上一课画瓶子,靠的是“每个截面都是椭圆”这条规则。可桌上放一只橘子或乒乓球时,情况看着像在跟它打架:硬币立起来会变成一条细线,球却怎么转,轮廓都是同一个正圆。

这不矛盾。球身上有两个圆,一个正对眼睛,一个正对光线。前者是你看到的轮廓,后者是明暗交界线。分开看这两件事,画球该操心什么就清楚了。

轮廓:视线贴着球面擦过的那一圈

球没有真正的边。从眼睛出发向球面上各个方向画视线,其中有一批正好擦过球面而不穿进去,这些擦过的点连起来,就是你能看到的那圈边界。

视线擦过球面时,那条半径一定与视线垂直——不垂直就穿进去了。所有与视线垂直、长度等于半径的半径,它们的端点落在同一个平面上,组成一个过球心、半径等于球半径的圆,也就是 大圆(过球心的截面圆,球面上最大的圆)。

现在套第六课的公式:

短轴长轴=cos⁡(圆面法线与视线的夹角)\frac{\text{短轴}}{\text{长轴}}=\cos\bigl(\text{圆面法线与视线的夹角}\bigr)

轮廓圆的法线就是视线本身,夹角为零,余弦等于一,短轴等于长轴——不压扁。

所以球的轮廓是正圆,正圆并非规则的例外,而是公式里 cos = 1 的极端情况。硬币为什么会被压扁,也在这里说清了:它的圆固定在某一个平面上,视线一歪,法线与视线就分开了角度。

一句更直观的话:球的轮廓对应的是眼睛贴上去的那一圈点,并非球的边。 你走动,那圈贴点跟着你移动,永远正对着视线 2。

同一只球,光源换方向时交界线从近乎直线变成一段弧,轮廓始终是同样大小的圆

因此画球不必做透视修正

球不用算透视,也不必因为“它在画面边上”就把轮廓画扁。真按中心投影算,球在画面边缘时轮廓会有极轻微的椭化 3,但那远在素描要管的精度之外。

难处落在两件朴素的事上。一是球心位置:先用第二课的铅笔量比值定出直径和其他物体的高度比,再在纸上标出球心,用球心到轮廓的距离当半径。二是这个圆要严格等宽:横着量、竖着量、两条对角量下来都必须一样长,四条一样才是圆;差一点,眼睛就会读成“这球有点蔫”。

交界线:另一个大圆,但它正对的是光

第五课说过,交界线是光线贴着表面掠过的位置,即表面上正对光源的程度降为零的地方。到球上可以算得很具体:球面上法线与光线垂直的点,都落在同一个过球心、垂直于光线的平面上,它们组成的,又是一个半径等于球半径的大圆。

它和轮廓圆尺寸相同,区别只在法线:轮廓正对视线,它正对光线。所以它一般不正对眼睛,会被压扁:

交界线椭圆的 短轴长轴=cos⁡(光线与视线的夹角)\text{交界线椭圆的}\ \frac{\text{短轴}}{\text{长轴}}=\cos\bigl(\text{光线与视线的夹角}\bigr)

夹角大小决定它在纸上长什么样:

  • 光在眼睛附近:夹角近零,余弦近一,交界线几乎与轮廓重合——可见的半球刚好全被照亮,只剩边上一圈暗。
  • 光从正侧面来:夹角近 90°,余弦近零,短轴被压没了,交界线退化成一条长度等于直径的直线 1。
  • 常见的前斜上方来光:比如与视线成 45°,余弦约 0.71,是一段相当开、看得出弯的弧。

有一个不变量:压扁只缩短短轴,长轴永远等于直径,因为直径里总有与视线垂直的那个方向。既然长轴等于直径、圆心又与轮廓同心,交界线就永远 内切 于轮廓圆:从轮廓上一点进去,绕一段,从对面的点出来,两端正好搭在轮廓上。

交界线落在哪

把光在纸面上的方向想成一支箭头,比如指向右上。那么两个接点的连线与这支箭头垂直,落在左上方和右下方;弧朝箭头的反方向鼓出去,暗部就在那一侧。

光越靠正面,交界线越往外靠、越像围着轮廓的一圈;光越靠侧面,它越平直、越往球心方向靠。

亮度在哪一段变化最急

表面上分到多少光,取决于它正对光源的程度。用 s 表示某点离“最亮点”的角距离,亮度正比于 cos⁡s\cos s;变化快慢由 sin⁡s\sin s 决定,在最亮点附近接近零,越靠近交界线越接近一。

换成数字:从最亮点往外走 10°,cos⁡10∘=0.985\cos 10^\circ=0.985,只掉了约 1.5%;而紧贴交界线前的那 10°,从 cos⁡80∘=0.174\cos 80^\circ=0.174 掉到 0,掉了约 17%,是前一段的十倍以上。

这就解释了纸上的现象:亮部一大片几乎是同一个调子,肉眼分不出层次;越过交界线,深浅在很短的距离内急剧变化。所以画法要反着本能来——亮部敢留平,不塞细碎的灰;交界线一带画重,过渡带窄。 过渡拉得又长又匀,球就成一只温吞的鸡蛋。

要说清边界:纸上的深浅感受并不严格与这个数字成正比(眼睛对暗部更敏感),但“哪一段最急”不会因此改变。

画一只球,按这个顺序

  1. 在纸上标一支光向箭头,后面所有判断都靠它。
  2. 定球心与半径:比值法定直径,标出四个方向的极值点。
  3. 从肩部一笔画圆,横、竖、两条对角量下来等长。
  4. 画交界线:过球心作一条与箭头垂直的直径,两端就是接点;再按第七课的办法画椭圆——长轴等于直径,短轴按余弦定,圈外接矩形,在四边中点相切连弧。
  5. 暗部先铺一种灰压平,再只把交界线附近加深,加深的范围收窄。
  6. 查三件事:轮廓是不是正圆;两端是否落在轮廓上、连线是否垂直箭头;最暗处是否在交界线附近而不在轮廓上。

练习: 一只橘子,一盏台灯,灯放在左前方、略高于球心。先只画正圆和交界线,转纸核对:两个接点是不是落在与光垂直的两个方向上。再改用手电从正侧面照,重画一条——它应该瘪成接近直线。两遍画完,这条规则就是你自己算出来的,不必再背“球要画圆、交界线要弯”。