皮影角色模型運動姿態數據庫

傳統皮影戲演出中，每個影人背后都有3根竹簽，其中一根固定在影人的頸部，用以控制頭部和身體的運動，另外兩根分別固定在兩只手臂上，用以控制上肢的運動，雖然影人腿部沒有撐桿，但是可以通過頭部和上身的運動帶動腿部的運動。顯然，影戲的表演者是借助竹簽控制影人軀體的關節點進而控制影人活動的。在這種傳統表演模式的啟發下，數字皮影動畫也將通過三維皮影角色模型關節點的幾何變換實現其運動姿態的變化，并建立其運動姿態數據庫。

確定數字皮影的關節點以及通過幾何變換實現武松打虎的關鍵動作成為本次研究課題的一個難點。圖8和圖9分別為武松和老虎身體各部的組件，為了表演時能活動自如，本實驗將皮影各組件分別導入VisualStudio 2010平臺。例如，使用 CLoad3DS：：Import3DS（） 函數及其相關程序代碼將皮影各部件模型的.3ds文件導入到項目空間。當組件導入完畢后，確定模型關節點并通過平移、旋轉等幾何變換完成武松打虎的動作實現，并記錄武松打虎過程中每個動作的幾何變換數據，分析綜合后添加到三維皮影角色模型的運動姿態數據庫中。表1所示為武松打虎關鍵動作的幾何變換數據。

2.4 三維數字皮影動畫生成與實現

三維數字皮影動畫的生成關鍵在于實現三維皮影角色模型的運動仿真，而實現模型運動又主要依賴于模型對象關鍵幀的設定，這也是本次課題研究的一個難點。本文從關鍵幀的設定、關鍵幀的排序處理、幀與時間序列的對應關系等方面出發，實現三維皮影角色模型的運動仿真[7-8]。

首先，從已經建立好的三維皮影角色模型運動姿態數據庫中提取已存儲的數據，然后動態地構造模型運動過程中每一幀的平移、旋轉和縮放矩陣。本文借助OpenGL圖形庫中的平移變換函數glTranslate（TYPE x，TYPE y，TYPE z）、旋轉變換函數glRotate（TYPE angle，TYPE x，TYPE y，TYPE z）和縮放變換函數glScale（TYPE x，TYPE y，TYPE z）生成變換矩陣[11]，并將這些變換矩陣作用在模型對象的初始數據點上，從而得到每一幀的位置數據，這樣就基本模擬了皮影角色模型的運動過程，完成了對其關鍵幀的設定。下面以武松頭部為例進行關鍵幀設定：

//武松繪制的起點

glTranslatef（50.0， -20.0， 0.0）；

glScalef（multiple， multiple， multiple）；

//武松頭部

glPushMatrix（）；

glTranslatef（-140.0+xtran，-60.0，0.0）；

shadow.Head（）；

glPopMatrix（）；

其次，關鍵幀的排序處理至關重要。關鍵幀決定了模型運動位置、模型比例大小及其角度偏移，為了適應動畫中皮影模型的運動規律，必須對設定好的關鍵幀進行合理排序。比如，武松的一個簡單的走路動作要依次經過抬腿、邁步、落地才能完成，中間涉及旋轉、平移等多次不同排序。但是，要特別處理好平移和旋轉的先后關系。

最后，通過設置幀與時間的對應關系呈現出連續繪制的動畫效果。本次數字皮影動畫的制作過程中引入了定時器，通過使用 GetTickCount（） 函數建立了時間序列與幀的對應關系，然后在對事件的響應中更新屏幕，顯示當前幀的皮影模型。

經過上述操作，基本生成了三維皮影數字動畫的“雛形”。為了使動畫播放效果更為連貫，本文引入了線性插值（Linear Interpolation）算法，目的是避免由于關鍵幀分布不均勻而產生的不真實的運動效果[9]。基于關鍵幀插值運動控制技術的主要操作有：①確定一個簡單插值函數P（x）用來控制模型運動；②設置n個關鍵幀參數i=0，2，3，4，5……n-1；③采用線性插值技術對n個插值點進行插值；④對該插值函數進行離散采樣，求得在某一幀時的參數值。經過插值操作后，模型的運動效果更為連貫逼真[10]。

3 數字皮影動畫后期制作

數字皮影動畫的后期制作包括光照、背景音樂、動態字幕等處理，此外還涉及簡單的人機交互，也即需要建立完善的消息響應機制。本文研究的數字動畫后期制作也是基于OpenGL進行的。

常用的OpenGL光照模型有：環境光（Ambient Light）、漫射光（Diffuse Light）和鏡面光（Specular Light）[11]。在本次研究中，使用如下程序代碼定義光照：

GLfloat LightAmbient[] = {0.5f，0.5f，0.5f，1.0f}；

GLfloat LightDiffuse[] = {1.0f，1.0f，1.0f，1.0f}；

GLfloat LightPosition[] = {0.0f，0.0f，-130.0f，1.0f}；

然后，調用函數 glEnable（）啟動光照；若使光照無效，則調用gDisable（）函數關閉當前光照。

背景音樂是影戲表演不可或缺的一部分，在本次數字皮影動畫《武松打虎》制作過程中，采集了符合其地方特色的說唱音頻 ，并借助Windows提供的與多媒體有關的大多數接口，在程序中通過調用函數PlaySound（）對該音頻進行播放控制，具體調用方式為PlaySound（"PLAY.wav"，NULL，SND_LOOP）。通過肢體表演與背景音樂相結合，可以達到引人入勝的演出效果。

傳統的影戲表演方式大多為“幕影”表演，場景單一，而且不能顯示字幕，這就使得許多觀影者“只能聞其聲，不能知其意”。為了避免這種尷尬局面，本次數字皮影動畫添加了動態字幕，隨著音頻的播放動態地顯示其文字內容。具體操作需要先調用selectFont（int size， int charset， const char* face）函數來指定字體大小、字符集和字體名稱；然后調用函數drawCNString（char* str）將文字顯示在屏幕上。如圖9所示為本課題制作的數字動畫《武松打虎》的動作片段。

三維皮影數字動畫的后期制作既表現了傳統皮影戲的諸多藝術特性，也融入了大量現代多媒體元素，結合計算機動畫技術更加完善了數字化皮影戲表演的功能，體現了數字動畫的藝術性、交互性和易操作性。

4 結語

皮影戲作為我國民間藝術的“活化石”，具有不可替代的文化價值和藝術價值，并于2011年被正式列入世界非物質文化遺產名錄。隨之，保護這一古老而豐富多彩的傳統文化變成了一項重要的使命。近年來，隨著國內外三維數字動畫技術的風靡，皮影戲的傳承和發展迎來了新的曙光。本文提出了皮影戲和三維數字動畫技術相結合的新思路，設計制作了一部三維數字皮影動畫《武松打虎》，并通過數字化渠道進行推廣和傳播。這一嘗試無論是對于傳統文化還是對于計算機動畫技術都具有重大的研究價值和推廣意義，它的成功將給傳統藝術領域和現代科技領域帶來巨大突破。

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