虛擬空間視角下透視規律的再認識

王樹義

摘 要：透視作為繪畫造型訓練的基礎概念，一直是視覺藝術類學科首先需要掌握的基本知識。傳統透視教學理論體系復雜、透視術語繁多、透視類型歸類牽強、缺乏形象直觀的教學手段，成為教師們公認的教學難點。在虛擬空間視角下對傳統線性透視規律進行再認識，對約定俗成的透視類型進行辨析。以期構建科學系統的三維空間觀念，更加全面地理解透視規律，提出運用數字軟件的透視匹配功能校正寫生透視的指導方法，從而改變傳統透視教學的被動局面。

關鍵詞：虛擬空間;透視規律;透視類型辨析

透視學是研究人類視覺規律的一門科學，可分為線性透視、隱沒透視和色彩透視。狹義的透視學（線性透視）是西方文藝復興時期的產物。對透視學的系統研究可以追溯到歐洲文藝復興時期，建筑家布魯涅尼斯奇和畫家佛蘭切斯卡的相關論述，后由柯爾比在1754年和福尼爾在1761年著文闡明的《論線透視》逐步確立。

線性透視以固定觀察者為視點，在能夠辨識清楚的60度的最佳視域內，描繪、觀察物體視覺形變的過程，依據單眼的中心投影原理，又稱為焦點透視。在視點和被觀察物之間假想一個透明平面，連接視點與被觀察物輪廓邊緣的視線被透明平面截取，這樣得到的圖像就是一般意義的線性透視圖?？此剖且环N描摹行為，卻蘊含著視覺生理學、光學、幾何學等眾多學科知識。

作為繪畫和設計專業的技法理論課，透視學已成為專業必修課程。經過專家和學者的不斷總結已經形成相對完備的教學體系。通過教學我們發現，傳統的透視教學體系的專業術語過于繁雜，僅介紹透視原理和作圖方法的術語就多達二十幾個。雖配合解析圖示，但學生的空間想象力有限，難以形成清晰完整的感性認知。在教學中缺乏直觀形象的教學手段，難以促成學生思維與教學進度的同步，短時間內不易理解消化，自然產生畏難情緒。因此以上都成為不易突破的教學難點，嚴重影響了教學效率。

隨著現代科技的不斷發展，數字技術已經覆蓋到我們生活的各個領域。其中計算機圖形學技術已非常輕松地實現了虛擬現實的三維空間建造，進一步改變了我們的時空觀念，在設計制造、虛擬現實、影視動畫方面都得到了廣泛應用。

比較著名的軟件有3ds max、Maya、Sketch Up等，前兩者更傾向于三維動畫的渲染和制作。筆者認為Sketch Up是一款用于創建、共享和展示3D模型的軟件，界面清新簡潔、功能豐富、操作簡便，被形象地稱為“草圖大師”。因具有獨特的空間地理信息功能，更適合對現實空間的模擬和映射。

本文將以該軟件為工具，實現直觀動態地觀察形體在虛擬空間里的透視現象。通過人機交互操作，創設沉浸式教學情境，還原視覺對空間的觀察過程。改變傳統教學抽象被動、枯燥乏味的局面，為理解透視原理及規律打開一個新的視窗。

一、虛擬空間對三維屬性的解析

眾所周知，我們生存的世界具有三維屬性，不論空間還是實體都具有高、寬、深的三個向度的度量關系。在幾何學里可以用互相垂直的X、Y、Z坐標軸來描述三維屬性。為方便研究，一般都以直角平面六面體（立方體）作為觀察目標。因其具備三維屬性的最基本特點，是被廣泛認可的研究透視規律最簡潔概括的形體。

幾何學里三維坐標的設定是解密空間關系的“鑰匙”。在Sketch Up的空間界面里，我們會直觀的了解立方體與空間坐標軸的關系。立方體的三維特征就是有三個互為垂直的表面與X、Y、Z軸保持對應關系，代表著空間的不同方向，也是揭示三維屬性的邏輯起點（如圖1）。

現實中立方體的實體屬性很難觀察到其內部構造，只憑空間想象具有不確定性，這也是困擾我們認識復雜形體結構的難題。過去都是通過透明教具輔助完成這一教學步驟，為教學準備帶來很多麻煩。Sketch Up軟件的形體顯示功能可以輕松地實現實體和線框模式的切換，不僅便于對空間結構的理解，也能加強學生空間想象力的培養。

實體與空間的相互轉換關系，可以通過放大形體和推進視點實現演變。這說明立方體與房間內部只是形體內部與外部的不同形態而已，因視點位置的不同而改變視覺印象，固有的三維屬性不會因為觀察視角變化而改變。由此建立的三維空間邏輯觀念，會為進一步探討形體在空間中的透視變化創建直觀的參照體系。

二、虛擬空間對透視關系的映射

虛擬空間為描述形體的空間狀態提供了多種視圖。依據平行投影原理，沿三個軸向觀察，會形成不同緯度方向的二維視圖，如頂視圖、底視圖、左視圖、右視圖、前視圖、后視圖。視點定位空間任何位置，都會形成基于焦點投影原理的三維透視圖，能很好地展現空間立體關系，符合人類視覺習慣，也為觀察現實空間的形體透視現象提供了可描述的參照系統。

依據透視圖形成的定義，虛擬空間中觀察的視點可用相機來模擬，設定相機參數，使其符合視覺感受的正常視域。觀察時，假想的透明畫面與顯示屏幕的視窗相對應。Sketch Up初始界面即有地面與天空，無障礙地呈現地平線位置，比現實空間更能簡潔明了地闡釋視平線的概念。坐標軸X、Y表達水平方向的兩個維度，調整觀察角度使X、Y軸正對坐標原點就會找到與地平線相交的心點，連接心點的縱深軸向線即成為視中線，立方體各個維度上的邊線都可以加注延長輔助射線。這些隨形體狀態而跟隨的輔助線完美地契合了我們只能通過想象才能存在的透視線。無需更多的術語解釋就能明白這些基本概念。原本我們對透視原理的情境描述在虛擬空間中得到直觀映射（如圖2）。

通過控制視點觀察角度，立方體加注的延長射線會向軸向縱深匯聚成消失點。在X、Y水平軸向之間，消失點從一個到兩個之間切換，如果視角再按Z軸上下調整，第三個消失點也會出現?；谔摂M空間為我們提供的“導航”，不難發現一點透視、兩點透視和三點透視現象的存在，分別對應平行透視、成角透視和傾斜透視?，F實中通過圖片和實例說明的透視類型，通過簡單互動就能直觀呈現出來。

三、虛擬空間對透視類型的辨析

依據平行透視的定義，在虛擬空間中創建正對心點和分置于視平線、視中線上下及左右不同位置的立方體。視域內只有一個消失點。透視線都向心點匯聚，與畫面平行的面應保持形狀不變。但當我們推進視點觀察，離視中心越遠的立方體越不符合我們的視覺感受。類似照相偏離鏡頭中心景物的畸變。由于人眼最佳視域的局限，很少會用視線余光注視物體。事實上，遠離視中心立方體已經與視點不再正對，前立面產生了縱深關系?？梢?，與畫面平行的形狀保持不變是個假命題，遠一點透視不再成立（如圖3）。

成角透視則應是立方體沒有與畫面平行的面，而是構成一定角度。凡是與畫面既不平行又不垂直的水平直線，都消失于視平線上兩個縱深維度的消失點上。立方體垂直方向不應產生形變。實際上，視線稍微脫離視平線向上觀察，就會發現垂直方向已經發生近大遠小的變化，第三維度的消失點已經產生（如圖4）。

實際上畫面只是假想出來用于描述視覺印象的二維載體，是空間觀察留下的影像。從嚴格意義上來講，形體的三維屬性是客觀恒定的，從視點出發觀察到的三維形體，不同部位不會存在平行關系，只有距離遠近的差別，近大遠小是永恒的主題。脫離畫面的羈絆，我們可以把思路回到對空間和立體三維屬性的把握上來。當視點與物體任何維度產生縱深關系時，這一維度上，因近大遠小而形成的消失點就會產生（如圖5）。

了解攝影的人都知道，照相機拍攝的圖像，只能符合三點透視關系。三點透視是完整表現物體立體感的客觀影像。一點、兩點透視，實際上是對特定視角空間方位的解析，體現了理想狀態下的近似，具有一定的局限性，是人們方便理解透視現象的簡單歸類。但概括簡化的認識方法，并不嚴謹，不能陷入既定概念的窠臼，掩蓋視覺觀察的真實感受。只有理解視點與物體三維屬性的空間關系，才能客觀完整地把握透視現象的真實規律，從而在繪畫造型中靈活運用。

四、透視匹配功能對寫生透視的校正

對透視規律的真正理解并不代表能夠馬上畫出正確的透視關系，反復練習是走向成功的唯一捷徑。有沒有直觀的輔助辦法幫助我們對寫生的透視錯誤進行校正、檢查，從而提高學習效率呢？Sketch Up的透視匹配功能為我們提供了可參照的方法。

為了能夠使軟件識別寫生作品，會先對作品掃描或拍照，形成電子文件。然后打開Sketch Up，通過照片匹配功能導入繪制的寫生作品，進入三維虛擬空間界面，此時出現三維透視編輯器用以匹配導入的三維作品。

以立方體為例（如圖6），通過調整控制器的坐標軸擬合作品的空間位置。使垂直坐標軸線與立方體最前垂直邊線吻合，通過水平方向的兩個坐標軸控制把柄，調整角度與立方體左右的透視邊線產生對應關系。實際上基于寫生作品的三維空間坐標系統已經建立。如果繪畫作品透視角度不正確，會直觀地發現作品與空間坐標系的偏差。為了更全面地檢驗立方體存在的透視問題，在擬合的立方體坐標原點位置創建等比例的立方體。符合透視關系的參照立體得以再生，通過線框顯示模式可以非常清楚地查看到與寫生作品的邊線差別。這一方法對于辨別作品是否存在透視問題，非常直觀有效。這為練習中進行自主檢查、糾正問題提供了強大的輔助工具。

五、結語

每一次科學發現和技術進步都增進了對事物本質的認識，并得以使用先進的手段提升藝術表現力。誕生于14世紀的文藝復興和科學文化運動，為繪畫的科學觀察和表現開啟了新的時代。攝影技術源于人眼成像原理，為客觀記錄視覺印象提供了新的手段，豐富了我們生活的圖像世界。以數字技術為核心的虛擬現實技術（VR）徹底顛覆了我們的視覺經驗，同時為我們認識視覺規律增添了更為便利的方法！

基于虛擬空間視角下透視規律的認識不僅可以改進傳統教學，更能幫助我們形成科學完整的空間概念，主動有效地把握透視規律，為美術和設計創作奠定了更為堅實的基礎！

參考文獻：

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作者簡介：王樹義，唐山幼兒師范高等專科學校副教授。