全彩3D打印顏色再現(xiàn)方法①

孫 璐,張 霞

(武漢大學(xué) 印刷與包裝系,武漢 430072)

3D 打印作為一種快速成型的制造工藝得到了越來越廣泛的關(guān)注[1],其在汽車工業(yè)[2]、航空航天[3]、醫(yī)療衛(wèi)生[4–8]、教育教學(xué)[9,10]、食品加工[11–13]、模型制造[14]等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用.3D 打印技術(shù)采用的方法有很多,從不同的角度出發(fā)可以分為不同的類別.根據(jù)基材種類可以分為塑料基[15]、紙基[16]、粉末基[17]、生物基[18]、食物基[19]以及金屬基[20].根據(jù)成型的方式可以分為光固化成型(Stereo lithography Apparatus,SLA)[21,22]、分層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)[23]、三維印刷(Three-Dimensional Printing,3DP)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)[24]以及熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling,FDM)[25]等.根據(jù)打印產(chǎn)品表面再現(xiàn)的顏色可以分為單色3D 打印和彩色3D 打印.隨著彩色打印技術(shù)的發(fā)展,彩色3D 打印已經(jīng)可以再現(xiàn)豐富的顏色,全彩3D 打印成為發(fā)展的趨勢(shì).

全彩3D 打印[26]直接采用石膏、塑料、樹脂、尼龍等彩色材料進(jìn)行打印,不進(jìn)行任何后處理上色過程,使產(chǎn)品呈現(xiàn)全彩色的外觀.全彩3D 打印可再現(xiàn)與原型一致或接近的顏色,因此,在對(duì)3D 產(chǎn)品顏色再現(xiàn)要求較高的領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,如工業(yè)產(chǎn)品模型打印、醫(yī)療器官模型打印等.目前,全彩3D 打印的顏色再現(xiàn)[27]主要采用與2D 打印相似的色料減色法呈色,原色打印通道主要是青(C)、品(M)、黃(Y)、黑(K),根據(jù)技術(shù)的不同,可能增加其他呈色通道[28].這種方法可以滿足基本的顏色再現(xiàn)要求,但要實(shí)現(xiàn)全色域小色差的顏色再現(xiàn),還需要解決許多問題.

本文第1 節(jié)對(duì)全彩3D 打印的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行論述分析,第2 節(jié)針對(duì)全彩3D 打印顏色再現(xiàn)的核心技術(shù)進(jìn)行分析討論,在第3 節(jié)總結(jié)全彩3D 打印的技術(shù)特點(diǎn),探討全彩3D 打印領(lǐng)域的現(xiàn)存的問題及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié).

1 全彩3D 打印的實(shí)現(xiàn)方式

全彩3D 打印的顏色再現(xiàn)與打印實(shí)現(xiàn)方式相關(guān).彩色3D 打印經(jīng)歷了離散彩色3D 打印、連續(xù)調(diào)彩色3D打印的發(fā)展過程.隨著機(jī)械技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)全彩3D 打印.根據(jù)產(chǎn)品成型方式的不同,主要可分為粉末粘結(jié)劑類、分層制造類、射流熔融類、熔融沉積類、噴射固化類以及白墨填充類.

1.1 粉末粘合劑類

粉末黏結(jié)劑類3D 打印技術(shù)[29]是基于彩色噴墨打印技術(shù)提出的.所使用的材料主要為石膏和塑料粉末,該技術(shù)的主要過程是將白色粉末逐層沉積在平面上,通過向粉末床上噴射青、品、黃、黑4 色粘接劑的方法生產(chǎn)彩色3D 打印產(chǎn)品.這種方法具有打印速度快、材料利用率高的特點(diǎn),部分型號(hào)的打印機(jī)可生產(chǎn)顏色豐富的樣件.美國(guó)3D Systems 公司的ZPrinter 系列(收購(gòu)自Z Corporation 公司)及CJP 系列3D 打印機(jī)采用的是這種技術(shù).其最新款ProJet CJP 860Pro 打印機(jī)擁有5 個(gè)打印頭,將青、品、黃、黑粘合劑在白色粉末上打印,實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)4 通道 CMYK 全彩 3D 打印功能,可再現(xiàn)36 萬(wàn)種顏色,包括漸變色彩效果.

1.2 分層制造類

分層制造類主要指紙基類3D 打印技術(shù)[30].該技術(shù)的主要過程是根據(jù)物體形狀進(jìn)行分層顏色分割,采用普通的彩色噴墨打印機(jī)在紙張上打印分層彩色圖像,然后將紙張裁剪得到所需截面,最后進(jìn)行粘接.愛爾蘭CleanGreen3D 公司的Mcor IRIS 打印機(jī)和CG-1 3D 打印機(jī)(原Mcor ArkePro 系列)均采用CMYK 彩色噴墨印刷技術(shù),通過配備專用紙和粘合劑的噴墨打印頭來構(gòu)建全彩色3D 打印產(chǎn)品.Mcor IRIS 最大造型尺寸為256×169×150 mm,分辨率為5700×1440×508,可以展現(xiàn)100 多萬(wàn)種不同顏色,價(jià)格約為5 萬(wàn)美元.

1.3 射流熔融類

射流熔融技術(shù)是由惠普公司提出的一種3D 打印技術(shù).所使用的材料主要為尼龍粉末.惠普3D 打印技術(shù)是通過噴射助熔劑和細(xì)化劑后加熱,使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而讓尼龍粉末固化.通過采用數(shù)字圖像半色調(diào)技術(shù),配合特定的CMYK 四色墨水噴射方案,實(shí)現(xiàn)全彩3D 打印生產(chǎn).這種方法具有堅(jiān)固耐用、質(zhì)量出色、細(xì)節(jié)清晰且復(fù)用率高的特點(diǎn).彩色墨滴噴射分辨率能達(dá)到1200 dpi,可以實(shí)現(xiàn)1600 萬(wàn)種的sRGB 顏色,但暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)透明效果和多材料混合效果打印.目前最具代表性的設(shè)備為HP Jet Fusion 580 全彩 3D 打印機(jī).

1.4 熔融沉積類

熔融沉積建模技術(shù)[31,32]利用成型材料和支撐材料進(jìn)行打印,是最重要的3D 打印方法之一.該方法是由美國(guó)Stratasys 公司的創(chuàng)始人Scott Crump 發(fā)明的,主要以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)等熱塑性材料為原料,通過打印機(jī)將原料加熱熔化,擠出到加熱的底板上,在計(jì)算機(jī)控制下逐層堆積成型.其具有成本低,成型材料范圍廣的優(yōu)點(diǎn).但是成型時(shí)間較長(zhǎng)且需要支撐材料.代表性的設(shè)備是XYZ printing 公司的da Vinci Color 5D 打印機(jī)、Stratasys 公司的Fortus900mc打印機(jī)[33]等.其中da Vinci Color 5D 打印機(jī)既可以實(shí)現(xiàn)以PLA為材料的3D 打印,也可以通過CMYK 四色墨盒進(jìn)行2D 噴墨打印.其中3D 打印可實(shí)現(xiàn)1600 萬(wàn)種顏色.Fortus900mc 打印機(jī)支持17 類材料進(jìn)行彩色打印,打印尺寸最大為914×610×914 mm.

1.5 噴射固化類

噴射固化打印技術(shù)是Objet Geometries 公司在2000年提出的.該技術(shù)可使用多達(dá)29 種基本樹脂材料[34],如類聚丙烯材料、類橡膠材料、生物相容性材料等,這些基本光敏樹脂材料有黑、白、灰、黃、品、青、藍(lán)7 種色調(diào).打印機(jī)將光敏樹脂材料一層一層地噴射到打印托盤上,直至部件制作完成.每一層材料在被噴射的同時(shí)用紫外線光進(jìn)行固化,可以立即進(jìn)行取出與使用,而無需二次固化.這種技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是可在單次打印中實(shí)現(xiàn)不同顏色和材料的結(jié)合,制作接近真實(shí)產(chǎn)品的原型,更可用來打印快速模具,驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì),但在打印過程中需要支撐結(jié)構(gòu),且樹脂材料強(qiáng)度耐久度較差.美國(guó)Stratasys 公司的PolyJet 3D J8 系列打印機(jī)采用這種技術(shù),可同時(shí)混合7 種顏色的樹脂材料,再現(xiàn)50 萬(wàn)種顏色,并可使產(chǎn)品呈現(xiàn)不同的紋理、透明度和軟硬度.

1.6 白墨噴射填充類

白墨填充噴射技術(shù)也是以彩色光敏樹脂為打印材料,以水溶性或熱熔性材料為支撐材料,利用白墨進(jìn)行體素位置補(bǔ)償填充的一種直噴式全彩3D 打印技術(shù).其基本原理為每噴射打印出一個(gè)薄層的光敏樹脂后利用紫外光快速固化,每打印完成一層,機(jī)器成型托盤便極為精確的下降一層,而噴頭持續(xù)工作,直到完成.這種技術(shù)具有可以實(shí)現(xiàn)不同材料的復(fù)合打印.典型設(shè)備包括中國(guó)珠海塞納打印公司的D451 系列、J501 系列打印機(jī)等.其中D451 系列最高分辨率可達(dá)600×600×2540 dpi,可實(shí)現(xiàn)1000 萬(wàn)種顏色.

在這些打印方式中,噴射固化類和白墨噴射填充類突破材料種類的限制,可以實(shí)現(xiàn)多種材料結(jié)合的復(fù)合打印,打印速度快,且在顏色、紋理、透明度方面與原型逼近.

這些全彩3D 打印技術(shù)采用不同的機(jī)械和呈色材料實(shí)現(xiàn)三維彩色輸入圖像到3D 彩色產(chǎn)品的輸出再現(xiàn).三維彩色輸入圖像的顏色往往采用RGB 表達(dá),全彩3D 打印顏色則采用CMYK+其他呈色通道(以下簡(jiǎn)寫為“CMYK+”)的方式表達(dá).在此過程中,三維RGB 顏色到CMYK+打印顏色的轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵技術(shù)之一;另外,如何驅(qū)動(dòng)打印機(jī)將CMYK+表達(dá)的顏色通過呈色材料打印再現(xiàn)是另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),即全彩3D 打印輸出模型.現(xiàn)有的技術(shù)大多借鑒采用2D 彩色打印/印刷中的顏色轉(zhuǎn)換與輸出模型,但還很難實(shí)現(xiàn)全色域顏色的準(zhǔn)確再現(xiàn),相應(yīng)地,針對(duì)全彩3D 打印的全流程顏色管理技術(shù)也處在急需研究的階段.

2 全彩3D 打印的顏色再現(xiàn)

與傳統(tǒng)的2D 打印技術(shù)相比,3D 打印的顏色再現(xiàn)會(huì)更多地受到呈色材料、打印機(jī)械等因素的影響,其顏色再現(xiàn)環(huán)節(jié)更加復(fù)雜.從現(xiàn)有的各類打印技術(shù)來看,全彩3D 打印顏色再現(xiàn)的一般技術(shù)框架如圖1所示.

圖1中,3D 圖像的采集主要通過3D 掃描設(shè)備或3D 相機(jī)對(duì)原型的顏色和形狀信息進(jìn)行采集.在對(duì)采集的顏色信息和形狀信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理的基礎(chǔ)上,通過打印輸出模型驅(qū)動(dòng)打印機(jī)完成原型的3D 再現(xiàn).在此過程中,顏色轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)RGB 到CMYK+的轉(zhuǎn)換,打印輸出模型將CMYK+信息轉(zhuǎn)換為呈色材料在特定打印位置的輸出量,這個(gè)過程類似2D 打印/印刷的分色、半色調(diào)過程,兩者都直接影響顏色再現(xiàn)的精度.因此,建立全彩3D 打印顏色轉(zhuǎn)換模型和輸出模型是全彩3D打印顏色再現(xiàn)的核心技術(shù)難點(diǎn).現(xiàn)有的技術(shù)可滿足教學(xué)教具、兒童玩具等一般彩色產(chǎn)品打印的顏色再現(xiàn).這些產(chǎn)品的顏色相對(duì)而言比較均勻,或者同一產(chǎn)品上的顏色種類比較有限,顏色再現(xiàn)的精度不是評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo).但對(duì)于顏色呈現(xiàn)連續(xù)變化或顏色種類非常豐富的產(chǎn)品,如服飾產(chǎn)品、人物模型、雕塑藝術(shù)品模型等,顏色再現(xiàn)的精度是評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo).采用現(xiàn)有的技術(shù)在打印這些產(chǎn)品時(shí),顏色再現(xiàn)的效果還有很大的提升空間.在特定的呈色材料和打印機(jī)械條件下,如何最大程度利用3D 打印顏色空間的色域來再現(xiàn)準(zhǔn)確的顏色和豐富的階調(diào)層次是研究的重點(diǎn).

圖1 全彩3D 打印技術(shù)框架

2.1 全彩3D 打印的顏色轉(zhuǎn)換

在全彩3D 打印流程中,采集或制作的3D RGB 圖像色彩需要轉(zhuǎn)換到打印通道CMYK+圖像顏色,才能夠進(jìn)行打印.現(xiàn)有的3D 顏色轉(zhuǎn)算法主要采用印刷色彩管理中的顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)和分色方法.但是,3D 打印的顏色效果容易受到產(chǎn)品形狀、呈色材料性質(zhì)的影響.因此,在應(yīng)用2D 顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)時(shí),首先要解決3D 顏色測(cè)量問題,保證用于參與轉(zhuǎn)換計(jì)算的顏色數(shù)值是準(zhǔn)確的.在此基礎(chǔ)上,解決如何獲取3D 打印色域和階調(diào)再現(xiàn)特性的問題,以生成進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換的目的空間.然后,結(jié)合三維形狀信息,解決如何實(shí)現(xiàn)從3D RGB 顏色數(shù)值到CMYK+顏色數(shù)值的轉(zhuǎn)換問題.

針對(duì)3D 顏色測(cè)量問題,許多研究者采用不同的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了測(cè)量與分析.主要使用分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量.如,Stanic 等[35]使用GretagMacbeth (X-rite)XTH 球面分光光度計(jì)測(cè)量粉末基3D 打印的顏色;Xiao等[18,33]使用Minolta CM-2600d 分光光度計(jì)測(cè)量3D打印軟組織假體的顏色;何留喜等[36]利用X-Rite530分光光度計(jì)測(cè)量Mimaki UJF-3042 UV 打印機(jī)打印的色塊的顏色.這些測(cè)量方式以無光澤基材的二維平滑表面物體的顏色測(cè)量為基礎(chǔ),沒有考慮到三維打印物表面的粗糙度、基材光澤度透明度對(duì)色彩的影響,并且對(duì)人眼的三維視覺特性考慮不夠,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不能完全真實(shí)反映3D 打印的顏色視覺效果.

3D 打印產(chǎn)品的顏色會(huì)受到很多因素的影響,如,打印墨滴的角度、墨層的厚度及填充墨層數(shù)等,導(dǎo)致物理測(cè)量結(jié)果與人眼視覺感知的不對(duì)應(yīng).針對(duì)影響3D 打印呈色的因素分析已有比較多的工作.如,何留喜等[36]分析了UV 噴墨3D 打印不同墨層數(shù)對(duì)應(yīng)的油墨厚度和表面顏色再現(xiàn)情況,建立了一種UV 噴墨彩色3D 打印的實(shí)施方案,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,把UV 噴墨彩色3D 打印過程分為單層白色實(shí)地油墨打印、多層白色油墨疊加打印和單層彩色油墨打印3 個(gè)步驟,可以大大提高3D 打印精度及顏色再現(xiàn)性.劉瑜等[37]在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了3D 打印產(chǎn)品表面呈色機(jī)理分析,計(jì)算了不同的噴墨角度、不同的打印層厚度及涂覆不同層數(shù)白墨的條件下,打印的實(shí)地色塊與標(biāo)準(zhǔn)樣之間的色差值,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,表明利用UV 噴墨對(duì)3D 打印產(chǎn)品表面的階梯進(jìn)行覆蓋后再著色的方法可以提高產(chǎn)品表面顏色再現(xiàn)質(zhì)量.這些研究反映了3D 打印呈色的復(fù)雜性,對(duì)于提高3D 打印顏色測(cè)量精度有一定的幫助.

圖2 3D 打印產(chǎn)品表面呈色分析[37]

3D 打印色域和階調(diào)再現(xiàn)特性基于3D 色標(biāo)版的測(cè)量數(shù)值計(jì)算得到.因此,色域和階調(diào)再現(xiàn)特性的準(zhǔn)確程度與色標(biāo)版直接相關(guān).在實(shí)際應(yīng)用中,直接采用2D 打印/印刷標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)IT8.7/3 或IT8.7/4 會(huì)產(chǎn)生色域不準(zhǔn)、顏色轉(zhuǎn)換誤差大等問題.針對(duì)特定的3D 打印機(jī),有研究者嘗試自主設(shè)計(jì)3D 打印色標(biāo),如,Wang 等[27]使用Color Checker Classic(X-Rite) 在Adobe Photoshop軟件中設(shè)計(jì)了24 色卡,該色卡包含了彩色成像所需的各種顏色以及灰色梯尺.Z Corporation 公司開發(fā)的顏色測(cè)試版如圖3所示[26].其平面形式的設(shè)計(jì)方便了分光光度計(jì)的使用,并且覆蓋不同色調(diào)的典型顏色,有助于提高構(gòu)建打印機(jī)整體色域的準(zhǔn)確度.

圖3 ZCrop 3D 打印顏色測(cè)試版[26]

全彩3D 打印往往采用多種呈色材料,顏色通道大于4 個(gè),從3D RGB 數(shù)值轉(zhuǎn)換到CMYK+數(shù)值的過程與多色印刷分色過程相似.印刷多色分色算法主要有多維查找表法[38]、基于光譜的多色分色算法[39]、修正的紐介堡算法[40]、多項(xiàng)式回歸算法[41]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等.其中,多維查找表法是印刷色彩管理中實(shí)現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)換的主要方法,直接應(yīng)用這種轉(zhuǎn)換方法的全彩3D 打印產(chǎn)品在顏色飽和度、階調(diào)層次再現(xiàn)上效果還不太理想.基于光譜的分色算法能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的多色印刷復(fù)制,且不受光源及觀察條件變化的影響.但3D 打印顏色的光譜獲取及原色料光譜估計(jì)的難度較大,因此很難在全彩色3D 打印中應(yīng)用.其他3 種算法在全彩3D 打印中的應(yīng)用也比較有限,主要因?yàn)?D 打印與平面印刷在輸出過程、顏色呈現(xiàn)方式以及影響呈色因素方面存在較大差異,導(dǎo)致其顏色轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)有了更多的不確定性.有些研究者嘗試針對(duì)不同區(qū)間的顏色采用不同的打印著色方法來再現(xiàn).如Ladd 等[42]基于3D 打印的特點(diǎn)提出了3D 打印表觀著色的方法.對(duì)于噴射固化及熔融沉積類的3D 打印過程,可以考慮采用3 種不同的方式來獲得所期望的表觀顏色:第1 種,利用完全相同的顏色來形成所需的顏色外觀;第2 種,利用兩種或多種顏色進(jìn)行半色調(diào)印刷得到所需外觀;第3 種結(jié)合墨層厚度對(duì)顏色的影響,用內(nèi)層顏色對(duì)表觀顏色進(jìn)行補(bǔ)償.多樣的表觀著色方式是為了分顏色區(qū)間實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的顏色再現(xiàn),但這會(huì)使顏色轉(zhuǎn)換面對(duì)的情況更為復(fù)雜.因此,針對(duì)全彩3D 打印顏色轉(zhuǎn)換方法的研究還需要進(jìn)一步深入.

2.2 全彩3D 打印的輸出模型

全彩3D 打印的輸出模型表示如何將顏色轉(zhuǎn)換后的CMYK+圖像數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為打印機(jī)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)值.這個(gè)過程與2D 打印/印刷的半色調(diào)過程[43]相似.

二維圖像半色調(diào)的基本算法包括閾值比較法、抖動(dòng)算法[44]及誤差擴(kuò)散算法[45].將二維半色調(diào)算法直接應(yīng)用于建立3D 打印輸出模型,計(jì)算過程比較簡(jiǎn)單,但是很難保證打印產(chǎn)品在垂直方向上的階調(diào)再現(xiàn)效果.對(duì)此,Stucki[46]首先提出將三維對(duì)象的連續(xù)顏色轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)以便通過3D 打印技術(shù)進(jìn)行再現(xiàn)的思想,并引入三維半色調(diào)的概念.在二維半色調(diào)算法的基礎(chǔ)上,很多研究者開展了三維半色調(diào)算法研究并取得了一些成果.主要從擴(kuò)展修改二維半色調(diào)算法、結(jié)合3D 打印材料特性、結(jié)合人眼視覺特性的角度出發(fā)進(jìn)行研究.

Cho 等[47]基于Bayer 抖動(dòng)提出了一種三維有序抖動(dòng)算法,可以避免低頻紋理的產(chǎn)生,并且適應(yīng)3D 打印機(jī)的噴嘴幾何形狀.Zhou 等[48]提出了針對(duì)3D 噴墨打印技術(shù)的三維半色調(diào)算法,在對(duì)模型切片處理后,分層進(jìn)行誤差擴(kuò)散半色調(diào)處理來完成網(wǎng)目調(diào)過程,但是在3D 模型垂直方向的階調(diào)再現(xiàn)上效果并不理想,且存在明顯的規(guī)律性條紋.

結(jié)合3D 打印的空間特性,將二維半色調(diào)算法進(jìn)行擴(kuò)展,采用三維閾值矩陣,可以有效改善不同打印方向的階調(diào)復(fù)制效果.如,Sun 等[49]提出了一種用來改進(jìn)3D 彩色噴墨打印系統(tǒng)顏色均勻性的混合3D 抖動(dòng)算法,該方法將Bayer 矩陣進(jìn)行三維優(yōu)化,將傳統(tǒng)的二維有序抖動(dòng)算法擴(kuò)展為三軸方向的多層算法.優(yōu)化后的3D 抖動(dòng)閾值矩陣如圖4所示,優(yōu)化后的算法可以將墨滴滴入4×4×4 大小的每個(gè)體素中,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法可以改善不同打印方向的顏色一致性以及抖動(dòng)處理后的圖案均勻性.

圖4 三維半色調(diào)算法—優(yōu)化后的3D 抖動(dòng)閾值矩陣[49]

結(jié)合3D 打印機(jī)自身特殊性,將材料的物理特性以及人眼視覺特性對(duì)印刷模型顏色的影響加以參考,增加半色調(diào)計(jì)算范圍,可以有效改善階調(diào)再現(xiàn)效果,但針對(duì)不同的打印材料需要重新計(jì)算.如,Brunton 等[50]考慮到目前3D 噴墨打印機(jī)多采用高度半透明材料,產(chǎn)品表層厚度會(huì)對(duì)感知顏色產(chǎn)生較大影響,提出了一種針對(duì)半透明材料的誤差擴(kuò)散網(wǎng)目調(diào)算法,在紋理貼圖的文件內(nèi)增加了像素位置的材料透明度參數(shù),并擴(kuò)大了半色調(diào)的計(jì)算范圍,在進(jìn)行半色調(diào)計(jì)算時(shí),根據(jù)參數(shù)改變半色調(diào)層數(shù),然后誤差擴(kuò)散計(jì)算,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此方法可以有效減少半透明材料對(duì)表面呈色效果的影響.

為了進(jìn)一步克服三維半色調(diào)算法在垂直方向上階調(diào)再現(xiàn)效果不理想的問題,易堯華等[51]提出了一種考慮到人眼階調(diào)敏感性的三維誤差擴(kuò)散算法,結(jié)合人眼階調(diào)敏感系數(shù)設(shè)計(jì)三維誤差擴(kuò)散濾波器,如圖5所示,將誤差擴(kuò)散后的累計(jì)誤差與線性增強(qiáng)系數(shù)相乘,得到線性增強(qiáng)誤差,最后將增強(qiáng)后數(shù)據(jù)與閾值比較,得到最終網(wǎng)目調(diào)數(shù)據(jù).

圖5 三維半色調(diào)算法—三維誤差擴(kuò)散濾波器[51]

上述各種方法都在一定程度上改善了3D 產(chǎn)品階調(diào)再現(xiàn)的效果.其中擴(kuò)展修改二維半色調(diào)算法后得到的三維算法優(yōu)化了3D 打印不同方向上的階調(diào)再現(xiàn)效果,但是矩陣層數(shù)及其中參數(shù)需要根據(jù)打印機(jī)特性的不同進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整.結(jié)合3D 打印材料特性所進(jìn)行的修改可以提高半透明材料3D 打印的顏色再現(xiàn)的準(zhǔn)確性,但是如何設(shè)計(jì)針對(duì)多材料混合3D 打印的三維半色調(diào)算法仍是一大難點(diǎn).結(jié)合人眼視覺特性進(jìn)行誤差擴(kuò)散的計(jì)算方法可以使最終打印結(jié)果更加符合人眼的視覺特性,但是人眼階調(diào)敏感系數(shù)并不能直接應(yīng)用于所有的打印機(jī),還需要進(jìn)行深入研究.

3 存在問題與發(fā)展趨勢(shì)

目前,3D 打印的顏色再現(xiàn)基本依靠材料或粘結(jié)劑自身的顏色,圖像顏色與階調(diào)的再現(xiàn)效果與顏色轉(zhuǎn)換算法和打印輸出模型密切相關(guān),從現(xiàn)有的技術(shù)來看,全彩3D 打印顏色再現(xiàn)領(lǐng)域存在的主要問題以及發(fā)展趨勢(shì)如下:

(1) 全彩3D 打印顏色數(shù)據(jù)的測(cè)量.3D 打印的顏色與材料的厚度、材料的透明性、打印方向等多種因素有關(guān),能否準(zhǔn)確測(cè)量3D 打印顏色直接關(guān)系顏色轉(zhuǎn)換的精度.采用現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法得到的顏色數(shù)據(jù)與人眼的顏色視覺效果還存在明顯差異.因此,針對(duì)3D 打印產(chǎn)品進(jìn)行顏色測(cè)量?jī)x器、顏色測(cè)量方法的研究和開發(fā),是提高3D 打印顏色再現(xiàn)質(zhì)量的基礎(chǔ).

(2) 全彩3D 打印色彩質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立.3D 打印產(chǎn)品的顏色視覺效果與打印材料、產(chǎn)品形狀、觀察環(huán)境等很多因素相關(guān),目前針對(duì)3D 打印顏色再現(xiàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方式主要為主觀評(píng)價(jià),但主觀評(píng)價(jià)的照明觀察條件還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,多采用與評(píng)價(jià)平面圖像顏色效果相似的照明觀察條件.在定量評(píng)價(jià)方面,還沒有針對(duì)3D 顏色再現(xiàn)誤差的色差公式,主要采用在平面顏色復(fù)制色差計(jì)算中應(yīng)用較多的CIE DE2000 色差公式,其色差計(jì)算結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果之間往往有較大差別.因此,研究適用于3D 打印顏色再現(xiàn)質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)條件和色差計(jì)算方法,對(duì)于3D 打印的顏色質(zhì)量控制是十分必要的.

(3) 全彩3D 打印色彩管理技術(shù)框架的建立.全彩3D 打印技術(shù)具有多樣性,在對(duì)打印過程進(jìn)行色彩管理時(shí),直接應(yīng)用印刷色彩管理的技術(shù)框架雖然可以基本實(shí)現(xiàn)3D 顏色的復(fù)制再現(xiàn),但會(huì)出現(xiàn)較大的顏色再現(xiàn)誤差.因此,針對(duì)特定的全彩3D 打印技術(shù),研究顏色轉(zhuǎn)換與輸出模型核心技術(shù),并在兼顧不同打印技術(shù)的前提下,探索建立統(tǒng)一的全彩3D 打印色彩管理技術(shù)框架,是全彩3D 打印發(fā)展的需要.

4 總結(jié)

全彩3D 打印的材料和技術(shù)在快速地發(fā)展,顏色轉(zhuǎn)換和顏色打印輸出模型將一直是全彩3D 打印顏色再現(xiàn)的核心問題.這些問題的研究與3D 打印顏色測(cè)量、3D 打印顏色再現(xiàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)密切相關(guān).在這些技術(shù)發(fā)展完善的基礎(chǔ)上,研究全流程的全彩3D 打印色彩管理是提高全彩3D 打印顏色再現(xiàn)質(zhì)量、推動(dòng)全彩3D 打印更廣泛應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì).