上海市智能信息处理重点实验室 Shanghai Key Laboratory of Intelligent Information Processing

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科学计算可视化、数字皮影仿真简介

沈一帆

网格生成和处理技术

三维网格的化简、压缩、细分、优化等,主要表现在对三维模型的重建以及针对重建后的模型进行简化、去噪等处理过程。

随着三维测量技术的快速发展,通过直接测量三维实物模型得到稠密采样数据成为可能。这些采样数据很好地反映了物体表面的几何变化。由采样点重建物体表面几何、几何模型的处理和应用则是本项研究核心。这些几何处理主要包括:各种散乱数据的三维重建、重建模型的多分辨率表示、分析、显示、光顺、编辑、压缩、转换和快速安全传输。数字几何处理的目标是建立一套完整的物体表示方法,使之能像NURBS那样应用于实际造型系统中。取得的主要研究成果有:将三维物体看成是其二维流形表面上每点切平面形成的包络,设计并实现了一个散乱点集的快速重建算法;基于体积保持约束和半边收缩机制,提出了一个特征自动保持的累进多分辨率表示、光顺、编辑、压缩和传输系列算法;提出了流形三角形网格模型的全局参数化技术,使得任一二维流形均可定义为球面上的高维函数,结合调和分析和小波分析理论,实现对流形表面在频率域的分解,进而实现各种数字处理。

Digital Geometry Processing一直以来都被译为“数字几何处理”,主要指三维网格的化简、压缩、细分、优化等。而将其译为“数字几频处理”则在原有含义的基础上,对其赋予了一种全新的概念,体现了几何处理的平台化结构。

在可视化领域中引入“数字几频处理”的创意源自于多媒体领域中的“音频视频处理”。在多媒体处理过程中,为了对声音、图像等多媒体信号进行采样、编码、压缩、传输、解码,就必须将信号的许多特性归类总结,最终形成一个易于处理的工作平台,针对原始信号的性质不同,分别称为音频与视频。同样道理,如果在计算机可视化仿真的处理过程中,将现实世界中的事物转换为数字信号后,通过对这些信号的几何特性进行研究分析并建立相关的工作平台,最终实现虚拟现实、几何体建模、光照模拟等实际应用,这样的处理过程就是数字几频处理。

随着数字几频处理技术的引入与逐步完善,将构造出一个完整全面的数字几何处理结构。在实际应用中,再也不会出现临阵磨枪的情况,而只需要将已存在的几何体系结构加载在应用载体上即可。这样不仅可以获得更高的效率,也节省了大量的人力物力,该技术的前景非常值得期待。

 

 

数字化的中国皮影艺术

前言



中国皮影艺术是中华民俗文化中的一朵奇葩。作为世界上最早的幕影文化娱乐形式,它巧妙地将民间的雕刻与绘画技艺结合起来,同时还吸收了传统戏曲、表演及文学艺术的精华。千余年来,这种独特的艺术表现形式一直在世界艺术领域里扮演着不可或缺的重要角色。而将皮影戏与当代计算机科技相结合,制作成数字动画,无论是对于传统艺术还是现代科技,都可以说是一个全新而充满挑战性的课题。它的成功,无疑将给艺术领域及科技领域带来巨大的突破。

要重现一部皮影戏的历史背景及精髓,我们首先必须对皮影戏的发展历史以及表演原理有一个大致的了解:

皮影戏最早诞生在两千年前的西汉,发祥于中国陕西,成熟于唐宋时代的秦晋豫,极盛于清代的河北。顾名思义,皮影是采用皮革为材料制成的,出于坚固性和透明性的考虑,又以牛皮和驴皮为佳。上色时主要使用红、黄、青、绿、黑等五种纯色的透明颜料。正是由于这些特殊的材质,使得皮影人物及道具在后背光照耀下投影到布幕上的影子显得瑰丽而晶莹剔透,具有独特的美感。沿袭传统戏曲的习惯,皮影人物被划分为生、旦、净、末、丑五个类别,更加特别的是,每个人物都由头、上身、下身、两腿、两上臂、两下臂和两手十一件连缀组成,表演者通过控制人物脖领前的一根主杆和在两手端处的两根耍杆来使人物做出各式各样的动作。在中国,不少的地方戏曲剧种都是从皮影戏中派生出来的,而皮影戏所用的幕影演出道理,以及表演艺术手段,对近代电影的发明和现代电影美术片的发展也起到了重要的先导作用。如今,中国皮影被世界各国的博物馆争相收藏,同时也是中国政府与其他国家领导人相互往来时的馈赠佳品,由此可见,皮影艺术在中国乃至世界上拥有很高的艺术价值。

但是,皮影戏的现状却不容乐观。当年的制作和表演艺人如今都已年逾百岁,这门精湛的技艺眼看着就要失传。而当今,越来越多的娱乐方式使得皮影戏在人们心目中的地位一落千丈。究竟是什么原因阻碍了皮影戏在中国的继续发展?我们怎样才能拯救这门璀璨的艺术,重新赋予它全新的生命力呢?

无疑,传统的皮影戏在很多方面都存在着不可避免的局限性。这也是它适应如今快节奏社会最大的障碍。皮影精雕细琢,巧夺天工的色彩造型倾倒了无数的艺术家,却给它的制作带来了极高的难度。一个影人的制作要包括制皮,描样,雕镂和上色等十余道工序,这些复杂的工艺足以花去一个手工艺人数星期的时间,还不包括这期间因任何一个小错误而导致无法修改,全功尽弃的可能性。同时,成品的保存也是一个难题,长时间的日晒会使颜料褪色,温度的湿热变化也会造成皮影的变形。这对强调批量生产的工业化社会来说无疑都是致命的弱点。

皮影戏对表演的技艺也有很高的要求,表演者除了要能一人控制三、四个影人的动作,还要密切配合场上的配乐,兼顾旁白,唱腔。要练就过硬的皮影表演功底,除了需要师傅言传身教,更加需要勤学苦练,积累大量的实际表演经验,由此可见,要培养表演人才,甚至最终能组成一个皮影剧团,是一件多么不容易的事情。也正因为这样,全中国目前仅存的皮影剧团屈指可数,而且都集中在文化生活较为贫乏的山区及农村。这样的表演方式及传播渠道显然无法让皮影戏走入城市,乃至走向世界。

而相比之下,数字化的皮影动画却能克服上述种种的局限性。它不仅真实地再现了皮影戏的原理,制作也相当的方便,可以根据观众的需要随意的进行修改。我们可以打破皮影戏作为传统艺术的沉重,而给它赋予大量现代的流行元素。我们可以在动画中应用电影中各种长镜、短镜以及蒙太奇手法,可以用皮影戏的方法来演绎现代的故事。最重要的是,我们可以通过现代网络的技术,让皮影戏(而不仅仅是皮影本身)在世界各地流传,被越来越多的人所接受。这一切都不需要制作者有多少雕刻、表演手艺,只需要有足够的热情,足够的创意即可。这正是我们今天要把皮影戏制作成数字动画的初衷,我们也相信这样的表现手法能够赋予传统皮影戏新的生命及活力。

一、思路



在具体的制作过程当中,为了体现原创性及学术价值,我们建立了全光场的数值仿真模型,从皮影建模出发,到仿真算法实现,基于C++语言,开发出仿真软件;而且当今流行如3dmax、maya等三维动画软件都不能很好地再现皮影的效果。正如前面所说,一部好的皮影戏,对人物造型,光影效果,人物动作,故事情节,音乐方面都有较高的要求。我们希望能借助计算机图形及多媒体技术,制作一段三维动画,在视觉效果方面准确地模拟真实的皮影戏,同时将皮影戏其它方面的特点都表现地淋漓尽致。

二、皮影建模和光照模型



考虑到皮影戏首先是一门集雕刻与绘画为一体的造型艺术,我们首先要解决就是建模的难题。由于皮影的雕刻工艺融合了中国传统民间剪纸以及年画的诸多特征,轮廓造型简练生动,纹样装饰夸张复杂,雕刻工艺精巧细腻,这就要求我们在建模过程中在把握住人物整体的前提下,尽可能的细腻精致。在这里,我们使用了用贝齐尔样条曲线分段逼近的方法来构造影人的外形,这样做不仅可以真实再现其复杂的轮廓,也可以反复调整控制点位置和曲率,从而使曲线尽可能光滑。同时需要对色彩的色相、纯度及明度进行大量的比较和试验,使效果尽量接近后背光照射下的影子效果。

在皮影戏中,最具特色的莫过于它的光照模型了。而在计算机领域,不同光照模型的建立也是多年来人们在真实感模型建立中最为关注的话题。为寻找到一种最能表现皮影戏背投影效果的模型,我们阅读了大量的论文及文献资料,最终选择了顶点追踪算法作为我们的基础模型,再根据实际情况对进行修改和优化。我们注意到人物活动过程当中,影人并不总是平行于投影面,因此光线在粗糙边缘的散射程度会略有差异,从而给投影造成不同程度的模糊,此时即使是相同的颜色也会因衰减度的不同呈现出微妙的差别,而材质的半透明性更为这些效果的制造增加了难度。这些特点都在我们的算法中得到了充分的体现,从而能将瑰丽古朴的色彩,光洁透明的皮影质感和戏台上光影的空间感在阴影中表现出来。

三、皮影数字动画



当然,作为一门表演艺术,如何用计算机传递皮影戏中的动感也是很重要的。为了表现皮影运动的特点,我们在建模的过程当中就将整个影人分成了十一个部分来构建,在通过设置在关节处的隐藏点来对齐整个模型。在计算机中,平面的动画无非是通过平移,旋转,切变等矩阵来表现,而不会产生变形的皮影显然满足刚体的运动定理。因此,我们就需要建立一个平面牵连运动的刚体力学模型来模拟皮影人物的动作。由于在表演时,一个皮影人物通常只用三根耍杆来控制,因此人物的动作可以说是受到了很大的限制(比如说影人的腿部),但在计算机动画中就可以不受这样的限制,做到更加灵活,更加有动感。

上面提到的都是视觉效果方面的实现问题,而对于一部真正有感染力的动画来说,音乐及剧情正是其中的灵魂所在。我们选择了中国传统爱情故事《梁山伯与祝英台》作为我们动画的主题。制作过程中,我们应用现代多媒体技术,通过剪辑,合成,将经典《梁祝》小提琴协奏曲与越剧中的唱腔巧妙的结合在一起,力求用皮影戏这种传统的表现方式,将一个凄美的爱情故事展现在世界各国观众眼前。

当然,制作一部皮影戏动画并不是我们最终的目的。我们希望最终能将数字化的皮影戏平台化,也就是说,我们希望能提供一种工具,让使用者能通过选择我们在库中所提供的人物形象及基本动作,配上喜欢的音乐及剧情,来制作属于自己的皮影戏。这样不仅能使所有现有的皮影剧目重见天日,更能在皮影戏中加入各种各样的现代元素,使它真正能符合时代的需要。同时,也希望我们的研究能给中国传统艺术和现代科技注入新鲜的血液,进而推动其发展。

 

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