CN103065357B - 基于普通三维模型的皮影模型制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于普通三维模型的皮影模型制作方法，以普通的三维模型为输入素材，采用模型切割（网格分割）、三维模型部件二维化、皮影部件二次编辑、皮影部件模型生成以及皮影模型部件组装等技术来制作皮影模型，本发明能够有效的将普通的三维模型风格化为具有传统皮影审美特点的皮影模型。当前的三维皮影模型制作只能利用3D MAX等专业建模工具从头开始一步一步制作，不仅费时而且对制作人员的专业要求较高，而本方法从非真实感绘制的角度，将已存在的普通模型风格化，并提供了交互式操作，制作流程简单，皮影模型形象生动逼真，降低了对制作人员的专业要求，同时素材来源广泛，拓宽了该方案的应用范围。

Description

基于普通三维模型的皮影模型制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于普通三维模型的皮影模型制作方法。

背景技术

皮影精雕细琢，它的制作具有极高的难度。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。而数字化的皮影却能克服上述种种的局限性。然而在现有的非真实感绘制技术中，没有针对传统皮影的非真实感绘制的相关研究。目前国内对于皮影方面的研究也主要停留在皮影的艺术价值研究、制作特色研究等，对于皮影数字化方面的研究几乎没有。

发明内容

鉴于上述不足之处，本发明的目的在于提供一种基于普通三维模型的皮影模型制作方法，该方法能够在普通PC机上，利用普通的三维模型作为素材，经过模型切割模块、二维化模块、二次编辑模块和模型生成模块的处理，生成具有中国传统风格的皮影模型。

为了在普通PC机上实现的皮影的数字化，体现传统皮影的花纹精美、色彩饱满艳丽、线条清晰等风格特征，本发明采用了以下技术方案：

（1）以普通的三维模型为输入素材；采用网格分割、二次编辑的方式，从模型的外形和纹理两个方面对输入的三维模型进行风格化处理，以模拟传统皮影在造型和色彩方面的艺术特征；对模型网格进行切割采用基于平面的模型剖切方法，根据剖切平面的位置和法线信息，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况采取不同的处理策略，并更新网格的拓扑信息，从而反映出传统皮影角色由多个具有视觉意义的组件所组成的特征；

（2）采用了矢量化纹样绘制、颜色混合、多次双边滤波、颜色区域划分方式，对皮影模型进行细部的风格化；

（3）采用渲染到纹理的方法对模型进行平面化，再根据平面化的信息进行边缘查找、多边形的三角划分等处理，最后生成有一个厚度的皮影模型；

其皮影模型制作方法具体为：

Ⅰ、三维模型的分割：

a导入一个三维模型素材模型M，用户通过选择方向参数在计算机屏幕上绘制一个平面，并用鼠标控制平面的旋转和平移，最终确定一个剖切平面；

b采用基于平面的三角网格剖分方法对模型进行分割，根据步骤a所确定的剖切平面的位置和法线信息，以该模型M的三角形面片总数为循环条件，遍历模型所有的三角形面片，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况，进行不同的插入新的点、插入新的面片、更新纹理坐标操作，并更新网格的拓扑信息，处理完成后，模型以平面为界，被拆分为两个部分；

c反复进行步骤a和b，直到三维模型素材M被分割成为具有视觉意义的M1，M2，…,Mi，…,Mn三维模型部件，n=模型被划分的子模型总数，1<=i<=n；

Ⅱ、三维模型部件的二维化：

将各个三维模型部件M1,M2,…分别以用户指定的面向进行渲染，将模型面向用户的一面渲染成为可以进行二次编辑的二维图像P1,P2,…，并计算出皮影模型的初步平面网格数据L1,L2,…, 具体为：

a用鼠标设置摄像机的位置、朝向，使其对准一个模型部件Mi的侧面，采用渲染到纹理技术RTT在此状态下渲染一帧，然后将渲染结果写入内存成为一张可以进行二次编辑的二维图像Pi；

b对二维图像Pi进行边缘查找，找到所有的边缘像素，并计算它们在二维图像中的顶点坐标以及对应的纹理坐标；

c根据上下左右的位置关系，将边缘像素以邻接链表形式组织为带权值的无向图，其中，从右上角开始顺时针方向，权值依次减小；

d对图进行深度优先遍历，先遍历权值较大的弧连接的结点，得到的遍历序列即为边缘多边形的顶点序列；

e采用递归割耳算法对多边形进行三角形剖分，计算出皮影模型的平面网格数据Li；

f反复进行步骤a-e，直到所有子模型部件M1，M2，…都处理完毕；

Ⅲ、皮影部件二次编辑

对模型部件二维化后生成的二维图像P1，P2，…进行二次编辑，有以下几种编辑方法：

a纹样绘制:

①采用GDI+技术，通过与用户的交互在二维化形成的图片上绘制纹样，以模拟在传统皮影上的精美繁复的花纹；

②采用GDI+中的画刷，对所绘制的图形进行填充；

    ③采用GDI+中区域的操作，根据定义好的第一个图形，使后续选择的图形与第一个做intersect和union操作，实现图形的交集或者并集；

b皮质效果：

根据提供的皮质纹理，将皮质纹理每个像素的RGB值与二维化图片每个像素的RGB值按用户指定的混合参数进行混合，混合后的RGB值作为新的像素数据；

c传统色调：

将二维图片的像素数据从RGB颜色空间转换到HSL颜色空间，根据用户给定的5个色调值H1、H2、H3、H4、H5，将每个像素的色调值H的线性调整到H1-H5中和它邻近的一个色调值上，调整完成后再将像素数据从HSL颜色空间转换回RGB颜色空间；

d水彩化：

根据色彩参数和空间参数，对二维图片进行多次双边滤波；

Ⅳ、皮影模型部件生成：

根据步骤Ⅱ生成的皮影模型的初步网格数据L1，L2,…，将完成二次编辑的部件生成具有指定厚度的皮影部件三维模型R1，R2,…，具体为：

a复制步骤Ⅱ生成的皮影模型的初步网格数据Li，并根据指定的模型厚度N修改每个顶点的Z坐标，至此得到两片皮影模型的平面网格数据，它们对应顶点的X、Y坐标一致，Z坐标相差N；

b 将两片皮影模型的平面网格数据的对应边缘顶点以三角形面片的形式连接起来，并更新网格的拓扑信息，使得平面的网格数据变为具有一定厚度的模型网格，皮影模型初步生成；

c设置皮影模型的纹理坐标、顶点颜色信息，并将经过二次编辑的二维图像Pi映射到网格模型上，皮影部件三维模型Ri生成；

d反复进行步骤a-c，直到所有的皮影模型部件R1，R2，…全部生成；

Ⅴ、皮影模型组装：

a用鼠标调整各个皮影模型部件R1，R2，…的大小，方向，坐标，将它们放在合适的位置；

b以其中一个皮影模型部件为基准，分别计算其他皮影模型部件相对于该模型的变换矩阵，并根据变换矩阵重新计算这些皮影模型部件中的顶点坐标，从而使得所有的皮影模型部件位于同一坐标系下；

c将所有皮影模型部件的网格数据存放在一个模型网格中，生成一个完整的皮影角色模型并导出以文件形式保存。

本发明的有益效果在于：

（1）该方法的输入素材是普通的三维模型，素材来源相当广泛。传统皮影戏中所需要的人物角色、动物角色、场景道具以及各种建筑物模型都能通过该方法生成。

（2）该方法采用网格分割、二次编辑的方式，从模型的外形和纹理两个方面对输入的三维模型进行风格化处理，以模拟传统皮影在造型和色彩方面的艺术特征。

（2）该方法对模型网格进行了切割，采用基于平面的模型剖切方法，根据剖切平面的位置和法线信息，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况采取不同的处理策略，并更新网格的拓扑信息，从而反映传统皮影角色由头部、上身、下身、两腿、两上臂、两下臂和两手共十一件组成的特征。

（3）该方法采用了矢量化的而非图像化的纹样绘制方式，在矢量化纹样的基础上用户可以实现对不同纹样单元进行组合，从而绘制出更富有变化的纹样。

（4）该方法采用了纹样绘制、颜色混合、多次双边滤波、颜色区域划分等方式，对皮影模型进行细部的风格化，从而使皮影模型更接近于传统皮影的审美特征。

（5）该方法可以自动生成皮影模型，用户只需根据步骤进行一些简单的鼠标操作，不会涉及到三角形面片级别的处理，易用使用。先采用渲染到纹理的方法对模型进行平面化，再根据平面化的信息进行边缘查找、多边形的三角划分等处理，最后生成有一个厚度的皮影模型。

（6）该方案能够有效的将普通的三维模型风格化为具有传统皮影审美特点的皮影模型。当前的三维皮影模型制作只能利用3D MAX等专业建模工具从头开始一步一步制作，不仅费时而且对制作人员的专业要求较高，而本方法从非真实感绘制的角度，将已存在的普通模型风格化，并提供了交互式操作，制作流程简单，皮影模型形象生动逼真，降低了对制作人员的专业要求，同时素材来源广泛，拓宽了该方案的应用范围。

附图说明

图1为本发明的皮影模型制作方法流程图。

具体实施方式

为了更生动形象的说明本发明的具体实施方式，本实施例以皮影的人物模型为例来进一步阐述本发明。

基于普通三维模型的皮影模型制作方法步骤如图1所示，以普通的三维模型为输入素材，采用模型切割（网格分割）、三维模型部件二维化、皮影部件二次编辑、皮影部件模型生成以及皮影模型部件组装等技术来制作，具体表现为：

步骤1三维模型的分割

三维模型的分割部分将原始的完整的一人物三维模型素材剖分为头部、上身、下身、两腿、两上臂、两下臂十一个部分，以反映传统皮影中的组成特征。

步骤1.1 导入一个人物三维模型素材M，用户通过选择方向参数在计算机屏幕上绘制一个平面，并用鼠标控制平面的旋转和平移，最终确定一个剖切平面；

步骤1.2 采用基于平面的三角网格剖分方法对模型进行分割。根据步骤1.1所确定的剖切平面的位置和法线信息，以该模型M的三角形面片总数为循环条件，遍历模型所有的三角形面片，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况，进行不同的操作（插入新的点、插入新的面片、更新纹理坐标等）并更新网格的拓扑信息。处理完成后，模型以平面为界，被拆分为两个部分；

步骤1.3 反复进行步骤1.1、1.2，直到模型M被分割为头部、上身、下身、两腿、两上臂、两下臂十一个部分（M1，M2，…,Mi，…,Mn，n=模型被划分的子模型总数，1<=i<=n），从而反映传统的皮影制作中一个完整的皮影人物由头部、上身、下身、两腿、两上臂、两下臂和两手共十一件组成的特征。

步骤2三维模型部件的二维化

三维模型部件的二维化将各个三维模型部件(M1,M2,…)分别以用户指定的面向进行渲染，将模型面向用户的一面渲染成为可以进行二次编辑的二维图像(P1,P2,…)，并计算出皮影模型的初步平面网格数据(L1,L2,…)。

步骤2.1 用鼠标设置摄像机的位置、朝向，使其对准一个模型部件Mi的侧面，采用渲染到纹理技术（RTT）在此状态下渲染一帧，然后将渲染结果写入内存成为一张可以进行二次编辑的二维图像Pi。

步骤2.2 对二维图像Pi进行边缘查找，找到所有的边缘像素，并计算它们在二维图像中的顶点坐标以及对应的纹理坐标。

步骤2.3 根据上下左右的位置关系，将边缘像素以邻接链表形式组织为带权值的无向图，其中，从右上角开始顺时针方向，权值依次减小。

步骤2.4 对图进行深度优先遍历，先遍历权值较大的弧连接的结点，得到的遍历序列即为边缘多边形的顶点序列。

步骤2.5 采用递归割耳算法对多边形进行三角形剖分，计算出皮影模型的平面网格数据Li。

步骤2.6 反复进行步骤2.1-2.5，直到所有子模型部件M1，M2，…都处理完毕。

步骤3皮影部件二次编辑

皮影部件二次编辑对模型部件二维化后生成的二维图像P1，P2，…进行二次编辑。它对二维图像进行再创作，使其符合传统皮影的风格。二次编辑中主要提供以下几种编辑方法：

步骤3.1 纹样绘制

采用GDI+技术，通过与用户的交互在二维化形成的图片上绘制纹样，以模拟在传统皮影上的精美繁复的花纹。参考传统制作的皮影，提炼了在皮影上经常出现的经典纹样，如月牙纹、朵花纹、锯齿纹，根据给定的参数自动计算中这些图元的形状，简化用户重复绘制同样纹样的工作，减轻创作负担。另外，用户也可以通过提供的基本图元（如直线、多边形、Bezier曲线、圆、椭圆等）绘制工具，对基本图元进行组合，绘制出用户需要的纹样。

步骤3.1.1使用Graphics对象来进行绘图操作，并将路径从Graphics对象分离，使用GraphicsPath类，然后在 GraphicsPath 路径中添加基本的图形。

步骤3.1.2 在步骤3.1.1的基础上增加包围矩形，以达到修改此图形大小、形状的目的。

步骤3.1.3 采用GDI+中的画刷（如实心画刷、网格画刷、渐变画刷、纹理画刷），对所绘制的图形进行填充。

步骤3.1.4 采用GDI+中区域的操作，根据定义好的第一个图形，使后续选择的图形与第一个做intersect和union操作，实现图形的交集或者并集。

步骤3.2 皮质效果：

根据提供的皮质纹理，将皮质纹理每个像素的RGB值与二维化图片每个像素的RGB值按用户指定的混合参数进行混合，混合后的RGB值作为新的像素数据，使二维化形成的图片具有丰富的纹路信息，从而模拟传统皮影的皮的质感。

步骤3.3 传统色调

将二维图片的像素数据从RGB颜色空间转换到HSL颜色空间，根据用户给定的5个色调值H1、H2、H3、H4、H5，将每个像素的色调值（H）的线性调整到H1-H5中和它邻近的一个色调值上，调整完成后再将像素数据从HSL颜色空间转换回RGB颜色空间。这样即满足了皮影的用色基本以红、黄、青、绿、黑为主的风格特征，又不会覆盖原本二维图片色彩的渐变、边缘等其他信息。

步骤3.4 水彩化

根据色彩参数和空间参数，对二维图片进行多次双边滤波，达到平滑图像的效果，使图片上的不同颜色之间边缘清晰分明，以符合传统皮影边、线明晰的特点。

另外，二次编辑中还提供印盖纹样、金字塔分割、高斯模糊、色相/饱和度/亮度调整等工具，用户可以根据需要选择工具进行编辑。

步骤4皮影模型部件生成

皮影模型部件生成部分，根据步骤2生成的皮影模型的初步网格数据L1，L2,…，将完成二次编辑的部件生成具有指定厚度的皮影部件三维模型R1，R2,…。

步骤4.1复制步骤2生成的皮影模型的初步网格数据Li，并根据指定的模型厚度N修改每个顶点的Z坐标，至此得到两片皮影模型的平面网格数据，它们对应顶点的X、Y坐标一致，Z坐标相差N。

步骤4.2 将两片皮影模型的平面网格数据的对应边缘顶点以三角形面片的形式连接起来，并更新网格的拓扑信息，使得平面的网格数据变为具有一定厚度的模型网格，皮影模型初步生成。

步骤4.3设置皮影模型的纹理坐标、顶点颜色等其他信息，并将经过二次编辑的二维图像Pi映射到网格模型上，皮影部件三维模型Ri生成。

步骤4.4 反复进行步骤4.1-4.3，直到所有的皮影模型部件R1，R2，…全部生成。

步骤5皮影模型组装

皮影模型组装作为皮影模型制作的最后一步，相当于传统皮影制作中的装订工序。

步骤5.1 用鼠标调整各个皮影模型部件R1，R2，…的大小，方向，坐标，将它们放在合适的位置。

步骤5.2以其中一个皮影模型部件为基准，分别计算其他皮影模型部件相对于该模型的变换矩阵，并根据变换矩阵重新计算这些皮影模型部件中的顶点坐标，从而使得所有的皮影模型部件位于同一坐标系下。

步骤5.3 将所有皮影模型部件的网格数据存放在一个模型网格中，生成一个完整的皮影角色模型并导出以文件形式保存。

Claims (1)

1.一种基于普通三维模型的皮影模型制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）以普通的三维模型为输入素材，采用网格分割、二次编辑的方式，从模型的外形和纹理两个方面对输入的三维模型进行风格化处理，以模拟传统皮影在造型和色彩方面的艺术特征；对模型网格进行切割采用基于平面的模型剖切方法，根据剖切平面的位置和法线信息，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况采取不同的处理策略，并更新网格的拓扑信息，从而反映出传统皮影角色由多个具有视觉意义的组件所组成的特征；

（2）采用了矢量化纹样绘制、颜色混合、多次双边滤波、颜色区域划分方式，对皮影模型进行细部的风格化；

（3）采用渲染到纹理的方法对模型进行平面化，再根据平面化的信息进行边缘查找、多边形的三角划分处理，最后生成皮影模型；

其皮影模型制作方法具体为：

Ⅰ、三维模型的分割：

a导入一个三维模型素材模型M，用户通过选择方向参数在计算机屏幕上绘制一个平面，并用鼠标控制平面的旋转和平移，最终确定一个剖切平面；

b采用基于平面的三角网格剖分方法对模型进行分割，根据步骤a所确定的剖切平面的位置和法线信息，以该模型M的三角形面片总数为循环条件，遍历模型所有的三角形面片，对每个面片进行相交计算，针对不同的相交情况，进行不同的插入新的点、插入新的面片、更新纹理坐标操作，并更新网格的拓扑信息，处理完成后，模型以平面为界，被拆分为两个部分；

c反复进行步骤a和b，直到三维模型素材M被分割成为具有视觉意义的M1，M2，…,Mi，…,Mn三维模型部件，n=模型被划分的子模型总数，1<=i<=n；

Ⅱ、三维模型部件的二维化：

将各个三维模型部件M1,M2,…分别以用户指定的面向进行渲染，将模型面向用户的一面渲染成为可以进行二次编辑的二维图像P1,P2,…，并计算出皮影模型的初步平面网格数据L1,L2,…, 具体为：

a用鼠标设置摄像机的位置、朝向，使其对准一个模型部件Mi的侧面，采用渲染到纹理技术RTT在此状态下渲染一帧，然后将渲染结果写入内存成为一张可以进行二次编辑的二维图像Pi；

b对二维图像Pi进行边缘查找，找到所有的边缘像素，并计算它们在二维图像中的顶点坐标以及对应的纹理坐标；

c根据上下左右的位置关系，将边缘像素以邻接链表形式组织为带权值的无向图，其中，从右上角开始顺时针方向，权值依次减小；

d对图进行深度优先遍历，先遍历权值较大的弧连接的结点，得到的遍历序列即为边缘多边形的顶点序列；

e采用递归割耳算法对多边形进行三角形剖分，计算出皮影模型的平面网格数据Li；

f反复进行步骤a-e，直到所有子模型部件M1，M2，…都处理完毕；

Ⅲ、皮影部件二次编辑

对模型部件二维化后生成的二维图像P1，P2，…进行二次编辑，有以下几种编辑方法：

a纹样绘制:

①采用GDI+技术，通过与用户的交互在二维化形成的图片上绘制纹样，以模拟在传统皮影上的精美繁复的花纹；

②采用GDI+中的画刷，对所绘制的图形进行填充；

③采用GDI+中区域的操作，根据定义好的第一个图形，使后续选择的图形与第一个做intersect和union操作，实现图形的交集或者并集；

b皮质效果：

根据提供的皮质纹理，将皮质纹理每个像素的RGB值与二维化图片每个像素的RGB值按用户指定的混合参数进行混合，混合后的RGB值作为新的像素数据；

c传统色调：

将二维图片的像素数据从RGB颜色空间转换到HSL颜色空间，根据用户给定的5个色调值H1、H2、H3、H4、H5，将每个像素的色调值H的线性调整到H1-H5中和它邻近的一个色调值上，调整完成后再将像素数据从HSL颜色空间转换回RGB颜色空间；

d水彩化：

根据色彩参数和空间参数，对二维图片进行多次双边滤波；

Ⅳ、皮影模型部件生成：

根据步骤Ⅱ生成的皮影模型的初步网格数据L1，L2,…，将完成二次编辑的部件生成具有指定厚度的皮影部件三维模型R1，R2,…，具体为：

a复制步骤Ⅱ生成的皮影模型的初步网格数据Li，并根据指定的模型厚度N修改每个顶点的Z坐标，至此得到两片皮影模型的平面网格数据，它们对应顶点的X、Y坐标一致，Z坐标相差N；

b 将两片皮影模型的平面网格数据的对应边缘顶点以三角形面片的形式连接起来，并更新网格的拓扑信息，使得平面的网格数据变为模型网格，皮影模型初步生成；

c设置皮影模型的纹理坐标、顶点颜色信息，并将经过二次编辑的二维图像Pi映射到网格模型上，皮影部件三维模型Ri生成；

d反复进行步骤a-c，直到所有的皮影模型部件R1，R2，…全部生成；

Ⅴ、皮影模型组装：

a用鼠标调整各个皮影模型部件R1，R2，…的大小，方向，坐标，将它们放在合适的位置；

b以其中一个皮影模型部件为基准，分别计算其他皮影模型部件相对于该模型的变换矩阵，并根据变换矩阵重新计算这些皮影模型部件中的顶点坐标，从而使得所有的皮影模型部件位于同一坐标系下；

c将所有皮影模型部件的网格数据存放在一个模型网格中，生成一个完整的皮影角色模型并导出以文件形式保存。