數字三維皮影動畫的設計與實現

孫詩琦+袁航+高偉

引言

皮影戲作為“動畫師祖”，距今已有一千多年的歷史，但是隨著社會進步、科技發展，西方文化的涌進，電視劇、電影等新型娛樂方式皆給皮影戲的發展帶來了阻礙，使皮影戲逐漸走向蕭條。近年來，隨著“互聯網+”平臺的不斷完善，國民民族文化保護意識的增強以及計算機三維動畫技術的迅猛發展，給皮影戲的發展帶來了曙光。2011年，美國上映的《功夫熊貓2》讓我們贊嘆不已，美國讓中國元素以皮影動畫的形式在世界亮相，中國也可以將數字動畫與傳統藝術結合，打開一個新的舞臺，拯救皮影戲這一瀕臨絕境的文化遺產，發展計算機三維動畫，弘揚中國傳統文化，喚醒國民保護文化遺產的意識。

據此，本文提出了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。在“數字化三維皮影戲的設計與實現”過程中，以Visual Studio 2010軟件環境為基礎，使用c++面向對象編程語言以及OpenGL定義主要結構體及函數，包含繪制模型過程中所需要的各種變量，定義皮影模型的關鍵幀動作，完成對程序的基本框架以及算法的設計，實現皮影三維模型的導入。為模型各部分組件定義坐標，平移、旋轉及縮放數量，完成皮影模型整體的拼接，并為模型各部分組件分別設計關鍵動作，通過改變視角完成皮影模型的連續運動，實現對皮影模型的控制，達到較好的整體視覺效果。

1背景

所謂“皮影”，是對皮影戲和皮影戲人物及所用到的道具景物制品的通用稱謂，是我國出現最早的戲曲劇種之一。中國皮影戲所用到的布幕原理及栩栩如生的表演藝術方式，對近代電影的發明和現代電影的發展起到了先導作用，西方的歌德及卓別林等世界文化名人，對中國皮影戲藝術皆給予了高度的評價。

有文字記載以來，皮影戲已有2000多年的歷史。中國皮影戲藝術由漢誕生，清朝時，已發展到鼎盛時期。近現代以來，皮影戲在各地的發展十分廣泛，其造型風格和表現形式各不相同。其中以沔陽、唐山、復州的皮影最為有名。

2皮影戲的藝術特色

皮影戲的音樂唱腔經過長期的演化，吸收各個地域音樂的精華，形成了眾多流派。其中河南、陜西、山西一帶的流派中，以華陰老腔、碗碗腔等最為出名。

老腔初始于漢代，起源于軍隊，用來鼓舞士氣，由于發源地為關中華陰雙泉村，其地理位置特殊，又因取材于軍隊戰爭，唱腔發展為亢奮激昂，慷鏘有力的風格。“一聲吼盡千古事，雙手對舞百萬兵”，陜人的剛強性格可見一斑。除去氣勢磅礴的老腔，抒情婉轉、敘說故事則以碗碗腔為名。

皮影戲唱詞的根本在于音樂和語言的融合，是生活的語言。大多唱詞根據故事情節進行編排，再與各個地域的風俗及方言相結合，形成了各自獨特的唱詞風格。

同其他傳統戲劇一樣，由于不同地區的風俗習慣差異，各個地區的皮影戲藝術也有著其風格的獨特性。皮影的制作一般要經過選皮、制皮、描樣、雕鏤、敷彩、熨平、上油和綴結八個步驟，可以看出，一套完整皮影戲前期道具的制作是非常復雜的。皮影造型也與皮影的制作方式和演出類型有關，比如《三國演義》、《水滸傳》等歷史故事的題材大多出現在歷史發展過程較長的山西關東皮影戲中，而造詣最高的灤州皮影，則以幽怨悲情劇為多。

為了突出人物的形象特征，人物面部表情都較為夸張，一個人物的黯然神傷、剛正不阿的形象皆從面部造型直接傳達給觀眾。同時，皮影人物面部色彩的繪制也極為夸張，以紅、綠、黃、藍、黑五種顏色為主，準確揭露人物的身份以及性格特征。如《連環套》藍色臉的竇爾敦，即性格剛直、桀驁不馴。

眾所周知，在進行皮影戲表演時利用的就是投影的原理，借助燈光反射，把人物的形象投影在幕布上進行演繹。在美國動畫電影《功夫熊貓2》中借鑒了大量的中國元素，尤其是皮影戲的應用。電影中的老烏龜釣魚，以及孔雀形象的設計皆運用了皮影戲效果。

3《武松打虎》皮影戲的藝術特色

“水滸熱”的浪潮近代以來從未停止，武松早已是人人皆知的英雄。一方面，武松具有濃厚的英雄情結，另一方面，水滸傳又賦予了武松憂國憂民的情懷，而《武松打虎》這一節取自《水滸傳》中的經典片段，也由此成為中國家喻戶曉的名篇。早已出現在小學課本中的武松這一形象，也成為教育兒童剛正不屈、敢作敢當、樂于助人的典范。

《武松打虎》皮影動畫，能夠有效利用新媒體的優勢，突破傳統藝術瀕臨失傳的現狀，使皮影與動畫結合。利用PhotoShop繪制二維皮影造型，利用3ds max建立三維模型，給予武松全新的藝術包裝，為皮影藝術開拓更大的生存和發展空間。在利用傳統元素的基礎上，結合大量的現代流行元素，賦予武松的正直形象，用擬人或者夸張的造型設計將武松、老虎、店小二等各個角色的個性、身份表達的惟妙惟肖，使皮影戲能夠被更多的人所接受。

3.1《武松打虎》人物造型的建立

對于皮影人物造型部分的建立，采用計算機輔助設計軟件PhotoShop進行繪制皮影人物造型，用磁環套索工具選中模型邊緣進行截取模型并保存為.png格式。皮影的造型比較復雜，為了建模方便，需要導出貼圖的輪廓，以便用于之后的模型構建。在PhotoShop中用套索工具選中邊緣后，建立工作路徑->設置容差值為0.5->導出.>Illustrator路徑->得到.ai格式文件，以便在3ds Max中直接建立圖形的輪廓。

貼圖繪制完成后，使用3ds Max軟件建立模型。對于最后動畫的實現，模型的建立是十分關鍵的。

首先，將lllustrator路徑（.ai格式文件）導入到3ds Max軟件中，此時視圖中將顯示對應的二維線框，選中二維線框，在修改器面板中選擇擠出命令，調整合適的厚度，即可得到三維的皮影模型。

其次，紋理貼圖。創建模型后，選中對象，利用材質編輯器，點擊材質球，設置對應的貼圖并賦給模型，在修改器列表中選擇UVW貼圖，并修改為“有貼圖的真實材質”，最后通過移動、平移等操作完成3維模型的貼圖。endprint

最終，合成各部分模型。將皮影角色的各部件模型導入到一個.Max文件中，將各部分皮影模型通過控制平移、旋轉、縮放等操作拼接成一個比例協調的三維皮影模型。圖1即為合成后的武松、店小二、老虎的三維皮影角色模型。

3.2皮影人物形象——以武松為例

在皮影藝術中，人物皆以側面形象進行表演。武松這一角色的面部采用傳統人物的繪制方法，輪廓明了，頭戴黑羅帽，面目威嚴與軒昂并濟，身高八尺，儀表堂堂，濃眉大眼，這些特征成為武松這一人物身份、性格的標志。為了凸顯武松剛正形象，在處理側面面部輪廓時，線條處理較為棱角分明，面部結構準確刻畫，力求展現武松“身軀凜凜，相貌堂堂，一雙眼睛射寒星，兩彎眉渾如刷漆。胸脯橫闊，有萬夫難敵之威風。”的形象。

在人體比例中，頭的比例要比其他部分稍大些，手的比例較小，眼睛要大，五官清晰，才能使人物顯得有神Ⅲ。人體分解為頭、軀干、大臂、小臂、大腿、小腿等，并且在連接時，要準確找到各個部位的連接點，避免在利用3ds max進行幀動畫時出現問題。

4皮影藝術的發展局限

4.1皮影手工制作工藝的局限

皮影手工制作工藝的局限性主要針對皮影道具制作這一方面而言，一套完整的皮影道具制作工序需要經過刮、磨、洗、刻、著色等二十四道工序，手工雕刻3000余刀而成，這一過程類似民間剪紙，但手、腿等關節需分別雕刻后再用線連綴在一起，方可表現得活動自如。由于工序復雜，要求嚴格，需要皮影制作藝人掌握全套的技術，若在制作期間出現錯誤則無法進行修改。因此，具有精湛制作技藝的藝人數量愈發減少，皮影手工制作工藝技術面臨失傳的困境。

4.2保存局限

皮影道具由于其皮制制品這一特殊材質，使其保存也存在一定限制。一方面，皮影道具需要經常擦拭、晾曬，不然易被灰塵腐蝕，但長時間日曬會使顏料褪色，溫度的濕熱變化也會造成皮影的變形，使皮影道具的保存十分不易。另一方面，歷代皮影戲文字劇本、皮影道具、樂器、方言、唱腔等需要進行傳承部分的遺落、消失也加重了皮影藝術發展的困境。

4.3傳播局限

由于皮影藝術是由皮影道具和影戲兩部分構成，藝人通過竹條進行抽線來操縱皮影進行下跪、拔劍、騎馬等各種眼花繚亂的特技動作，配合相應的角色唱腔進行演繹。傳統皮影的傳播方式主要通過藝人的手授來進行，需練習多年時間，才能掌握其精髓。

4.4語言及音樂局限

皮影戲除了惟妙惟肖的故事情節外，最吸引人的部分當屬獨特的唱腔，皮影戲的音樂唱腔不局限于一種類型，每個地域的音樂皆與其自身的民俗及當地語言融合，形成一種新的音樂流派。這使皮影藝人在傳承時還需會方言的人員，也就形成了關于語言上的阻礙。皮影戲音樂中用到的樂器主要是嗩吶、揚琴、二胡等傳統樂器，這些樂器均需要練習者經過長期的學習和實踐經驗的磨練才能達到精通樂器、掌握皮影戲配樂節奏的水平。

4.5文化模式的沖擊

隨著新媒體產業的發展，各種文化娛樂模式的涌現，特別是網絡的普及，對傳統的皮影藝術帶來了巨大的沖擊。傳播方式單一，演出場館數量稀少，環境與設備功能不完善，均是制約皮影藝術繁榮發展的主要原因，使皮影藝術的傳承面臨著巨大挑戰。

5中國傳統皮影與動畫的結合

如今，科技發展飛快，計算機三維動畫因缺乏原創性、新穎性、創新性陷入低潮。由于這些已經存在的局限性，我們提出了將傳統皮影藝術與計算機三維動畫相結合的方法，使計算機三維動畫與皮影戲互取所長。計算機三維動畫利用皮影戲進行創新，皮影戲利用計算機三維動畫這一新型表現形式，在保留傳統藝術方式的基礎上，創作符合現代風格的原創戲劇藝術。

一部成功的皮影戲除獨特的造型外，還需要音樂、歌唱、動作等方面相輔相成。圖2為《武松打虎》皮影動畫制作流程。

5.1藝術造型方面

皮影人物及道具的造型大多為側面形象，具有平面化、地域化、夸張化的特點。計算機動畫中，創造一個新的造型不僅要求畫家擁有很強的想象力，而且需要與傳統文化和自然生活結合，耗費畫家大量的精力。但是在皮影藝術中有著非常豐富的人物造型，孫悟空、白骨精、關羽、張飛等等都可以在皮影戲中找到獨一無二的形象。計算機中繪制的人物不僅可以表現側面側面，還可以進行創新，以多個角度、多個方向來表現皮影人物造型，此外，手工繪制皮影道具若出現錯誤，無法修改，需要重新繪制，在使用計算機繪制皮影道具時，若繪制過程中發生失誤，可以多次進行修改。并且，計算機制作皮影道具時，無需進行選擇皮制品，只需繪制相應的風格，進行大膽的創新，既節省了原料，又突破了原有局限。

皮影造型根據地域、習俗的不同有著不同的風格，但如今各國動畫的人物造型及畫風都出現了類似的特征，國產動畫若是能打破日美動畫的設計風格的局限性，利用皮影的多樣化造型進行創新，必能開拓出一個新的舞臺。

《武松打虎》皮影動畫中武松的形象是一個剛直、善良的武生，因此，在設計過程中將武松繪制成一個正直的武士形象。清晰的面部線條，威武的身軀，濃眉大眼，都是其正直形象的體現，頭上的裝飾也很有講究，一頂黑羅帽，表示其武生的身份。老虎的形象更加威猛，兇惡的眼睛，長著血盆大口，全身褐色毛發，還有一道道黑色的斑紋，粗壯有力的四肢，雄壯威武。

5.2色彩方面

傳統皮影制作雖然顏料豐富多樣，但是由于皮影道具為皮制制品這一特殊材質，易發霉，溫度的濕熱變化、陽光照射等會造成皮影的變形并影響色彩效果。計算機動畫就不會出現以上難題，我們在計算機中繪制出皮影的紋理顏色，直接進行建模貼圖，紋理多具有民族氣息，古樸典雅，顏色多為純色而非漸變，如紅、黃、藍、綠等。

5.3劇本方面

劇本是皮影戲劇與動畫作品中關鍵的一部分，劇本描寫了整個故事的發展過程，展示人物之間關系的橋梁，每一個劇本都有它想要表達的寓意[1引。但是缺少能夠吸引觀眾的故事情節是當前國產動畫的一大缺陷，相比而言，皮影戲劇目繁多，數不勝數，有歷史演義戲、民間傳說戲、武俠公案戲、愛情故事戲、神話寓言戲到時裝戲、童話寓言戲，比比皆是，其中《聊齋志異》、《西游記》、《封神榜》等經典故事更是人人皆知。endprint

5.4制作方面

皮影戲只有一個幕進行表演，在切換場景時需要藝人手動更換道具，而在計算機動畫中可以控制鏡頭到皮影戲中人物道具的距離，自由切換鏡頭，播放時可以在屏幕上呈現出特寫、近景、中景、全景、遠景五種景別。全景和遠景的鏡頭利于展示動畫中人物的關系，以及故事背景。近景鏡頭利于展示人物面部表情特征。特寫可以表現出自然界微小景物的變化。利用鏡頭和場面的調度，交替更換各種不同的景別，可以使動畫故事情節的敘述、故事整體框架的描述更加緊密。

5.5唱腔及音樂方面

地域的不同造就了皮影戲唱腔及音樂的不同，體現了中國文化的多樣性。皮影戲中，根據劇種種類的不同，背景音樂及唱腔也有很大的變化，音調隨著劇情跌宕起伏。皮影戲音樂融合了各地的民族器樂，是西洋樂器代替不了的音樂，在現代化技術的發展下，皮影音樂吸收了一些流行音樂的因素，與其他種類音樂相互促進，共同提高。隨著計算機音樂的發展，音樂制作硬件軟件功能的不斷完善，大量運用數字化的處理方式，使音樂制作更加多樣化，保證了作品具有高品質音色，真實的還原出音樂家的創作理念。與此同時，在如今的網絡傳播中，新媒體采用的數字信息傳播占據了很大的優勢，這一方式使信息的復制和傳播變得更加便利。降低了音樂復制的時間和制作成本，保證了音樂復制的質量，增加了傳播方式，節約了人們的大量時間和精力。同時，計算機可以制作出許多復雜的音色，修改十分便捷。

5.6武松打虎三維皮影動畫實現

三維數字皮影動畫的生成關鍵在于模型對象關鍵幀的設置。首先，提取三維皮影角色模型的數據，然后構造模型運動過程中每一幀的平移、旋轉和縮放的矩陣。借助OpenGL圖形庫中的平移變換函數void glTranslate（TypeX，TypeY Typez）、旋轉變換函數void glRotate（TypeX，TypeY，Typez）和縮放變換函數void glScale（TYPE x，TypeY，Typez）生成變換矩陣，并將變換矩陣作用在模型對象上，從而得到每一幀的位置信息，這樣就完成了對其關鍵幀的設定。下面以武松頭部為例進行其關鍵幀設定：

為了呈現出連續繪制的動畫效果。在皮影動畫的制作過程中加入定時器這一功能，通過使用GetTickCount（）函數，它返回從操作系統啟動到當前所經過的毫秒數，常常用來判斷某個方法執行的時間。從而建立了時間序列與幀的對應關系，顯示當前幀的皮影模型。

使用GetTickCount（）函數時，若GetTickCount（）-lastTick>250，則從第一個關鍵動作切換到第二個關鍵動作，實現皮影模型兩個動作問的切換。

運用矢量運算，定義函數void normalizeVec-tor（noat*v）、void vecotrCross（noat*vl，float*v2，float*vOut）規范化矢量及求矢量叉乘。叉乘的結果是個矢量，用于計算法向量，這是生成3D圖形關鍵的一步。

在動畫進行播放時，為了達到較好的呈現效果，利用void gluLookAt（GLdouble eyex，GLdouble eyey，GLdouble eyez，GLdouble centerx，GLdouble centery，GLdouble

centerz，GLdouble

upx，GLdouble

upy，GLdouble upz）函數，定義一個視圖矩陣，并與當前矩陣相乘。gluLookAt（）共有九個參數，第一組eyex，eyey，eyez相機在世界坐標的位置。第二組centerx，centery，centerz相機鏡頭對準的物體在世界坐標的位置。第三組upx，upy，upz相機向上的方向在世界坐標中的方向。

使用gluLookAt（）函數，定義xoffset+=0.05，連續改變gluLookAt（）函數中的第一組和第二組參數，連續改變視點，實現皮影模型的連續運動。圖3為實現后的皮影動畫運行效果截圖。

6結論

將傳統皮影藝術與計算機三維動畫相結合，賦予皮影戲新的表現形式。用現代人的審美，將傳統藝術進行展示，使其成為符合時代主流的藝術。與此同時，利用皮影戲將動畫進行改進，運用其獨特的皮影因素打造具有中國傳統文化的動畫，并通過數字化渠道推廣和傳承。

中華文明生生不息，中國文化精神薪火相傳。不忘初心，與時俱進。弘揚中國當代人物精神，將中國道德模范事跡及感動中國人物的故事情節制作為皮影動畫，傳遞正能量。通過將皮影動畫引入課堂，豐富學生校園文化，提高對傳統文化這一瑰寶的傳承意識，增強對非物質文化遺產的保護。充分利用“互聯網+”這一國家戰略平臺給動畫發展帶來的大量機遇，將中國傳統文化皮影戲傳播到全世界，譜寫中國皮影動畫的新篇章。