全彩3D打印顏色再現方法①

孫 璐,張 霞

(武漢大學 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注[1],其在汽車工業[2]、航空航天[3]、醫療衛生[4–8]、教育教學[9,10]、食品加工[11–13]、模型制造[14]等行業有著廣泛的應用.3D 打印技術采用的方法有很多,從不同的角度出發可以分為不同的類別.根據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].根據成型的方式可以分為光固化成型(Stereo lithography Apparatus,SLA)[21,22]、分層實體制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)[23]、三維印刷(Three-Dimensional Printing,3DP)、選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering,SLS)[24]以及熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling,FDM)[25]等.根據打印產品表面再現的顏色可以分為單色3D 打印和彩色3D 打印.隨著彩色打印技術的發展,彩色3D 打印已經可以再現豐富的顏色,全彩3D 打印成為發展的趨勢.

全彩3D 打印[26]直接采用石膏、塑料、樹脂、尼龍等彩色材料進行打印,不進行任何后處理上色過程,使產品呈現全彩色的外觀.全彩3D 打印可再現與原型一致或接近的顏色,因此,在對3D 產品顏色再現要求較高的領域應用越來越廣泛,如工業產品模型打印、醫療器官模型打印等.目前,全彩3D 打印的顏色再現[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),根據技術的不同,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要求,但要實現全色域小色差的顏色再現,還需要解決許多問題.

本文第1 節對全彩3D 打印的實現方式進行論述分析,第2 節針對全彩3D 打印顏色再現的核心技術進行分析討論,在第3 節總結全彩3D 打印的技術特點,探討全彩3D 打印領域的現存的問題及技術發展趨勢,最后對全文進行總結.

1 全彩3D 打印的實現方式

全彩3D 打印的顏色再現與打印實現方式相關.彩色3D 打印經歷了離散彩色3D 打印、連續調彩色3D打印的發展過程.隨著機械技術和材料技術的發展,已經有多種技術實現全彩3D 打印.根據產品成型方式的不同,主要可分為粉末粘結劑類、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

粉末黏結劑類3D 打印技術[29]是基于彩色噴墨打印技術提出的.所使用的材料主要為石膏和塑料粉末,該技術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彩色3D 打印產品.這種方法具有打印速度快、材料利用率高的特點,部分型號的打印機可生產顏色豐富的樣件.美國3D Systems 公司的ZPrinter 系列(收購自Z Corporation 公司)及CJP 系列3D 打印機采用的是這種技術.其最新款ProJet CJP 860Pro 打印機擁有5 個打印頭,將青、品、黃、黑粘合劑在白色粉末上打印,實現專業級4 通道 CMYK 全彩 3D 打印功能,可再現36 萬種顏色,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[30].該技術的主要過程是根據物體形狀進行分層顏色分割,采用普通的彩色噴墨打印機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,最后進行粘接.愛爾蘭CleanGreen3D 公司的Mcor IRIS 打印機和CG-1 3D 打印機(原Mcor ArkePro 系列)均采用CMYK 彩色噴墨印刷技術,通過配備專用紙和粘合劑的噴墨打印頭來構建全彩色3D 打印產品.Mcor IRIS 最大造型尺寸為256×169×150 mm,分辨率為5700×1440×508,可以展現100 多萬種不同顏色,價格約為5 萬美元.

1.3 射流熔融類

射流熔融技術是由惠普公司提出的一種3D 打印技術.所使用的材料主要為尼龍粉末.惠普3D 打印技術是通過噴射助熔劑和細化劑后加熱,使其發生化學反應,從而讓尼龍粉末固化.通過采用數字圖像半色調技術,配合特定的CMYK 四色墨水噴射方案,實現全彩3D 打印生產.這種方法具有堅固耐用、質量出色、細節清晰且復用率高的特點.彩色墨滴噴射分辨率能達到1200 dpi,可以實現1600 萬種的sRGB 顏色,但暫時無法實現透明效果和多材料混合效果打印.目前最具代表性的設備為HP Jet Fusion 580 全彩 3D 打印機.

1.4 熔融沉積類

熔融沉積建模技術[31,32]利用成型材料和支撐材料進行打印,是最重要的3D 打印方法之一.該方法是由美國Stratasys 公司的創始人Scott Crump 發明的,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,通過打印機將原料加熱熔化,擠出到加熱的底板上,在計算機控制下逐層堆積成型.其具有成本低,成型材料范圍廣的優點.但是成型時間較長且需要支撐材料.代表性的設備是XYZ printing 公司的da Vinci Color 5D 打印機、Stratasys 公司的Fortus900mc打印機[33]等.其中da Vinci Color 5D 打印機既可以實現以PLA為材料的3D 打印,也可以通過CMYK 四色墨盒進行2D 噴墨打印.其中3D 打印可實現1600 萬種顏色.Fortus900mc 打印機支持17 類材料進行彩色打印,打印尺寸最大為914×610×914 mm.

1.5 噴射固化類

噴射固化打印技術是Objet Geometries 公司在2000年提出的.該技術可使用多達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7 種色調.打印機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用紫外線光進行固化,可以立即進行取出與使用,而無需二次固化.這種技術最顯著的特點是可在單次打印中實現不同顏色和材料的結合,制作接近真實產品的原型,更可用來打印快速模具,驗證產品設計,但在打印過程中需要支撐結構,且樹脂材料強度耐久度較差.美國Stratasys 公司的PolyJet 3D J8 系列打印機采用這種技術,可同時混合7 種顏色的樹脂材料,再現50 萬種顏色,并可使產品呈現不同的紋理、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,利用白墨進行體素位置補償填充的一種直噴式全彩3D 打印技術.其基本原理為每噴射打印出一個薄層的光敏樹脂后利用紫外光快速固化,每打印完成一層,機器成型托盤便極為精確的下降一層,而噴頭持續工作,直到完成.這種技術具有可以實現不同材料的復合打印.典型設備包括中國珠海塞納打印公司的D451 系列、J501 系列打印機等.其中D451 系列最高分辨率可達600×600×2540 dpi,可實現1000 萬種顏色.

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,可以實現多種材料結合的復合打印,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 打印技術采用不同的機械和呈色材料實現三維彩色輸入圖像到3D 彩色產品的輸出再現.三維彩色輸入圖像的顏色往往采用RGB 表達,全彩3D 打印顏色則采用CMYK+其他呈色通道(以下簡寫為“CMYK+”)的方式表達.在此過程中,三維RGB 顏色到CMYK+打印顏色的轉換是關鍵技術之一;另外,如何驅動打印機將CMYK+表達的顏色通過呈色材料打印再現是另一個關鍵技術,即全彩3D 打印輸出模型.現有的技術大多借鑒采用2D 彩色打印/印刷中的顏色轉換與輸出模型,但還很難實現全色域顏色的準確再現,相應地,針對全彩3D 打印的全流程顏色管理技術也處在急需研究的階段.

2 全彩3D 打印的顏色再現

與傳統的2D 打印技術相比,3D 打印的顏色再現會更多地受到呈色材料、打印機械等因素的影響,其顏色再現環節更加復雜.從現有的各類打印技術來看,全彩3D 打印顏色再現的一般技術框架如圖1所示.

圖1中,3D 圖像的采集主要通過3D 掃描設備或3D 相機對原型的顏色和形狀信息進行采集.在對采集的顏色信息和形狀信息進行轉換處理的基礎上,通過打印輸出模型驅動打印機完成原型的3D 再現.在此過程中,顏色轉換實現RGB 到CMYK+的轉換,打印輸出模型將CMYK+信息轉換為呈色材料在特定打印位置的輸出量,這個過程類似2D 打印/印刷的分色、半色調過程,兩者都直接影響顏色再現的精度.因此,建立全彩3D 打印顏色轉換模型和輸出模型是全彩3D打印顏色再現的核心技術難點.現有的技術可滿足教學教具、兒童玩具等一般彩色產品打印的顏色再現.這些產品的顏色相對而言比較均勻,或者同一產品上的顏色種類比較有限,顏色再現的精度不是評判產品質量的關鍵指標.但對于顏色呈現連續變化或顏色種類非常豐富的產品,如服飾產品、人物模型、雕塑藝術品模型等,顏色再現的精度是評判產品質量的關鍵指標.采用現有的技術在打印這些產品時,顏色再現的效果還有很大的提升空間.在特定的呈色材料和打印機械條件下,如何最大程度利用3D 打印顏色空間的色域來再現準確的顏色和豐富的階調層次是研究的重點.

圖1 全彩3D 打印技術框架

2.1 全彩3D 打印的顏色轉換

在全彩3D 打印流程中,采集或制作的3D RGB 圖像色彩需要轉換到打印通道CMYK+圖像顏色,才能夠進行打印.現有的3D 顏色轉算法主要采用印刷色彩管理中的顏色轉換技術和分色方法.但是,3D 打印的顏色效果容易受到產品形狀、呈色材料性質的影響.因此,在應用2D 顏色轉換技術時,首先要解決3D 顏色測量問題,保證用于參與轉換計算的顏色數值是準確的.在此基礎上,解決如何獲取3D 打印色域和階調再現特性的問題,以生成進行顏色轉換的目的空間.然后,結合三維形狀信息,解決如何實現從3D RGB 顏色數值到CMYK+顏色數值的轉換問題.

針對3D 顏色測量問題,許多研究者采用不同的測量儀器進行了測量與分析.主要使用分光光度計進行測量.如,Stanic 等[35]使用GretagMacbeth (X-rite)XTH 球面分光光度計測量粉末基3D 打印的顏色;Xiao等[18,33]使用Minolta CM-2600d 分光光度計測量3D打印軟組織假體的顏色;何留喜等[36]利用X-Rite530分光光度計測量Mimaki UJF-3042 UV 打印機打印的色塊的顏色.這些測量方式以無光澤基材的二維平滑表面物體的顏色測量為基礎,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色彩的影響,并且對人眼的三維視覺特性考慮不夠,導致測量數據不能完全真實反映3D 打印的顏色視覺效果.

3D 打印產品的顏色會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等,導致物理測量結果與人眼視覺感知的不對應.針對影響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 打印不同墨層數對應的油墨厚度和表面顏色再現情況,建立了一種UV 噴墨彩色3D 打印的實施方案,其實驗結果表明,把UV 噴墨彩色3D 打印過程分為單層白色實地油墨打印、多層白色油墨疊加打印和單層彩色油墨打印3 個步驟,可以大大提高3D 打印精度及顏色再現性.劉瑜等[37]在此基礎上,進行了3D 打印產品表面呈色機理分析,計算了不同的噴墨角度、不同的打印層厚度及涂覆不同層數白墨的條件下,打印的實地色塊與標準樣之間的色差值,其實驗結果如圖2所示,表明利用UV 噴墨對3D 打印產品表面的階梯進行覆蓋后再著色的方法可以提高產品表面顏色再現質量.這些研究反映了3D 打印呈色的復雜性,對于提高3D 打印顏色測量精度有一定的幫助.

圖2 3D 打印產品表面呈色分析[37]

3D 打印色域和階調再現特性基于3D 色標版的測量數值計算得到.因此,色域和階調再現特性的準確程度與色標版直接相關.在實際應用中,直接采用2D 打印/印刷標準色標IT8.7/3 或IT8.7/4 會產生色域不準、顏色轉換誤差大等問題.針對特定的3D 打印機,有研究者嘗試自主設計3D 打印色標,如,Wang 等[27]使用Color Checker Classic(X-Rite) 在Adobe Photoshop軟件中設計了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 公司開發的顏色測試版如圖3所示[26].其平面形式的設計方便了分光光度計的使用,并且覆蓋不同色調的典型顏色,有助于提高構建打印機整體色域的準確度.

圖3 ZCrop 3D 打印顏色測試版[26]

全彩3D 打印往往采用多種呈色材料,顏色通道大于4 個,從3D RGB 數值轉換到CMYK+數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]、多項式回歸算法[41]和神經網絡算法等.其中,多維查找表法是印刷色彩管理中實現顏色轉換的主要方法,直接應用這種轉換方法的全彩3D 打印產品在顏色飽和度、階調層次再現上效果還不太理想.基于光譜的分色算法能實現穩定準確的多色印刷復制,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的難度較大,因此很難在全彩色3D 打印中應用.其他3 種算法在全彩3D 打印中的應用也比較有限,主要因為3D 打印與平面印刷在輸出過程、顏色呈現方式以及影響呈色因素方面存在較大差異,導致其顏色轉換過程的實現有了更多的不確定性.有些研究者嘗試針對不同區間的顏色采用不同的打印著色方法來再現.如Ladd 等[42]基于3D 打印的特點提出了3D 打印表觀著色的方法.對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行半色調印刷得到所需外觀;第3 種結合墨層厚度對顏色的影響,用內層顏色對表觀顏色進行補償.多樣的表觀著色方式是為了分顏色區間實現更準確的顏色再現,但這會使顏色轉換面對的情況更為復雜.因此,針對全彩3D 打印顏色轉換方法的研究還需要進一步深入.

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換后的CMYK+圖像數值信息轉換為打印機的設備驅動數值.這個過程與2D 打印/印刷的半色調過程[43]相似.

二維圖像半色調的基本算法包括閾值比較法、抖動算法[44]及誤差擴散算法[45].將二維半色調算法直接應用于建立3D 打印輸出模型,計算過程比較簡單,但是很難保證打印產品在垂直方向上的階調再現效果.對此,Stucki[46]首先提出將三維對象的連續顏色轉換為二進制數據以便通過3D 打印技術進行再現的思想,并引入三維半色調的概念.在二維半色調算法的基礎上,很多研究者開展了三維半色調算法研究并取得了一些成果.主要從擴展修改二維半色調算法、結合3D 打印材料特性、結合人眼視覺特性的角度出發進行研究.

Cho 等[47]基于Bayer 抖動提出了一種三維有序抖動算法,可以避免低頻紋理的產生,并且適應3D 打印機的噴嘴幾何形狀.Zhou 等[48]提出了針對3D 噴墨打印技術的三維半色調算法,在對模型切片處理后,分層進行誤差擴散半色調處理來完成網目調過程,但是在3D 模型垂直方向的階調再現上效果并不理想,且存在明顯的規律性條紋.

結合3D 打印的空間特性,將二維半色調算法進行擴展,采用三維閾值矩陣,可以有效改善不同打印方向的階調復制效果.如,Sun 等[49]提出了一種用來改進3D 彩色噴墨打印系統顏色均勻性的混合3D 抖動算法,該方法將Bayer 矩陣進行三維優化,將傳統的二維有序抖動算法擴展為三軸方向的多層算法.優化后的3D 抖動閾值矩陣如圖4所示,優化后的算法可以將墨滴滴入4×4×4 大小的每個體素中,其實驗結果表明,該算法可以改善不同打印方向的顏色一致性以及抖動處理后的圖案均勻性.

圖4 三維半色調算法—優化后的3D 抖動閾值矩陣[49]

結合3D 打印機自身特殊性,將材料的物理特性以及人眼視覺特性對印刷模型顏色的影響加以參考,增加半色調計算范圍,可以有效改善階調再現效果,但針對不同的打印材料需要重新計算.如,Brunton 等[50]考慮到目前3D 噴墨打印機多采用高度半透明材料,產品表層厚度會對感知顏色產生較大影響,提出了一種針對半透明材料的誤差擴散網目調算法,在紋理貼圖的文件內增加了像素位置的材料透明度參數,并擴大了半色調的計算范圍,在進行半色調計算時,根據參數改變半色調層數,然后誤差擴散計算,其實驗結果表明,此方法可以有效減少半透明材料對表面呈色效果的影響.

為了進一步克服三維半色調算法在垂直方向上階調再現效果不理想的問題,易堯華等[51]提出了一種考慮到人眼階調敏感性的三維誤差擴散算法,結合人眼階調敏感系數設計三維誤差擴散濾波器,如圖5所示,將誤差擴散后的累計誤差與線性增強系數相乘,得到線性增強誤差,最后將增強后數據與閾值比較,得到最終網目調數據.

圖5 三維半色調算法—三維誤差擴散濾波器[51]

上述各種方法都在一定程度上改善了3D 產品階調再現的效果.其中擴展修改二維半色調算法后得到的三維算法優化了3D 打印不同方向上的階調再現效果,但是矩陣層數及其中參數需要根據打印機特性的不同進行相應調整.結合3D 打印材料特性所進行的修改可以提高半透明材料3D 打印的顏色再現的準確性,但是如何設計針對多材料混合3D 打印的三維半色調算法仍是一大難點.結合人眼視覺特性進行誤差擴散的計算方法可以使最終打印結果更加符合人眼的視覺特性,但是人眼階調敏感系數并不能直接應用于所有的打印機,還需要進行深入研究.

3 存在問題與發展趨勢

目前,3D 打印的顏色再現基本依靠材料或粘結劑自身的顏色,圖像顏色與階調的再現效果與顏色轉換算法和打印輸出模型密切相關,從現有的技術來看,全彩3D 打印顏色再現領域存在的主要問題以及發展趨勢如下:

(1) 全彩3D 打印顏色數據的測量.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,能否準確測量3D 打印顏色直接關系顏色轉換的精度.采用現有的測量儀器和測量方法得到的顏色數據與人眼的顏色視覺效果還存在明顯差異.因此,針對3D 打印產品進行顏色測量儀器、顏色測量方法的研究和開發,是提高3D 打印顏色再現質量的基礎.

(2) 全彩3D 打印色彩質量評價標準的建立.3D 打印產品的顏色視覺效果與打印材料、產品形狀、觀察環境等很多因素相關,目前針對3D 打印顏色再現質量的評價方式主要為主觀評價,但主觀評價的照明觀察條件還沒有統一標準規定,多采用與評價平面圖像顏色效果相似的照明觀察條件.在定量評價方面,還沒有針對3D 顏色再現誤差的色差公式,主要采用在平面顏色復制色差計算中應用較多的CIE DE2000 色差公式,其色差計算結果與主觀評價結果之間往往有較大差別.因此,研究適用于3D 打印顏色再現質量的主觀評價條件和色差計算方法,對于3D 打印的顏色質量控制是十分必要的.

(3) 全彩3D 打印色彩管理技術框架的建立.全彩3D 打印技術具有多樣性,在對打印過程進行色彩管理時,直接應用印刷色彩管理的技術框架雖然可以基本實現3D 顏色的復制再現,但會出現較大的顏色再現誤差.因此,針對特定的全彩3D 打印技術,研究顏色轉換與輸出模型核心技術,并在兼顧不同打印技術的前提下,探索建立統一的全彩3D 打印色彩管理技術框架,是全彩3D 打印發展的需要.

4 總結

全彩3D 打印的材料和技術在快速地發展,顏色轉換和顏色打印輸出模型將一直是全彩3D 打印顏色再現的核心問題.這些問題的研究與3D 打印顏色測量、3D 打印顏色再現質量評價密切相關.在這些技術發展完善的基礎上,研究全流程的全彩3D 打印色彩管理是提高全彩3D 打印顏色再現質量、推動全彩3D 打印更廣泛應用的發展趨勢.