数字三维皮影动画的设计与实现

孙诗琦+袁航+高伟

引言

皮影戏作为“动画师祖”，距今已有一千多年的历史，但是随着社会进步、科技发展，西方文化的涌进，电视剧、电影等新型娱乐方式皆给皮影戏的发展带来了阻碍，使皮影戏逐渐走向萧条。近年来，随着“互联网+”平台的不断完善，国民民族文化保护意识的增强以及计算机三维动画技术的迅猛发展，给皮影戏的发展带来了曙光。2011年，美国上映的《功夫熊猫2》让我们赞叹不已，美国让中国元素以皮影动画的形式在世界亮相，中国也可以将数字动画与传统艺术结合，打开一个新的舞台，拯救皮影戏这一濒临绝境的文化遗产，发展计算机三维动画，弘扬中国传统文化，唤醒国民保护文化遗产的意识。

据此，本文提出了皮影戏与计算机三维动画技术相结合的新思路，以传统皮影戏“武松打虎”为例将其制作成一部数字皮影动画。在“数字化三维皮影戏的设计与实现”过程中，以Visual Studio 2010软件环境为基础，使用c++面向对象编程语言以及OpenGL定义主要结构体及函数，包含绘制模型过程中所需要的各种变量，定义皮影模型的关键帧动作，完成对程序的基本框架以及算法的设计，实现皮影三维模型的导入。为模型各部分组件定义坐标，平移、旋转及缩放数量，完成皮影模型整体的拼接，并为模型各部分组件分别设计关键动作，通过改变视角完成皮影模型的连续运动，实现对皮影模型的控制，达到较好的整体视觉效果。

1背景

所谓“皮影”，是对皮影戏和皮影戏人物及所用到的道具景物制品的通用称谓，是我国出现最早的戏曲剧种之一。中国皮影戏所用到的布幕原理及栩栩如生的表演艺术方式，对近代电影的发明和现代电影的发展起到了先导作用，西方的歌德及卓别林等世界文化名人，对中国皮影戏艺术皆给予了高度的评价。

有文字记载以来，皮影戏已有2000多年的历史。中国皮影戏艺术由汉诞生，清朝时，已发展到鼎盛时期。近现代以来，皮影戏在各地的发展十分广泛，其造型风格和表现形式各不相同。其中以沔阳、唐山、复州的皮影最为有名。

2皮影戏的艺术特色

皮影戏的音乐唱腔经过长期的演化，吸收各个地域音乐的精华，形成了众多流派。其中河南、陕西、山西一带的流派中，以华阴老腔、碗碗腔等最为出名。

老腔初始于汉代，起源于军队，用来鼓舞士气，由于发源地为关中华阴双泉村，其地理位置特殊，又因取材于军队战争，唱腔发展为亢奋激昂，慷锵有力的风格。“一声吼尽千古事，双手对舞百万兵”，陕人的刚强性格可见一斑。除去气势磅礴的老腔，抒情婉转、叙说故事则以碗碗腔为名。

皮影戏唱词的根本在于音乐和语言的融合，是生活的语言。大多唱词根据故事情节进行编排，再与各个地域的风俗及方言相结合，形成了各自独特的唱词风格。

同其他传统戏剧一样，由于不同地区的风俗习惯差异，各个地区的皮影戏艺术也有着其风格的独特性。皮影的制作一般要经过选皮、制皮、描样、雕镂、敷彩、熨平、上油和缀结八个步骤，可以看出，一套完整皮影戏前期道具的制作是非常复杂的。皮影造型也与皮影的制作方式和演出类型有关，比如《三国演义》、《水浒传》等历史故事的题材大多出现在历史发展过程较长的山西关东皮影戏中，而造诣最高的滦州皮影，则以幽怨悲情剧为多。

为了突出人物的形象特征，人物面部表情都较为夸张，一个人物的黯然神伤、刚正不阿的形象皆从面部造型直接传达给观众。同时，皮影人物面部色彩的绘制也极为夸张，以红、绿、黄、蓝、黑五种颜色为主，准确揭露人物的身份以及性格特征。如《连环套》蓝色脸的窦尔敦，即性格刚直、桀骜不驯。

众所周知，在进行皮影戏表演时利用的就是投影的原理，借助灯光反射，把人物的形象投影在幕布上进行演绎。在美国动画电影《功夫熊猫2》中借鉴了大量的中国元素，尤其是皮影戏的应用。电影中的老乌龟钓鱼，以及孔雀形象的设计皆运用了皮影戏效果。

3《武松打虎》皮影戏的艺术特色

“水浒热”的浪潮近代以来从未停止，武松早已是人人皆知的英雄。一方面，武松具有浓厚的英雄情结，另一方面，水浒传又赋予了武松忧国忧民的情怀，而《武松打虎》这一节取自《水浒传》中的经典片段，也由此成为中国家喻户晓的名篇。早已出现在小学课本中的武松这一形象，也成为教育儿童刚正不屈、敢作敢当、乐于助人的典范。

《武松打虎》皮影动画，能够有效利用新媒体的优势，突破传统艺术濒临失传的现状，使皮影与动画结合。利用PhotoShop绘制二维皮影造型，利用3ds max建立三维模型，给予武松全新的艺术包装，为皮影艺术开拓更大的生存和发展空间。在利用传统元素的基础上，结合大量的现代流行元素，赋予武松的正直形象，用拟人或者夸张的造型设计将武松、老虎、店小二等各个角色的个性、身份表达的惟妙惟肖，使皮影戏能够被更多的人所接受。

3.1《武松打虎》人物造型的建立

对于皮影人物造型部分的建立，采用计算机辅助设计软件PhotoShop进行绘制皮影人物造型，用磁环套索工具选中模型边缘进行截取模型并保存为.png格式。皮影的造型比较复杂，为了建模方便，需要导出贴图的轮廓，以便用于之后的模型構建。在PhotoShop中用套索工具选中边缘后，建立工作路径->设置容差值为0.5->导出.>Illustrator路径->得到.ai格式文件，以便在3ds Max中直接建立图形的轮廓。

贴图绘制完成后，使用3ds Max软件建立模型。对于最后动画的实现，模型的建立是十分关键的。

首先，将lllustrator路径（.ai格式文件）导入到3ds Max软件中，此时视图中将显示对应的二维线框，选中二维线框，在修改器面板中选择挤出命令，调整合适的厚度，即可得到三维的皮影模型。

其次，纹理贴图。创建模型后，选中对象，利用材质编辑器，点击材质球，设置对应的贴图并赋给模型，在修改器列表中选择UVW贴图，并修改为“有贴图的真实材质”，最后通过移动、平移等操作完成3维模型的贴图。endprint

最终，合成各部分模型。将皮影角色的各部件模型导入到一个.Max文件中，将各部分皮影模型通过控制平移、旋转、缩放等操作拼接成一个比例协调的三维皮影模型。图1即为合成后的武松、店小二、老虎的三维皮影角色模型。

3.2皮影人物形象——以武松为例

在皮影艺术中，人物皆以侧面形象进行表演。武松这一角色的面部采用传统人物的绘制方法，轮廓明了，头戴黑罗帽，面目威严与轩昂并济，身高八尺，仪表堂堂，浓眉大眼，这些特征成为武松这一人物身份、性格的标志。为了凸显武松刚正形象，在处理侧面面部轮廓时，线条处理较为棱角分明，面部结构准确刻画，力求展现武松“身躯凛凛，相貌堂堂，一双眼睛射寒星，两弯眉浑如刷漆。胸脯横阔，有万夫难敌之威风。”的形象。

在人体比例中，头的比例要比其他部分稍大些，手的比例较小，眼睛要大，五官清晰，才能使人物显得有神Ⅲ。人体分解为头、躯干、大臂、小臂、大腿、小腿等，并且在连接时，要准确找到各个部位的连接点，避免在利用3ds max进行帧动画时出现问题。

4皮影艺术的发展局限

4.1皮影手工制作工艺的局限

皮影手工制作工艺的局限性主要针对皮影道具制作这一方面而言，一套完整的皮影道具制作工序需要经过刮、磨、洗、刻、著色等二十四道工序，手工雕刻3000余刀而成，这一过程类似民间剪纸，但手、腿等关节需分别雕刻后再用线连缀在一起，方可表现得活动自如。由于工序复杂，要求严格，需要皮影制作艺人掌握全套的技术，若在制作期间出现错误则无法进行修改。因此，具有精湛制作技艺的艺人数量愈发减少，皮影手工制作工艺技术面临失传的困境。

4.2保存局限

皮影道具由于其皮制制品这一特殊材质，使其保存也存在一定限制。一方面，皮影道具需要经常擦拭、晾晒，不然易被灰尘腐蚀，但长时间日晒会使颜料褪色，温度的湿热变化也会造成皮影的变形，使皮影道具的保存十分不易。另一方面，历代皮影戏文字剧本、皮影道具、乐器、方言、唱腔等需要进行传承部分的遗落、消失也加重了皮影艺术发展的困境。

4.3传播局限

由于皮影艺术是由皮影道具和影戏两部分构成，艺人通过竹条进行抽线来操纵皮影进行下跪、拔剑、骑马等各种眼花缭乱的特技动作，配合相应的角色唱腔进行演绎。传统皮影的传播方式主要通过艺人的手授来进行，需练习多年时间，才能掌握其精髓。

4.4语言及音乐局限

皮影戏除了惟妙惟肖的故事情节外，最吸引人的部分当属独特的唱腔，皮影戏的音乐唱腔不局限于一种类型，每个地域的音乐皆与其自身的民俗及当地语言融合，形成一种新的音乐流派。这使皮影艺人在传承时还需会方言的人员，也就形成了关于语言上的阻碍。皮影戏音乐中用到的乐器主要是唢呐、扬琴、二胡等传统乐器，这些乐器均需要练习者经过长期的学习和实践经验的磨练才能达到精通乐器、掌握皮影戏配乐节奏的水平。

4.5文化模式的冲击

随着新媒体产业的发展，各种文化娱乐模式的涌现，特别是网络的普及，对传统的皮影艺术带来了巨大的冲击。传播方式单一，演出场馆数量稀少，环境与设备功能不完善，均是制约皮影艺术繁荣发展的主要原因，使皮影艺术的传承面临着巨大挑战。

5中国传统皮影与动画的结合

如今，科技发展飞快，计算机三维动画因缺乏原创性、新颖性、创新性陷入低潮。由于这些已经存在的局限性，我们提出了将传统皮影艺术与计算机三维动画相结合的方法，使计算机三维动画与皮影戏互取所长。计算机三维动画利用皮影戏进行创新，皮影戏利用计算机三维动画这一新型表现形式，在保留传统艺术方式的基础上，创作符合现代风格的原创戏剧艺术。

一部成功的皮影戏除独特的造型外，还需要音乐、歌唱、动作等方面相辅相成。图2为《武松打虎》皮影动画制作流程。

5.1艺术造型方面

皮影人物及道具的造型大多为侧面形象，具有平面化、地域化、夸张化的特点。计算机动画中，创造一个新的造型不仅要求画家拥有很强的想象力，而且需要与传统文化和自然生活结合，耗费画家大量的精力。但是在皮影艺术中有着非常丰富的人物造型，孙悟空、白骨精、关羽、张飞等等都可以在皮影戏中找到独一无二的形象。计算机中绘制的人物不仅可以表现侧面侧面，还可以进行创新，以多个角度、多个方向来表现皮影人物造型，此外，手工绘制皮影道具若出现错误，无法修改，需要重新绘制，在使用计算机绘制皮影道具时，若绘制过程中发生失误，可以多次进行修改。并且，计算机制作皮影道具时，无需进行选择皮制品，只需绘制相应的风格，进行大胆的创新，既节省了原料，又突破了原有局限。

皮影造型根据地域、习俗的不同有着不同的风格，但如今各国动画的人物造型及画风都出现了类似的特征，国产动画若是能打破日美动画的设计风格的局限性，利用皮影的多样化造型进行创新，必能开拓出一个新的舞台。

《武松打虎》皮影动画中武松的形象是一个刚直、善良的武生，因此，在设计过程中将武松绘制成一个正直的武士形象。清晰的面部线条，威武的身躯，浓眉大眼，都是其正直形象的体现，头上的装饰也很有讲究，一顶黑罗帽，表示其武生的身份。老虎的形象更加威猛，凶恶的眼睛，长着血盆大口，全身褐色毛发，还有一道道黑色的斑纹，粗壮有力的四肢，雄壮威武。

5.2色彩方面

传统皮影制作虽然颜料丰富多样，但是由于皮影道具为皮制制品这一特殊材质，易发霉，温度的湿热变化、阳光照射等会造成皮影的变形并影响色彩效果。计算机动画就不会出现以上难题，我们在计算机中绘制出皮影的纹理颜色，直接进行建模贴图，纹理多具有民族气息，古朴典雅，颜色多为纯色而非渐变，如红、黄、蓝、绿等。

5.3剧本方面

剧本是皮影戏剧与动画作品中关键的一部分，剧本描写了整个故事的发展过程，展示人物之间关系的桥梁，每一个剧本都有它想要表达的寓意[1引。但是缺少能够吸引观众的故事情节是当前国产动画的一大缺陷，相比而言，皮影戏剧目繁多，数不胜数，有历史演义戏、民间传说戏、武侠公案戏、爱情故事戏、神话寓言戏到时装戏、童话寓言戏，比比皆是，其中《聊斋志异》、《西游记》、《封神榜》等经典故事更是人人皆知。endprint

5.4制作方面

皮影戏只有一个幕进行表演，在切换场景时需要艺人手动更换道具，而在计算机动画中可以控制镜头到皮影戏中人物道具的距离，自由切换镜头，播放时可以在屏幕上呈现出特写、近景、中景、全景、遠景五种景别。全景和远景的镜头利于展示动画中人物的关系，以及故事背景。近景镜头利于展示人物面部表情特征。特写可以表现出自然界微小景物的变化。利用镜头和场面的调度，交替更换各种不同的景别，可以使动画故事情节的叙述、故事整体框架的描述更加紧密。

5.5唱腔及音乐方面

地域的不同造就了皮影戏唱腔及音乐的不同，体现了中国文化的多样性。皮影戏中，根据剧种种类的不同，背景音乐及唱腔也有很大的变化，音调随着剧情跌宕起伏。皮影戏音乐融合了各地的民族器乐，是西洋乐器代替不了的音乐，在现代化技术的发展下，皮影音乐吸收了一些流行音乐的因素，与其他种类音乐相互促进，共同提高。随着计算机音乐的发展，音乐制作硬件软件功能的不断完善，大量运用数字化的处理方式，使音乐制作更加多样化，保证了作品具有高品质音色，真实的还原出音乐家的创作理念。与此同时，在如今的网络传播中，新媒体采用的数字信息传播占据了很大的优势，这一方式使信息的复制和传播变得更加便利。降低了音乐复制的时间和制作成本，保证了音乐复制的质量，增加了传播方式，节约了人们的大量时间和精力。同时，计算机可以制作出许多复杂的音色，修改十分便捷。

5.6武松打虎三维皮影动画实现

三维数字皮影动画的生成关键在于模型对象关键帧的设置。首先，提取三维皮影角色模型的数据，然后构造模型运动过程中每一帧的平移、旋转和缩放的矩阵。借助OpenGL图形库中的平移变换函数void glTranslate（TypeX，TypeY Typez）、旋转变换函数void glRotate（TypeX，TypeY，Typez）和缩放变换函数void glScale（TYPE x，TypeY，Typez）生成变换矩阵，并将变换矩阵作用在模型对象上，从而得到每一帧的位置信息，这样就完成了对其关键帧的设定。下面以武松头部为例进行其关键帧设定：

为了呈现出连续绘制的动画效果。在皮影动画的制作过程中加入定时器这一功能，通过使用GetTickCount（）函数，它返回从操作系统启动到当前所经过的毫秒数，常常用来判断某个方法执行的时间。从而建立了时间序列与帧的对应关系，显示当前帧的皮影模型。

使用GetTickCount（）函数时，若GetTickCount（）-lastTick>250，则从第一个关键动作切换到第二个关键动作，实现皮影模型两个动作问的切换。

运用矢量运算，定义函数void normalizeVec-tor（noat*v）、void vecotrCross（noat*vl，float*v2，float*vOut）规范化矢量及求矢量叉乘。叉乘的结果是个矢量，用于计算法向量，这是生成3D图形关键的一步。

在动画进行播放时，为了达到较好的呈现效果，利用void gluLookAt（GLdouble eyex，GLdouble eyey，GLdouble eyez，GLdouble centerx，GLdouble centery，GLdouble

centerz，GLdouble

upx，GLdouble

upy，GLdouble upz）函数，定义一个视图矩阵，并与当前矩阵相乘。gluLookAt（）共有九个参数，第一组eyex，eyey，eyez相机在世界坐标的位置。第二组centerx，centery，centerz相机镜头对准的物体在世界坐标的位置。第三组upx，upy，upz相机向上的方向在世界坐标中的方向。

使用gluLookAt（）函数，定义xoffset+=0.05，连续改变gluLookAt（）函数中的第一组和第二组参数，连续改变视点，实现皮影模型的连续运动。图3为实现后的皮影动画运行效果截图。

6结论

将传统皮影艺术与计算机三维动画相结合，赋予皮影戏新的表现形式。用现代人的审美，将传统艺术进行展示，使其成为符合时代主流的艺术。与此同时，利用皮影戏将动画进行改进，运用其独特的皮影因素打造具有中国传统文化的动画，并通过数字化渠道推广和传承。

中华文明生生不息，中国文化精神薪火相传。不忘初心，与时俱进。弘扬中国当代人物精神，将中国道德模范事迹及感动中国人物的故事情节制作为皮影动画，传递正能量。通过将皮影动画引入课堂，丰富学生校园文化，提高对传统文化这一瑰宝的传承意识，增强对非物质文化遗产的保护。充分利用“互联网+”这一国家战略平台给动画发展带来的大量机遇，将中国传统文化皮影戏传播到全世界，谱写中国皮影动画的新篇章。