基于圖像模型的UV噴墨打印3D仿真木紋方法

桑瑞娟，吳智慧，范振憲，楊舒琪

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，南京 210037)

自然木材紋理溫潤親和，被廣泛應用于材料表面裝飾。UV數碼噴墨技術在木材工業(yè)涂飾工藝中的應用，是通過UV噴墨用數字控制的方式將細小的墨滴通過打印噴頭噴射到基板上，準確沉積精確量的涂料材料，建立微觀或宏觀結構[1-2]，形成噴墨裝飾涂層。在基材表面噴墨打印裝飾木紋層采用的UV墨水是典型的光固化材料，內部含有光引發(fā)劑、預聚物和單體，在UV光照條件下發(fā)生聚合反應[3]。紫外線的輻射能量使液態(tài)紫外光材料中的光引發(fā)劑受激活變?yōu)樽杂苫蜿栯x子，從而引發(fā)紫外光材料中的不飽和雙鍵發(fā)生化學反應，形成了固體結構[4-5]。UV墨水短時間內固化成型，形成光澤度高、色彩鮮艷的樹脂墨層，并無溶劑揮發(fā)，這些特點和性質使得UV墨水作為LBL(layer-by-layer)立體復合物物料用于噴墨打印的成型材料[6]，能夠快速多層堆積形成立體木紋樹脂復合物形態(tài)，如圖1所示。

圖1 基材表面噴墨沉積結構Fig. 1 Inkjet deposition structure on the substrate surface

天然木質表面具有與切割表面紋理圖案中的細胞結構相關的三維觸覺，但使用傳統(tǒng)凹版印刷紙在基材表面創(chuàng)建的裝飾性木質紋理，視覺和觸覺都沒有自然木紋真實的感覺[7]。3D打印能夠進行表面立體紋理的打印表現(xiàn)，但很難構建真實木紋的3D模型，即使采用0.2 mm的高精度掃描進行木紋樣塊的3D模型采集，表面紋理仍有掃描細節(jié)面的缺失。相對傳統(tǒng)的3D打印，3D體素打印從外部表面到內部都能做到木材紋理的映射[8]，但是驅動體素打印的木材內部截面切層木紋圖像文件提取工作相當繁復，如破壞性成像、像素操作和微觀結構設計等，而且這種木材打印方式側重于木材的數字再現(xiàn)性，在木紋的精度和仿真度表現(xiàn)上還有諸多局限，目前無法直接應用于工業(yè)生產。

本研究提出的基于圖像模型UV噴墨打印3D仿真木紋的方法是模擬3D打印的過程，利用驅動打印的模擬木紋模型切片圖像，在基材表面UV噴墨墨滴固化重建木材的表面紋理和結構[9-10]，從顏色和形態(tài)上真實還原木材紋理的自然感覺[11]。本研究方法基于3D打印終端輸出的平面數位形式[12]，且木材表面肌理的“微”立體效果的特點，直接對木材紋理的平面數碼圖像進行轉化與簡化[13]，優(yōu)化3D木材肌理的應用模型(圖像)處理方法，快速、有效、精確地獲取三維木紋的特征圖像以驅動噴墨沉積打印，實現(xiàn)精確塑形打印3D木材紋理，并通過實驗表征打印木紋的沉積表層物理性能論證本方法有效可行。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

實驗材料：高精木紋圖像，圖像格式JPG/TIF，分辨率300 dpi，圖像原始尺寸18 cm×35 cm，紋理清晰、色彩飽和、早晚材紋理層次明顯的榆樹(Ulmuspumila)木材紋理平面圖像；圖像處理軟件，采用Adobe Photoshop CS6；承印板材，裁切尺寸為18 cm×35 cm，表面白凈、平整、無明顯木紋的白楊(Populusalba)木材多層板；400目(粒徑38 μm)打磨砂紙；中性UV油墨。

實驗設備：UV數碼打印設備(南京雷勵數碼科技有限公司，HT1316)；表面粗糙度輪廓儀(JB-4C)；GZ-Ⅱ光電電澤儀；漆膜劃格儀；粗糙度測試儀(JB-C)；lab測試儀；QHQ型鉛筆劃痕硬度儀。

1.2 打印試驗方法

利用Adobe Photoshop平面圖像編輯軟件，在原彩色木紋圖像(圖2a)上進行灰度數據采集。由于自然木紋孔隙凹陷越深的地方色彩表現(xiàn)越暗(黑)，通常接近3D模型水平的最低點，因此，以一個暗部陰影區(qū)(圖2b)的采樣顏色(C65%、M90%、Y88%、K61%)(圖2c)，生成一個受模糊參數影響的顏色范圍，對這個顏色選取范圍在新圖層上建立選區(qū)并填充黑色生成灰度圖像；其中通過改變采樣點的模糊度參數來調整顏色容差范圍以確定灰度信息圖像，試驗采樣點模糊參數值(顏色容差)分別設置120，160，200，灰度圖像中木紋的細節(jié)層次變化如圖2d～f所示；采取的灰度圖像是模擬具有典型特征性的3D木紋截面中間層分形圖，試驗中采用了模糊度參數160的灰度圖像(圖2e)，作為噴墨沉積立體木紋白模的驅動圖像加載入與原圖一致的專色通道，將原圖轉換為多通道圖像。因此，試驗中圖像模型編輯轉換的過程就是將高精2D平面木紋理圖像解構為表面材質的色彩信息與立體凹凸的灰度信息兩部分,即木紋色彩圖像與木紋灰度圖像。

圖2 打印圖像編輯與轉換Fig. 2 Editing and converting printed images

承印基材白楊木多層板表面用400目砂紙打磨光潔，放置打印臺面對位，校正打印坐標零點位置，使得打印圖像與承印材料尺寸匹配。彩色圖像由CMYK四色通道油墨輸出，灰度圖像信息則由專色通道控制相對應量的專色白墨輸出[14]。在UV噴墨沉積3D木材紋理的過程中，白色油墨是噴墨沉積立體木紋肌理的主要物料，起到顯色與聯(lián)結基材層及色墨層的作用。打印設置密度參數即單Pass(道)白色油墨的輸出量，影響沉積木紋層的高度。通過調節(jié)油墨的密度及打印的層數，來控制沉積木紋的立體形態(tài)，如圖3所示。試驗操作時，對打印的木紋平面圖像進行編輯處理，白色通道載入采樣選區(qū)160模糊度參數的灰度圖像，專色通道白墨100%密度值，打印設置300%(3倍墨量)，噴墨固化沉積木紋白模立體肌理。原彩色木紋圖像與專色通道灰度圖像點對點像素對應，在木紋白模表面映射打印木材紋理表面的色彩紋理，打印流程如圖4所示。

圖3 專色打印設置Fig. 3 Spot color print settings

圖4 噴墨打印木紋流程Fig. 4 Schematic diagram of inkjet print wood texture process

1.3 表征性能實驗方法

1)表面粗糙度：使用粗糙度測試儀(JB-C)對楊木板表面噴墨沉積的木材紋理進行表面粗糙度輪廓儀(JB-4C)多點測試，由粗糙度輪廓曲線表征油墨沉積的木紋形貌，測試參數表征3倍墨量下的沉積高度。通過表面粗糙度輪廓儀參數化形式驗證噴墨沉積木材紋理形態(tài)結構的還原[15]。

2)LAB值：使用lab測試儀進行測試。

3)光澤度：依據GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜理化性能試驗 第6部分：光澤測度法》進行測試，采用85°入射角的分辨率。

4)附著力：依據GB/T 4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗 第4部分：附著力交叉切割測定法》進行測試。

5)硬度：依據GB/T 6739—2006/ISO 15184：1998《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》，采用 QHQ 型涂膜鉛筆劃痕硬度儀。

2 結果與分析

2.1 打印結果

白色墨滴在紫外光的電磁輻射下固化沉積在承印楊木多層板基材表面形成凹凸的固態(tài)形狀，即木紋的白模，如圖5a所示。彩色木紋圖像則由CMYK四色油墨控制，在白墨沉積層表面點對點映射打印，如圖5b所示。在數字木紋圖像組合(圖像打印模型)的驅動下，UV油墨依據打印信息在楊木多層板表面沉積形成立體木材紋理結構，如圖5c所示，肌理與色彩復合形成具有與原圖像一致且具有立體肌理的木材形態(tài)[16]。因此，通過圖像模型方法在楊木基材表面上UV噴墨打印沉積立體木紋，自然光狀態(tài)下肉眼可見仿真的凹凸木紋肌理形態(tài)[17]。

圖5 白色與彩色油墨打印沉積Fig. 5 White ink and color ink printing deposition

2.2 表征性能

在粗糙度輪廓儀上測量打印木紋表面的輪廓曲線，對表面形貌的曲線有更直觀的認識，如圖6所示，采樣5個行程的輪廓線在放大率100的顯示下，表面高度在一定范圍內波動。因為5個采樣過程相對獨立，實驗平臺和基材的水平線略有偏差，因此，在5個輪廓曲線中分別做中線，使中線兩側輪廓線與中線所包含的面積相等，如圖7所示。由于基材表面通過底漆處理相對平整，在評定長度內，以大輪廓峰高和大輪廓谷深之和的數值(圖7每條采樣輪廓中兩條虛線之間的高度)表征取樣范圍內油墨的沉積高度。粗糙度輪廓測試數值顯示：采樣輪廓最大峰高與輪廓之和的數值(Rt)在298～335 μm波動，表明在楊木基板底漆處理表面以3倍墨量100%白墨濃度，打印沉積的固化油墨剖面高度約為300 μm。

圖6 打印木紋的輪廓曲線Fig. 6 Contour curve of the printed wood texture

圖7 波峰波谷總高數值圖Fig. 7 Total height of peak and valley

木材紋理的樣貌和表現(xiàn)形式感知主要有形狀、色彩、性能等方面，木紋肌理表面的粗糙度輪廓線主要表征了打印木材紋理在基材表面的油墨沉積形態(tài)，也是圖像模型方法呈現(xiàn)3D木紋形狀的主要表征。打印紋理的高度差為300 μm，視覺和觸覺感知都較為自然細膩，如圖8所示。在色彩方面，對打印設備管理曲線進行校正的前提下，試件的LAB值與標準LAB值的差值基本一致，表征了打印木材紋理的高還原度色彩；通過低光澤85°入射角的光澤儀測試設置對打印木紋面進行光澤度測試，10～18的測試結果表征了打印立體木紋肌理面的光澤，自然光狀態(tài)下打印木紋表層接近蛋殼光澤的亞光效果；附著力測試割痕交叉處有漆膜剝落，漆膜沿割痕有少量斷續(xù)剝落，對照測試標準為2級；打印表層的硬度與油墨性質相關，本試驗采用的中性UV油墨在基材表面多層沉積形成的肌理面達到了4H的硬度。綜合表征性能實驗結果：打印木材紋理自然逼真，表面附著力、硬度參考家具表面漆膜理化性能國標，符合如家具、護墻板、天花板等一般裝飾板材產品表面的漆膜標準。

圖8 楊木多層板表面噴墨木紋Fig. 8 Inkjet wood texture on poplar laminate surface

2.3 模型方法分析

以三維打印物體的一般過程來分析打印基材表面的木材肌理，首先通過計算機建模軟件構建木紋紋理表面的理想數字模型(圖9a)，再依據打印精度確定打印紋理截面的分層高度(圖9b)，將三維模型“切”成逐層的截面圖像(圖9c)，打印機通過讀取模型文件中的這些橫截面圖像信息，如圖9c中S1、S2、S3的木紋理模型橫截面圖像，用物料將這些截面逐層地打印出來，各層截面堆積形成一個紋理實體。但是，實際自然紋理細膩豐富，應用木料面積大，掃描3D模型受到尺寸、表面木紋的細節(jié)復雜程度限制，難以構建完整標準的打印模型。而且，3D打印機是通過讀取3D模型文件中的橫截面信息進行材料的沉積，在復雜的木紋模型上確定水平基準面、基準點以及進行截面運算的逐層處理，其軟件數據處理難度都相當大。采用3D掃描構建的模型還缺乏與木紋表面的對應色彩，相對分離的色彩掃描，幾乎無法做到模型與表面色彩點對點的對位打印。

圖9 木紋模型切層分形示意圖Fig. 9 Schematic wood texture model section fractal

UV噴墨打印沉積木材紋理是以木紋平面數字圖像(平面掃描、照片圖片)建立圖像驅動模型，利用3D打印終端輸出的平面數位形式，將表面彩色木紋圖像編輯轉換為截面切層圖像，如圖10所示，模擬圖9中3D木紋實體模型截面切層的分形圖像形式，再在表面點對點映射打印表面色彩肌理。打印的木材表面凹凸肌理通過表征實驗，高度差在300 μm左右，3D打印的最小精度一般為100 μm，所以能夠由3個切層疊加形成“微”立體效果。而高度差為100 μm的3個切層在正常視距的肉眼觀察下，平面效果差別甚小，在本圖像模型方法中則利用一個典型中間切層的模擬截面圖像(如圖10中的S2)進行3次打印疊加沉積木紋高度形狀。因此，在UV噴墨打印木材紋理數字模型簡化中，通過圖像編輯轉換獲取最具木紋肌理特點的中間模糊度數值灰度圖像，加載其為專色通道用于打印木紋白模肌理。

圖10 木紋圖像模擬分形Fig. 10 Wood texture image simulation fractal

圖像噴墨打印的可變墨滴技術可以控制從噴嘴孔噴出的墨滴大小，墨滴形狀更規(guī)則，定位更準確，可以實現(xiàn)高精度打印。3D木材紋理通過圖像掃描或攝像方式獲得二維彩色木紋圖像，相對應原圖的典型木紋灰度圖像中的黑、白、灰度值則決定了沉積在基板上不同噴墨液滴的體積，控制高度的形狀。因此，通過圖像模型方法編輯木材紋理平面圖像，將3D木紋模型簡化為含有截面切層與表面紋理信息的圖像組合，即具有匹配專色通道的多通道圖像[18]，可驅動紋理形狀和表面顏色的打印。打印時白色油墨通過暴露于紫外線輻射固化，引發(fā)化學反應，光引發(fā)劑使油墨成分交聯(lián)成固體。固化的白色墨水會在基材表面產生紋理浮雕，彩色圖像以像素到像素的沉積對齊方式在白模表面映射打印。打印完成后，油墨沉積的表面顏色、形狀和紋理在視覺和觸覺質量上復制了實木的紋理。此外，因為打印液滴精度以皮升為單位，出色的打印噴射行為和色彩管理特性，使得噴墨打印可以精確再現(xiàn)天然木材孔隙的準確細節(jié)和精細色彩。利用圖像模型方法打印復制木材紋理的示意過程如圖11所示。

圖11 模擬木紋模型打印過程Fig. 11 Printing process of simulate wood grain mode

3 結 論

本研究提出了一種基于圖像模型UV噴墨打印3D木材紋理的方法：

1)通過平面掃描或拍攝獲得清晰的木紋平面CMYK格式圖像。

2)以圖像上木紋孔隙暗部的采樣點(C65%，M90%，Y88%，K61%)調節(jié)模糊度參數(f160)確定灰度信息圖像作為與原圖一致的專色通道，將原圖轉換為多通道圖像。

3)專色通道控制白色油墨輸出，打印木材紋理的浮雕紋理形狀。專色通道中的白色墨水設置為100%，輸出墨滴體積設置為300%模擬打印3層切片紋理。

4)CMYK四色通道墨水輸出木材色彩紋理，在白色墨滴沉積的木紋浮雕紋理上，點對點映射打印表面木紋色彩紋理。

5)在模擬的圖像模型驅動下，采用可變墨滴的多通道打印模式，UV紫外光固化墨滴沉積在基材表面形成紋理與色彩一致的立體木材紋理。

應用本圖像模型方法在楊木多層板基材上打印的木材紋理在自然光下肉眼觀測具有細膩的色彩、豐富的層次及精細的3D觸感。通過對打印木紋表面性能測試：粗糙度輪廓表征油墨沉積高度300 μm、LAB值差值-5～5，光澤度10～18(85°入射角)，附著力2級，硬度4H，表征了打印木紋具備仿真木紋的形態(tài)效果，且符合一般裝飾板材表面的漆膜應用標準。

本研究的圖像模型處理方法使得UV噴墨打印3D木材紋理更加簡化且靈活，由于圖像模型和打印工作流程本質上都是數字化的，可以根據工業(yè)生產標準的高質量圖像模型創(chuàng)建數字木質材料圖像模型庫，并將其用途擴展到各種人造板表面的打印裝飾應用；利用數字平面木紋圖像，可以快速模擬打印3D木材紋理且噴墨細節(jié)更加平滑逼真；基于平面圖像打印木材紋理，紋理的3D凹凸觸感由油墨濃度與打印層數控制，木紋的視覺色彩肌理由圖像精度控制，實現(xiàn)可視效果的參數化控制。

本圖像模型方法側重于木材紋理表面的數字再現(xiàn)性，同樣的方法也可以應用于許多其他觸覺紋理材料。此外，通過表征性能測試噴墨基材的表面性質也影響噴墨打印沉積表面的物理性能(附著力、硬度和耐久性)。因此，在本研究實現(xiàn)仿真木紋形態(tài)的基礎上，進一步研究基材介質和沉積層與結構化表面的相互作用，對于提高打印材料的應用性能具有重要意義。