幕影千年——皮影艺术互动体验装置创作说明
李泊宁、肖文博、江思远、杨宇豪
宜昌市第一中学、芜湖市城南实验中学
2026 年 7 月
| 项目信息 | 内容 |
|---|---|
| 作品类别 | 创意智造（开源硬件与物联网应用） |
| 核心平台 | 行空板 M10 + Arduino + 二哈AI 摄像头 |
| 通信架构 | Wi-Fi 热点 + SIoT（MQTT）三端物联 |
| 文档版本 | V2.0（比赛提交版） |
1 项目背景与意义
1.1 皮影戏的历史地位与当下困境
幕影千年——一盏油灯，一块素布，几根竹丝操纵的皮影人偶，在艺人双手翻飞腾挪间演绎千年故事。皮影戏被誉为"世界上最早的电影"，承载着中华民族深厚的文化记忆。然而当霓虹灯取代油灯的微光，短视频抢占大众目光，皮影戏的舞台日渐冷清。镂刻精湛刀法的人偶，口口相传的唱腔技法，正面临传承困境。作为当代青少年，我们……
1.2 为什么用科技赋能非遗
非物质文化遗产的传承面临着受众老龄化、传播渠道单一、表现形式固化等挑战。我们团队认为，科技赋能不是取代传统，而是为传统艺术插上新的翅膀。通过 AI 图像识别、多关节协同控制、数字孪生等技术，我们让皮影人偶"活"起来，让观众从被动的观看者变为主动的参与者，让皮影戏在数字时代找到新的表达方式和受众群体。
1.3 项目目标
本项目旨在创作一个能表演的立体皮影人物装置，实现多关节协同仿真人偶动作（头部转动、手臂挥舞、身体俯仰组合运动），并融合声光电表演、AI 互动识别、在线动作更新、远程控制等现代科技功能，打造一座连接传统与现代的"科技皮影剧场"。
2 系统总体设计
2.1 电路连接设计
系统采用"A 端感知决策 + B 端执行控制"双端协同架构：
- A 端：行空板 M10 为主控芯片，外接二哈 AI 摄像头（图像识别）、LED 灯光模组、物理按键等传感器，负责观众互动感知与 AI 推理决策
- B 端：Arduino 为舵机控制核心，操控 3D 打印的皮影人偶多关节动作
A、B 两端通过 M10 自建 Wi-Fi 热点与 SIoT（MQTT）协议实现高速通信，同时支持手机/电脑通过浏览器接入 Web 控制界面进行远程操作。
2.2 结构设计
使用 Blender 实现皮影人物的三维建模，将传统皮影的二维镂空造型转化为三维立体结构。人偶各关节（头部、肩部、肘部、腕部、腰部）独立建模，采用 PLA 线材 3D 打印成型，人工组装后通过销钉连接关节。结构设计兼顾传统皮影的美学特征与舵机驱动的机械性能需求。
2.3 实物连接
行空板 M10 通过排针/杜邦线连接二哈 AI 摄像头（UART 接口）、LED 灯带与按键模块；Arduino 通过 I/O 口连接多个 SG90 舵机；M10 与 Arduino 之间通过串口通信，同时 M10 自建 Wi-Fi 热点供手机/电脑连接访问。
2.4 信息流动
观众互动 → AI 识别 → 行空板处理 → 舵机/音效/灯光响应 → 数据回传
观众通过手势或特定标识物与装置互动，二哈 AI 摄像头捕捉并识别后传至 M10 进行决策，M10 通过 MQTT/串口向 Arduino 发送动作指令，同时控制灯光音效联动。互动数据回传至 M10 进行统计分析。
目前系统设置了两类皮影戏剧目：湖北云梦皮影戏（以楚剧唱腔为特色的湖北传统皮影流派）和安徽马派皮影戏（以皖南民间艺术为基础的马氏皮影流派）。每种类别的观看人次、互动频次等数据均记录并通过 QuickForm 数据大屏可视化展示。
3 技术应用
3.1 M10 模块实现远端控制
行空板 M10 作为系统中枢，运行 Flask Web 服务，自建 Wi-Fi 热点。用户通过手机或电脑浏览器访问 M10 的 Web 页面，即可远程控制皮影人偶动作、切换剧目、调节灯光音效，实现智能终端的远程交互。
3.2 二哈AI 图像识别
二哈 AI 摄像头实现观众互动感知：通过训练识别特定手势或标识物，观众可以用动作直接控制皮影人偶。例如，挥手让人偶跳舞，抬手让人偶抬头，实现个性化的互动体验。AI 识别结果实时传输至 M10 解析处理。
3.3 Arduino 实现人偶控制
Arduino 接收 M10 下发的动作指令，驱动多路舵机（头部、双臂、腰部）协同运动。通过鱼线连接舵机与人偶关节，配合橡皮筋回弹，实现全身对角联动效果——左右交替摆动形成行走/舞蹈动态，模拟真人表演的韵律感。
3.4 QuickForm 数据统计与数据大屏
M10 端记录所有互动数据（剧目选择、互动次数、观看人次、时间段分布等），通过 QuickForm 数据平台进行统计分析，并以数据大屏形式实时展示。数据大屏直观呈现湖北云梦皮影戏与安徽马派皮影戏的观看人次对比、互动热度趋势、观众参与时段分布等核心指标。观众可扫码查看互动记录，团队亦可据此分析不同剧目的受欢迎程度，为内容迭代提供数据支撑，实现"数据驱动创作"的理念。
3.5 虚幻引擎数字孪生（最大亮点）
利用 Unreal Engine 构建皮影戏表演的数字孪生场景，这是本项目最大的技术创新亮点。在虚拟空间中复现实体装置的结构与动作逻辑，实现虚实结合的效果——实体人偶动作实时映射到虚拟角色，虚拟场景中的特效反馈到实体灯光装置。数字孪生技术不仅拓展了传统皮影的视觉表现力，更让皮影艺术在元宇宙时代找到了全新的表达维度。观众可以通过屏幕同时看到实体人偶表演和虚拟世界中的数字分身，获得沉浸式的观演体验。
3.6 四端互联通信架构
系统通过 SIoT（MQTT）实现行空板 M10 + Arduino + 智能终端（手机/电脑）的 ABC 四端互联。M10 运行 MQTT Broker，Arduino 通过 MQTT 模块订阅动作主题，智能终端通过本地部署的 MQTT（SIoT）发布控制指令。四端协同形成完整的互动闭环。
4 功能实践中的团队合作
4.1 协作过程记录
项目按"3D 建模 → 激光切割 → 拼装上色 → 编程联调"四阶段顺序推进：
- 3D 建模：肖文博负责 Blender 建模，完成皮影人偶各关节独立建模与装配验证，导出 STL 文件
- 激光切割与 3D 打印：使用 PLA 线材打印人偶部件，团队协作完成切片参数调优与打印监控
- 拼装上色：杨宇豪主导零件打磨、销钉装配、色彩涂装，还原传统皮影的色彩风格
- 编程联调：李泊宁完成 M10 端、Arduino 代码开发及硬件组装，江思远搭建虚幻引擎数字孪生场景，全员协作进行系统联调测试
4.2 拼装与驱动方案
关节连接采用 PLA 线材制作，实现可活动的关节结构。驱动方案采用"双舵机 + 鱼线 + 橡皮筋"的组合：两个舵机分别连接鱼线牵引人偶左右手臂，配合橡皮筋的自然回弹力，形成对角联动——左臂前摆时右臂后摆，交替摆动模拟行走的动态效果。该方案以最少舵机实现了最丰富的动作表达，舞台采用 PVC 板手工裁切，展现传统皮影戏台的意境。
4.3 问题解决记录
实践中遇到的主要技术难题是舵机数量不足。受限于比赛规则要求，可用舵机通道有限，而人偶需要控制头部、双臂、腰部等多个关节。对此采用对角联动机制，即通过一个舵机同时驱动一对对角关节（如左臂 + 右腿），用机械结构实现动作耦合，在舵机数量受限的情况下最大化了人偶的表现力。同时，利用鱼线 + 橡皮筋的弹性回弹系统，补偿了舵机扭矩不足与机械回程的问题。
5 参与全国师生数字素养提升实践活动的感想与未来展望
5.1 个人与团队成长
通过本次项目实践，团队每位成员在各自领域取得了显著成长：
- 软件编程：深入掌握 Python 多线程调度、MQTT 物联协议与 Arduino 底层控制编程
- 结构设计：从三维建模到 3D 打印的全流程实践，理解数字制造的精髓
- 数据分析：通过 QuickForm 数据统计与数据大屏的搭建，学会用数据指导内容迭代
- 跨学科协作：建模、编程、美术、文档四大板块的分工协作提升团队的系统工程思维
5.2 项目反思
从活动反馈中我们认识到项目仍有提升空间：
- AI 识别的精度在复杂光线环境下尚有波动，需要在数据增强和模型优化上继续投入
- 剧目内容目前仅涵盖两种皮影流派，文化内容库需要持续扩充
- 交互流畅度仍有优化空间，从 AI 识别到舵机响应的端到端延迟需进一步降低
- 数据大屏的交互维度可进一步丰富，引入用户画像分析等高级功能
5.3 未来发展方向
面向未来，我们将从以下方向持续完善：
- 丰富剧目库与 3D 角色库：在虚拟现实技术实践中，扩展更多地域皮影流派，建立多样化的皮影角色模型库，辅以先进 AI 技术，让更多人了解和喜爱自己家乡的皮影艺术
- 优化 AI 识别精度与交互流畅度：通过改进识别算法，优化模型选择等技术提升识别速度与精度，让互动更加自然流畅
- 探索更多落地场景：将装置推广至博物馆、文化馆、学校美育课堂等场景，让科技真正成为传统艺术的朋友
- 深化数据应用：完善 QuickForm 数据统计体系，引入更多维度、更长时空跨度的数据分析，为内容创作、文化传承与保护提供更精准的数据参考
科技不是传统的对立面，而是让传统焕发新生的桥梁。
幕影千年，光影不息。