[其它] 浅谈光栅板立体印刷彩图的制作比较

C.R.CAN

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发表于 2011-12-21 15:39:52 |只看该作者 |倒序浏览

   光栅板立体印刷具有呈现立体的功能，使观看者能够观看物体时，由观看的角度不同，能够看到物体的变化，借此得到对物体的立体感，但应用於光栅板立体印刷之前处理，则必须仰赖人工对物体不同角度拍摄，制作上耗时费力，而且成果不一定合乎要求。本文的目的在利用光栅板可呈现立体效果之特性，将其对於制作建物立体印刷，藉由电脑软体之辅助，就能够减少人工拍摄时会遇到的困难，提高成品的成果与一致性，并提升处理效率。
一、前言
目前市面上常见的立体彩图印刷，一般指的是光栅板立体印刷，当前此立体成像技术多朝向商业用途发展，并结合印刷、艺术及科技等领域创作成品，被广泛应用於包装装潢、商品广告、室内装饰及明信片等，尼泊尔还曾使用此种技术制作过立体邮票。立体印刷与传统印刷相较，具有以下特点：
1．立体印刷能逼真地重现物体的立体感，层次丰富，形像逼真。
2．立体印刷原稿多是造型设计或景物拍摄而成，印刷材料多为铜版纸和耐高温油墨，所以光泽度好，颜色鲜艳不易褪色。
3．立体印刷表面覆盖一层具凹凸柱状棱镜般的光栅板，可以直接看到全幅画面的立体效果。
4．不需配戴辅具的立体显示系统，不会因为常戴辅具而产生不适咸：而且可供多人同时观赏。
随著电脑直接制版CTP技术出现，采用调频网点高精度多色印刷。UV技术应用不断成熟，许多设备制造厂商推出了各种型号的UV胶印机。海德堡、曼罗兰、高宝、小森及利优比等均已推出具有此功能的橡印机。用橡印机直接印刷塑胶光栅材料也不再是难题，立体印刷品质有了保证，使得光栅板立体印刷得到飞速发展。近几年，国内立体印刷得到了很大的发展。印刷厂开始运用光栅板立体印刷技术来生产较为复杂的产品。从标签、海报到包装产品，甚至是塑胶杯都有其应用之实例。虽然光栅板立体印刷的产品上看到的并非真正意义上的立体视觉效果，但光栅立体印刷并非只是宣传品或美工制品。与传统的立体照片制作技术相比，在经济性及使用灵活性等方面都显示出其特有的优势。例如，光栅板印刷应用於立体地图之制作，除了有携带方便，易於储存的优点，还能获得实体立体地图之观视效果，若结合航照或卫照影像，更可提供丰富的地景视觉，有利於地形、地物之研判。
传统单张风景或人物照片之立体印刷，虽然可以使用单张相片的假3D立体成像原理制作，但对於照片内容物体之远近是由制作人员主观判定，再根据此种判断结果，使用影像处理软体以人工描绘方式分层，完成分层後再使用光栅板印刷前处理软体，制作成原稿。此种处理方式之成果，改变了地物之间真实的高度差异，人工分层处理过程也相当耗时费力，而且制作成果因人而异，缺乏产品的一致性。
平面立体地图或影像因具有座标，可与本岛已测制之数值地型模型(Digital Terrain Model，DTM)套合，因此提供影像分层之客观依据。本文之目的，乃利用光栅板可呈现立体效果之特性，将其应用於制作平面立体地图，藉由数值地型模型之辅助，设计一套使用地理资讯系统软体的分层方法，以减少人工判断，提高产品的一致性及客观性，并提升处理效率。由於分层数目过少在观视时可能产生立体模型不连续或不明显的现象，过多分层则需增加制作时间，因此本文亦采用不同分层方式，比较其成果，以了解适合之制作方式。
二、立体成像技术
人类两眼之间的距离(眼距)约为6．3—6．9公分，使我们不论用哪一只眼睛去看一个近的物体，都会得到不同的远背景。左右眼所见不同影像的现象，称为双眼视差(Binocular Parallax)。当双眼注视於同一点时，两眼的视线轴交会於该点形成交会角，称为视差角(ParallacticAngle)，视差角愈小物体愈远，视差角愈大物体越大(WolfandDewitt，2001)，如图1，脑神经以该二点视角之差异分辨这点点之远近，并在大脑中融合成视觉影像空间。因此透过双眼分别观视两张不同摄影位置所拍摄出之连续影像，就可看出三维立体影像。

图1

目前立体成像技术有以下几种方法
1．两张式立体照片(Stereoscopic Pictures)两面反射镜放入两张不同的图画，使两眼看到不同的影像，在使两张图画融合在脑中形成立体图像。
2．红蓝眼镜立体法(Anaglyph)利用红色和蓝色两种颜色融合的影像，配合红蓝眼镜观看立体成像。
3．视差遮障立体法(Parallax Barrier)如图2所示。

图2

4．随机点立体图(SIRDS)将一张随机点的立体图和另一张隐藏的立体图叠合成一张图。
5．光栅板立体印刷(Lenticular Printing)把AB两张不同的影像分成好几各部份後，将A图的第一各部分和B的第一各份依顺序排列於光栅板的透镜中，如图3。

图3

6．立体叠纹法(Hologravure)利用叠纹的效果去观看立体。
7．堆叠立体法(Integral Method)将不同影像叠合处理後的影像放在球状透镜下，去观看立体成像。
8．立体全像术(Holography)利用雷射光，经由分光镜，挡板，面镜，空间滤波器，将光线传送给观察者去观看立体成像。

三、光栅板立体印刷
（一）光栅板的结构和特性
光栅板由一串柱状透镜依序排列，透过光线折射成像，而透镜的焦距、半径焦距、视角都会影响成像效果。
光栅板本身材质的比重、热变形温度、透明度、折射率等都会影响立体制作效果及後制加工。光栅板是以每一英寸有多少个柱状透镜(Lenticules-Per-Inch，LPl)区分其规格。由於每种光栅板有不同的线数、材料折射率、厚度及视角，因此可表现的效果均不同，而光栅板的材质有PET(聚酯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)及ps(聚苯乙烯）与压克力等几种。
光栅板线数(LPI)的选择对於印刷所得之立体显像也非常重要，目前世界上生产之光栅板线数从10LPI(约3mm)到200LPI(0．2mm)，而其尺寸规格大多为20”x28”英寸。常用到的光栅板材料规格与用途则有以下几种(吴文和，2005a)：
1．厚度0．25mm，线数141LPI之PET(Poly Ethylene Terephthalate)光栅板，其应用在手机面板、邮票、DVD光碟等商品。
2．厚度0．35mm，线数100LPI之PET光栅板，其应用在精品包装盒、酒盒、VCD光碟、标签等商品。
3．厚度0．46mm，线数75LPI之PET光栅板，其应用在卡片、药盒、信用卡、文具用品、书籍等商品。
4．厚度0．68mm，线数62LPI之PET光栅板，其应用在海报、展示牌、吊牌，明信片等商品。
光栅板亦因不同视角的差异，而有不同用途，宽视角适合变图效果，窄视角则适合立体图效果。通常会依需求价格及立体表现效果与应用等来做决定。
（二）光栅板文体效果与立体地图制作
光栅板立体印刷的表现效果相当广泛，大体而言可分为3D立体效果、变图效果、变大变小效果、连续动感效果、Morph(类似变脸效果以渐进方式的变化)，立体叠纹效果或将上述几种效果结合的展现方式(吴文和，2005)。其中3D立体效果为可以直接应用於立体地图制作的一种方法。3D立体效果又分为假3D(Layer3D)及真3D(***e3D)两种方式。假3D立体效果系使用单张相片或影像，依作者之主观判断物体的景深，将其前後层次分离，再使用软体产生位移图像後，再分割组合成可用光栅板获得立体视觉之影像：真3D立体效果则使用专业立体相机同时拍摄不同角度影像，或利用3D动画软体模拟多张不同角度图像後，经专业立体制作软体合成产生前後位移图像，经印制在光栅板後产生图像有前後层次深浅效果。在立体地图制作时，虽然可以取得符合立体摄影性质的航照或影像像对，但其几何关系与现有的软体未必能配合，因此以单张相片或影像结合数值地形资料制作立体地图较为方便。
（三）光栅板立体成像原理
光栅板立体成像原理是将不同视角的影像融合在同一张图像中，再利用柱状透镜阵列的几何光学成像的特性，让左右眼看到不同视角的影像，而达到立体的成像效果，如图4所示。亦即让平面图像中的景物有前後位置不同，或左右眼观看物体时会有位移的效果。我们利用此效果制作图像底稿，并将处理过後的图像底稿贴合於柱状透镜阵列板，产生有景深的立体图像(Gottfried，2001)。

图4

以图5为例，假设有五个物体分别排列在一直线上，而人眼的观看位置分别於位置A、B和C上，看到的图像会因为视差角度的不同，而看到如各个位置上的图像。位置A看到的图像是由右向左排列；位置C看到的图像是由左向右排列；位置B是因为刚好在正中间，所以影像为数字全部叠加在一起。

图5
图5中各观看位置的图像还原至平面时，当以物体3为中心点时，物体1、2在中心点之前，而物体4、5在中心点之後，而观察位置A往观察位置C移动时，物体在中心点之前的会往左做位移，而物体在中心点之後的则往右移，如图6。所以，在制作平面立体影像时，除了中心点的影像不动外，需将前景或是後景的影像做适当的位移，至於向左位移或是向右位移，则需对应柱状透镜阵列的图像摆放位置。

图6

图像底稿透过电脑软体完成如图6之位移後，遗需将每个图像分解成多条长条状的图像，再依不同图像的位置，依顺序结合起来。以便於并透过柱状透镜阵列，在同一个位置看到不一样的视角影像(如图7)。由於两眼看到不同位置的图像，并根据视差原理，由视神经咸测後透过大脑的将这些不同图像组合立体图像。此种分割影像及贴合光栅板之处理流程如图8。

图7

图8

（四）光栅板立体印刷流程
光栅板立体印刷就是根据前述原理及处理，利用具有透镜成像效果的光栅板(柱状透镜阵列)，将经过特别处理景物之图像产生立体咸觉的一种印刷。该技术结合电脑科技和印刷技术及艺术美学设计，使柱状透式光栅板表现出不同特殊效果。其主要制作流程为：设计构图——立体摄影或动画输出及制作立体图层——专业软体制作合成立体图——分色制版——光栅板材料——印刷方式——後制加工——成品包装(吴文和，2005a)。
在上述过程中应用於立体地图制作的主要差异在於立体摄影步骤。传统立体印刷原稿系透过立体摄影去建立共轭像点间之视差关系，该种关系可推算物体间之高程差，亦即可以了解物体景深之差异，以进行影像之分层与合并处理，但对於单一图像之地图与影像则需使用该区已测制之数值地型模型，以了解地物间之高程与景深关系，再进行分层与合并处理。此种处理过程，在传统上采用人工标绘分层处理，非常费时费力。

四、3D雷射数位扫描仪介绍
本文所使用的Optech ILRIS-3D(Intelligent Laser Rangingand lmaging System)，ILRIS-3D使用快速的方式，将扫描资料转换成CAD软体使用的格式，以供平面／高程的选取、快速的设计。所有的详尽资料，例如电杆、道路中心线以及路边的护栏等资料，都会被详尽精准的定位记录。一些附属资料也会一并被搜集，例如植被型态、树冠的尺寸以及帐棚体积等。ILRIS-3D配备了六百万画素的数位相机以及大尺寸的LCD显示幕，ILRIS-3D拥有和一般数位相机一般简单的操作介面，每秒2000点高速大量的资料搜集，以及3m—1500m长距离的测距能力使的野外作业变的格外的简单，经济，在任何测量模式下。360％X360％全方位视野的能力，配备了一组可旋转倾斜的基座，基座与扫描仪本身一体动作，并且一并由控制器软体控制。

图9

图10

  照片与模组成果比对

图11

图12
  五、3D雷射数位扫瞄仪的建模
建立
本次使用3D雷射数位扫瞄仪一秒可以获得2000个点位，现在的仪器可以一秒可得12万个点位。仪器使用时应先将仪器架设好，仪器本的拍摄角度为左右各20度，上下15度，加上脚架後可旋转360度，下上90度，仪器可以转用自由模式，旋转要的角度去选取拍摄影影像。在确定拍摄目标後，先做环境评估，如行车路线，是否有建筑物遮蔽，扫描站数，仪器使用时间，决定要扫描范围及扫描密度，依据所需精度去决定点云密度等。在扫描前要先决定仪器的架设位置，需要几个扫描站，各站的扫描影像要互相有重叠，才能点选特徵点，进行点云结合，扫描後的点云利用RealworkSurveyn软体去做滤除不要的杂讯，做点云切割，点云结合，完成点输出。
将点云资料转成X，Y、Z档使用Rapidform取读资料，进行点云数量减少，面分析，网面修补，多边形的建立和编辑，点云资料输出，可以利用其他转体去贴图、修图，如3dmax或其他3D绘图软体。须先拍摄目标物的高精度相片，才能使贴图时能建立好美的影像，以利建模的完成。

六、实验设计
光栅板立体印刷与原稿有很大的关系，因为需要使用到物体的照片，而照片的取得就格外重要，有两个方法去取得照片：(一)是对一个静止物体进行各方面的拍摄，将所得之照片进行软体的处理，即可成图，(二)使用3D雷射扫描仪撷取点云数位档格式，并透过逆向工程软体Rapidform快速处理点云并建置实体3D模型，再由相关参数化软体完整保留3D实体模型，建置数位资料进行编辑。藉由模型的建立，在利用截图程式进行图片取得，即可完成光栅板立体成图。以一地标为例介绍两种方法。
(一)一地标的拍摄，则需要准备相机和脚架，先找到拍摄的地点，对正後，接著进行架设脚架，逐步进行架站与拍摄之动作，此方法会有以下问题。
1．要逐步地进行拍摄，则需要考虑到外在的因素，如天候状况、与人为因素，在天气不佳的情况，采光与拍摄结果都要列入思考，毕竟在雨天时，无法使用相机进行拍摄。
2．拍摄时需要花费大量的时间在於架站，每一次的架站，都是时间与力气的花费。
3．架站时，会产生高地的偶然误差与人为误差，使得拍摄的高度大不相同，并且换站时的角度也会产生相同的事情，所以在制作立体影像时，会产生出位移过大、不均与高地交错的情形。
(二)使用3D雷射扫描仪撷取点云数位档格式，并透过逆向工程软体Rapidform快速处理点云并建置实体3D模型，再由相关参数化软体完整保留3D实体模型，建置数位资料进行编辑。藉由模型的建立，在利用截图程式进行图片取得，在利用此完成。此方能够改善(一)造成2、3项问题。但是由於3D雷射扫描仪的进行，并不能够在雨天使用，内业处理较为繁复，因此花费的工作时间也会增加。针对3D雷射扫瞄仪的优点可以建立一个实地的完整建模，而建模具有X、Y、Z座标，精度较高，我们可以运用其建立完整的精细的建模，自由选取我们要的建模图，利用软体的旋转功能可以在同一轴上，不会有人工拍摄而产生高低差造成影像有部分立体成像模糊。搭配GPS测量点位後可与航照图结合建构一个具有经纬度座标的立体图。
两种做法的比较：

图13

七、结论与建议
在实际测量的时候，会产生重复性的工作，那就是架站与拍摄，传统上的方法，会产生的许多的误差，以至於成品上的许多缺陷，这为不可避免的，本文所提出的方法是为了减少重复性的工作，并且增进其成果，其为数位化的处理，虽然有部分问题需要解决及注意，若能够去克服，必能提高成品的质量，以下为实际操作时所遇到的问题：
(1)扫描程序
3D雷射仪扫描过程中，需考空间、环境、气候及设备等因素。
1．如果目标遮蔽物太多需标示重要特徵并加上照相，来进行後续修补建模工作。
2．目标的屋顶不易拍摄扫描，需寻找高处拍摄，又需考虑距离会影响精度。
3．外业时间需考虑电脑和扫瞄仪的电量及仪器扫描时间和站数。
4．点云结合选取特徵点最少三点，能提高点云的精确度，配合软体提供的三种方式进行组合的动作，包含2D、3D及照片的方式。
(2)数位化建构程序
1．Rapidformv2006内建的自动曲面建立功能，若3D数位点云资料不够完整，需人工建立曲面。
2．点云图的原始密度会影响数位化模型的精攀度。Rapidformv2006的点云资料密度不够，会影响面的分析精度降低。
3．建物点云资料不够会有破面产生，需人工进行补面。
4．贴图时需注意面的完整性，相片的完整性，2D及3D面的转换。

三、光栅板立体印刷
（一）光栅板的结构和特性
光栅板由一串柱状透镜依序排列，透过光线折射成像，而透镜的焦距、半径焦距、视角都会影响成像效果。
光栅板本身材质的比重、热变形温度、透明度、折射率等都会影响立体制作效果及後制加工。光栅板是以每一英寸有多少个柱状透镜(Lenticules-Per-Inch，LPl)区分其规格。由於每种光栅板有不同的线数、材料折射率、厚度及视角，因此可表现的效果均不同，而光栅板的材质有PET(聚酯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)及PS(聚苯乙烯）与压克力等几种。
光栅板线数(LPI)的选择对於印刷所得之立体显像也非常重要，目前世界上生产之光栅板线数从10LPI(约3mm)到200LPI(0．2mm)，而其尺寸规格大多为20”x28”英寸。常用到的光栅板材料规格与用途则有以下几种(吴文和，2005a)：
1．厚度0．25mm，线数141LPI之PET(Poly Ethylene Terephthalate)光栅板，其应用在手机面板、邮票、DVD光碟等商品。
2．厚度0．35mm，线数100LPI之PET光栅板，其应用在精品包装盒、酒盒、VCD光碟、标签等商品。
3．厚度0．46mm，线数75LPI之PET光栅板，其应用在卡片、药盒、信用卡、文具用品、书籍等商品。
4．厚度0．68mm，线数62LPI之PET光栅板，其应用在海报、展示牌、吊牌，明信片等商品。
光栅板亦因不同视角的差异，而有不同用途，宽视角适合变图效果，窄视角则适合立体图效果。通常会依需求价格及立体表现效果与应用等来做决定。
（二）光栅板文体效果与立体地图制作
光栅板立体印刷的表现效果相当广泛，大体而言可分为3D立体效果、变图效果、变大变小效果、连续动感效果、Morph(类似变脸效果以渐进方式的变化)，立体叠纹效果或将上述几种效果结合的展现方式(吴文和，2005)。其中3D立体效果为可以直接应用於立体地图制作的一种方法。3D立体效果又分为假3D(Layer3D)及真3D(***e3D)两种方式。假3D立体效果系使用单张相片或影像，依作者之主观判断物体的景深，将其前後层次分离，再使用软体产生位移图像後，再分割组合成可用光栅板获得立体视觉之影像：真3D立体效果则使用专业立体相机同时拍摄不同角度影像，或利用3D动画软体模拟多张不同角度图像後，经专业立体制作软体合成产生前後位移图像，经印制在光栅板後产生图像有前後层次深浅效果。在立体地图制作时，虽然可以取得符合立体摄影性质的航照或影像像对，但其几何关系与现有的软体未必能配合，因此以单张相片或影像结合数值地形资料制作立体地图较为方便。
（三）光栅板立体成像原理
光栅板立体成像原理是将不同视角的影像融合在同一张图像中，再利用柱状透镜阵列的几何光学成像的特性，让左右眼看到不同视角的影像，而达到立体的成像效果，如图4所示。亦即让平面图像中的景物有前後位置不同，或左右眼观看物体时会有位移的效果。我们利用此效果制作图像底稿，并将处理过後的图像底稿贴合於柱状透镜阵列板，产生有景深的立体图像(Gottfried，2001)。

图4

以图5为例，假设有五个物体分别排列在一直线上，而人眼的观看位置分别於位置A、B和C上，看到的图像会因为视差角度的不同，而看到如各个位置上的图像。位置A看到的图像是由右向左排列；位置C看到的图像是由左向右排列；位置B是因为刚好在正中间，所以影像为数字全部叠加在一起。

图5
图5中各观看位置的图像还原至平面时，当以物体3为中心点时，物体1、2在中心点之前，而物体4、5在中心点之後，而观察位置A往观察位置C移动时，物体在中心点之前的会往左做位移，而物体在中心点之後的则往右移，如图6。所以，在制作平面立体影像时，除了中心点的影像不动外，需将前景或是後景的影像做适当的位移，至於向左位移或是向右位移，则需对应柱状透镜阵列的图像摆放位置。

七、结论与建议
在实际测量的时候，会产生重复性的工作，那就是架站与拍摄，传统上的方法，会产生的许多的误差，以至於成品上的许多缺陷，这为不可避免的，本文所提出的方法是为了减少重复性的工作，并且增进其成果，其为数位化的处理，虽然有部分问题需要解决及注意，若能够去克服，必能提高成品的质量，以下为实际操作时所遇到的问题：
(1)扫描程序
3D雷射仪扫描过程中，需考空间、环境、气候及设备等因素。
1．如果目标遮蔽物太多需标示重要特徵并加上照相，来进行後续修补建模工作。
2．目标的屋顶不易拍摄扫描，需寻找高处拍摄，又需考虑距离会影响精度。
3．外业时间需考虑电脑和扫瞄仪的电量及仪器扫描时间和站数。
4．点云结合选取特徵点最少三点，能提高点云的精确度，配合软体提供的三种方式进行组合的动作，包含2D、3D及照片的方式。
(2)数位化建构程序
1．Rapidformv2006内建的自动曲面建立功能，若3D数位点云资料不够完整，需人工建立曲面。
2．点云图的原始密度会影响数位化模型的精攀度。Rapidformv2006的点云资料密度不够，会影响面的分析精度降低。
3．建物点云资料不够会有破面产生，需人工进行补面。
4．贴图时需注意面的完整性，相片的完整性，2D及3D面的转换。

来源：3D中国