第05课：阴影
阴影在艺术作品中扮演着至关重要的角色——它赋予物体立体感和重量，同时也创造戏剧性和悬念。理解阴影的物理行为和心理效应，是掌握光影艺术的必修课。
阴影的两种类型
形态阴影（Form Shadow）
形态阴影是物体表面光照不到的区域。它赋予了物体深度和立体感，尤其是在侧光条件下。没有形态阴影，正面光就会使画面显得扁平。
- 形态阴影揭示纹理和形态
- 在漫射光下，形态阴影的边缘柔和渐变
- 在硬光下，形态阴影的边缘清晰锐利
投影（Cast Shadow）
投影是物体遮挡光线后投射到其他表面上的阴影——这是我们通常所说的”阴影”。
形态阴影 vs 投影的亮度差异
在地球上，由于大气漫射和周围表面的反射光，形态阴影通常比投影明亮。
原因：地面是大面积反射面，反射光强，能充分照亮形态阴影；而球体面积小，反射光少，投射阴影主要只被大气光照亮。
例外情况也存在，当有额外光源为投影提供填充光时，投影可能更亮。
环境光遮蔽（Ambient Occlusion）
环境光遮蔽模拟了漫射光环境中表面靠近时互相遮挡光线的效果：
- 表面上相互靠近的区域，环境光线更难到达，因此颜色变暗
- 在漫射光照中，这是我们读取形态的主要方式
- 一串葡萄中，内部和外部的葡萄亮度差异就是环境光遮蔽的体现
- 天花板与墙面的交汇处也会变暗，形成渐变——帮助传达空间深度
创作中的应用
无论你使用的是3D渲染还是传统绘画，在表面交汇处加深暗部都能显著增强立体感和真实感。
基础阴影（Base Shadow）
大多数物体并非完美贴合地面——底部边缘是圆形的，会留下微小的缝隙。在这些缝隙中，阴影会形成。基础阴影在漫射光下最为明显，常常是整个画面中最暗的区域。
软阴影 vs 硬阴影
决定阴影外观的最重要因素是光源的大小和距离：
| 光源特征 | 阴影类型 | 边缘特征 |
|---|---|---|
| 小光源 / 远光源 | 硬阴影 | 边缘锐利 |
| 大光源 / 近光源 | 软阴影 | 边缘柔和 |
原理
- 小或远的光源：光线近乎平行，几乎不重叠 → 阴影边缘锐利清晰
- 大或近的光源：光线大量重叠 → 阴影边缘柔和渐变
本影（Umbra）和半影（Penumbra）
- 本影：阴影中最暗的部分，完全被遮挡
- 半影：阴影边缘较浅的部分，部分被遮挡
硬阴影中：本影覆盖大部分区域，半影只在边缘极小范围 软阴影中：半影区域大，本影非常小
太阳阴影的特殊性
太阳虽然是远距离光源，但它在天空中覆盖约0.5度角，因此阴影边缘会有一定程度的柔化。阴影离物体越远，边缘越柔和。
阴影的”针孔相机”效应
树叶间隙投射到地面上的光斑实际上是太阳的影像。在日偏食时，这些光斑会变成月牙形。这种效果和相机镜头的光学模糊非常相似——不是均匀模糊，而是圆润的光斑形状。
阴影的颜色
阴影很少是纯黑色的——它们包含光线和色彩。
常见误区
灰色阴影会让画面显得死气沉沉。有颜色的阴影才能赋予画面生命力。
阴影颜色的决定因素
- 填充光（Fill Light）：通常是来自天空或墙壁的漫射光，决定了阴影的主色调
- 互补色光学错觉：Count Rumford发现，在强烈色彩的光线下，阴影会呈现出与主光互补的色调——这是一种心理错觉，通过管子单独观察阴影时就能验证
- 透明/半透明物体：
- 有色玻璃会将其颜色投射为阴影（如彩色玻璃窗）
- 次表面散射：光进入半透明表面（皮肤、大理石、牛奶、叶片）后从内部再射出，使阴影部位保持饱和度
Count Rumford效应
Count Rumford首先注意到色彩感知中的心理因素：在强烈色彩的光线下，阴影似乎带有主光的互补色。例如紫色灯罩下的阴影看起来带绿色。
阴影色彩创作建议
- 观察真实世界中阴影的颜色——通常比你以为的更有色彩
- 不要使用纯黑或纯灰表现阴影
- 在强光下，阴影颜色被压缩和同质化但依然有色彩
- 在弱光下，注重阴影中微妙的色彩层次
透视中计算投影的方法
以下是针对远距离光源（如太阳） 的阴影透视计算方法，基于一点透视，加上光源变量。
方法一：光源在画面前方
- 确定光源在画面外上方的位置
- 从光源位置向物体的各个顶点画直线（线组1）
- 从光源正下方垂直下落到地平线，得到地平线上的参考点
- 从地平线参考点经过物体底部顶点画直线（线组2）
- 线组1和线组2的交点定义了阴影的边界
方法二：光源在画面后方
- 确定阴影的消失点（基于光源方向）
- 消失点与地平线相交处，向下画垂直线
- 在垂直线上确定一个代表光源高度的点（点越低，太阳越高）
- 从此点向物体顶部画直线（线组1）
- 从阴影消失点经过物体底部画直线（线组2）
- 线组1和线组2的交点定义了阴影的边界
近光源 vs 远光源的阴影
太阳（远光源）：阴影彼此平行，宽度保持一致 人造光（近光源）：阴影从光源向外辐射，宽度向外增加 多个人造光：阴影向多个方向辐射，不同阴影接收到来自不同光源的填充光
课后练习
练习1：阴影观察日记
在一天中不同时间，拍摄或速写同一个物体的阴影：
- 记录正午的阴影（短、硬、对比度高）
- 记录傍晚的阴影（长、边缘略柔化）
- 记录阴天的阴影（极软，几乎不可见）
- 记录室内多光源下的阴影（多重阴影，不同方向）
比较阴影的长度、硬度、颜色和数量。
练习2：透视阴影绘制
使用网格纸，按本节课的方法绘制两种场景的阴影：
场景A：太阳在画面左前方
- 一个立方体
- 一个圆柱体
- 标记出本影和半影区域
场景B：太阳在画面后方（背光）
- 一个立方体
- 注意阴影是朝向观察者方向投射的
自测问题
自测
- 形态阴影和投影有什么本质区别？
- 为什么通常情况下形态阴影比投影亮？
- 光源大小如何影响阴影的软硬程度？
- 什么是环境光遮蔽？在绘画中如何使用？
- Count Rumford发现了什么光学现象？
- 本影和半影的区别是什么？
- 近光源和远光源的阴影在几何形态上有什么不同？
参考答案
- 形态阴影是物体表面因自身形状而光照不到的区域；投影是物体遮挡光线后投射到其他表面上的阴影。
- 地面是大面积反射面，反射光充足地照亮形态阴影；球体面积小，反射光少，因此投影接收到的填充光较少。
- 小光源/远光源产生硬阴影（光线近乎平行不重叠）；大光源/近光源产生软阴影（光线大量重叠）。
- 环境光遮蔽是表面靠近时环境光被遮挡而变暗的现象。创作中应在表面交汇处加深暗部来增强立体感。
- 在强烈色彩光线下，人眼会感知阴影带有主光的互补色，这实际上是一种心理错觉，通过管子单独观察阴影可以验证。
- 本影是阴影中最暗的部分（完全被遮挡光线）；半影是阴影边缘较浅的部分（部分被遮挡）。
- 远光源（太阳）：阴影平行，宽度一致。近光源（灯泡）：阴影从光源向外辐射，宽度向外增加。