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ASTERXOR / 探索新知

平行线看起来相遇的地方

透视保留直线,却改变尺度。交会点属于一个方向,不是一个目的地。

世界间距恒定,在归一化针孔投影里却逐渐收窄。
世界间距恒定,在归一化针孔投影里却逐渐收窄。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

铁轨明明不会相交,为什么看起来会在远方碰面?

平面图像必须把三维排列压缩成两个坐标。在针孔模型里,物体沿观察方向越远,占据的图像空间越小。因此,世界中间距恒定的平行线,可以在画面里趋近同一点。看似相遇,是投影的结果。

消失点,是一个方向在图像中的位置。
THE IDEA

先除以距离

把理想相机放在原点,朝深度轴方向看。在归一化的虚拟成像平面上,一个点的横坐标是X除以Z,纵坐标是Y除以Z。焦距因子会同时缩放两者,这里取一,方便阅读几何关系。

虚拟平面位于相机前方,表示正立图像。实体针孔在后方形成倒像,但按通常坐标约定处理后,透视比例相同。本文讨论这些比例,而不模拟真实镜头、传感器或相机组件。

世界间距恒定,在归一化针孔投影里却逐渐收窄。
FIG 01世界间距恒定,在归一化针孔投影里却逐渐收窄。
THE MODEL

两条轨道仍保持真实间距

合成轨道的世界横坐标分别是−1和+1,竖直坐标恒为−1,深度向远处增加。深度为一时,图像间距是二;深度为二、四、八时,间距分别是一、二分之一和四分之一。

轨道本身从未变窄,改变的只是投影间距。在选定深度放置的横杆也因同样原因缩小。图像看起来像熟悉的走廊或轨道,但每条线都来自明确坐标,没有测量照片或估计真实距离。

THE RESULT

交会在有限距离之外

深度增加时,轨道的投影坐标趋近零,但在任何有限深度都不会真正到达零。这个共同极限就是消失点。延长画面上的线,很容易看出收敛关系,虽然物理世界中的平行线没有共同终点。

绘图时,这个区别很重要。消失点帮助组织一组方向,不是摆在路尽头的物体,也不能证明真实道路笔直。曲线、坡度和镜头畸变,都可能让真实场景的解读复杂起来。

固定世界宽度下,深度加倍,投影宽度减半。
FIG 02固定世界宽度下,深度加倍,投影宽度减半。
THE TRADE-OFF

方向变了,点也会移动

第二个构造让轨道在远去时横向偏移:X等于起始偏移加上斜率乘以Z。除以Z,得到斜率加上不断缩小的偏移项。因此,在归一化图像里,消失点的横坐标等于这个斜率。

图中使用−0.4、零和+0.4,产生三个不同消失点。每一对线在各自的世界方向上仍然平行。只有共享方向的平行线才共享消失点,房间可以包含多组。与成像平面平行的线,则可能在图像中仍平行,而不汇向有限点。

三个世界方向,分别趋近三个不同的水平消失坐标。
FIG 03三个世界方向,分别趋近三个不同的水平消失坐标。
IN PRACTICE

地平线汇集了一组方向

对于水平地面,它的无穷远方向投影到一条线上,这就是它的地平线。相机俯仰会移动这条线,转动相机也会改变方向的投影。消失点不必位于画面中心,甚至不必在裁切范围内。

建筑绘画常按主要边线方向与视角的关系,区分一点、两点或三点透视。这些是有用的构图方式,不是说物体只能拥有这么多个消失方向。任意方向都可能有自己的极限。

LOOK AGAIN

把收敛当线索,而非定论

透视能帮助对齐绘制的地板、放置重复物体,或发现插画中不一致的几何。但照片若有曲面、广角畸变或倾斜地面,它就不那么具有决定性。合理的收敛关系本身,不能唯一确定一个三维场景。

简单比例仍提供一种可靠的阅读习惯:分清世界中保持不变的东西,与投影中缩小的东西。轨道间距不变,图像间距会变。明白这点之后,看似相遇就不再是视觉悖论,而成为相机视点的简洁记录。

留一个想法带走

轨道没有相遇。只是它们的方向,在画面上有了一个地址。