光栅立体印刷

光栅立体印刷2011-03-0609:05立体印刷是指用印刷工艺实现在二维平面上表现三维空间立体效果的复制技术，英文为3DPrinting或StereoscopicPrinting。立体印刷技术诞生已久，但在相当长的时间内是采用传统的模拟技术进行立体印刷制作，工艺过程复杂，成本昂贵，技术发展十分缓慢。近十年来，随着计算机技术在印刷领域的广泛应用，立体印刷才得到迅猛发展，在立体印刷理论、设备、软件平台和制作工艺技术的研究、市场开拓等方面均取得了显著成果，在印前图像制作、数据输出、印刷成图工艺和光栅材料等方面均有所突破，立体印刷市场在立体印刷技术及设备开发商和立体印刷企业CHINAPRINTINGANDPACKAGINGSTUDYVol.01No.05 2009.10OVERVIEW看印刷包装看印刷包装看印刷包装看印刷包装的共同培育下，正萌发出新的生机和活力。其应用领域已扩大到商业印刷、包装、广告、商标防伪等各个方面，成为印刷领域的一个重要分支。1立体成像原理人们在观察物体时，之所以能很自然地产生立体感，是因为人的双眼在观察物体时，两眼之间有一定的距离，与物体之间形成一定的夹角，左右两眼所看到的物体会产生视差，这种视差所构成的图像反映到大脑中，便产生了空间立体感。人眼能由二维平面印刷图像上观察到三维的立体效果，就是基于两眼视物产生视差的原理[1]理论上讲，只要能制造一个场景，使人的左眼只看到左眼视图，右眼只看到右眼视图，就可以在大脑中产生立体感受。制造此类场景的方法很多，如：像对立体成像法、光栅立体成像法等。1.1像对立体成像法采用照相或计算机生成等方式得到两幅模拟人左右眼观测的视图，分别称为左眼视图和右眼视图，也叫像对。当观看这两幅视图时，需要佩戴立体眼镜使左眼只能看到左眼视图，右眼只能看到右眼视图，从而使双眼获得具有立体视差的两幅图像。立体眼镜按原理可分为3类：①基于偏振光原理；②基于互补色原理；③基于电子开关原理。用立体眼镜观看像对，能够得到较好的立体感，造价也比较便宜，但也存在着许多明显缺点，如佩戴特殊眼镜，减少了观看的娱乐性和舒适性；佩戴基于互补色原理的立体眼镜无法看见彩色图像；佩戴基于电子开关原理的眼镜则要求显示器具有很高的刷新频率，否则就会产生闪烁感等[2]1.2光栅立体成像法光栅成像法是根据光学原理，利用光栅板使图像记忆立体感的一种印刷方法。根据成像原理的不同，光栅分为狭缝光栅、柱镜光栅和球面光栅，其中应用最为普遍的是柱镜光栅。1.2.1狭缝光栅成像狭缝光栅成像是利用透射针孔成像原理来实现图像的立体再现（如图1所示）。狭缝光栅的最大优点是光线聚集精确，成像好，立体效果强烈，但要在有背光源的情况下才能观看，主要用于制作立体灯箱广告。1.2.2柱镜光栅成像柱镜光栅成像是根据透镜折射原理实现图像的立体再现。柱镜光栅是由许多柱面透镜组成的透明塑料板（片），其表面的光栅线条由许多结构参数和性能完全相同的小半圆柱透镜线性排列组成，其背面是平面，为柱透镜元的焦平面，每个柱透镜元相当于汇聚透镜，起聚光成像的作用[1,3]。因此，可以利用在不同视点上获取的二维影像来重建原空间物体的三维模型[4]。用它制作的立体图像不需要背光源或立体眼镜就能正常观看，其成像原理如图2所示[5]。1.2.3球面光栅成像球面光栅也叫点阵式全像立体光栅，制作出的图像从上下、左右观看，都能获得立体感，是一种新型的立体表现方式[6]。它的制作材料、观看方式、制作工艺不同于柱镜立体光栅和狭缝立体光栅，其结构示意图如图3所示。最近几年，随着计算机图像处理技术、印前制版技术、印刷技术、光栅制作技术的迅猛发展，光栅立体印刷在广告、摄影、装饰、旅游、画业、包装、防伪等领域得到了广泛应用，成为特种印刷的一个重要分支。图1狭缝光栅成像原理示意图Fig.1Schematicdiagramofparallaxbarrierstereoscopicimagingprinciple右眼左眼左眼像素右眼像素狭缝光栅图像图2柱镜光栅板成像原理示意图Fig.2Schematicdiagramoflenticulargratingimagingtheroy右眼左眼光栅板图像中国印刷与包装研究 2009年第5期(第1卷)综述2立体印刷技术的起源与发展立体印刷技术源于视差理论、摄影技术和光栅成像技术的结合。英国实验主义哲学家惠斯登(c.Wheatstone)在1833年提出了双眼视差所产生的视网膜像的不对应性在经神经系统综合后形成立体视觉机制的学说，后于1838年制成象征人双眼视差的台式实体镜(立体镜)并进行公开实验。从此视差理论成为立体照相的基础。法国的达盖尔(J.M.Daguerre)于1839年发明了银板照相法，从此使照相的感光速度和使用的方便性大大提高，可以满足使用几个规格相同的镜头在打开快门时在同一张底片上获得同样曝光量的要求，为双镜头立体相机的设计创造了条件[7]O英国物理学家塔尔伯特(F.Talbot)利用上述两项发明，于1841年发表了他设计的单镜头立体相机。照相时，利用相机作左右向位移，获得两张拍摄视角不同的底片，从而生成视差立体像对。1849年英国光学家布鲁斯特(D.Brewster)对塔尔伯特的立体相机进行了改进，使之成为真正的双镜头立体相机，一次曝光就可以同时获得具有一定视差的立体像对[7]。但由于这种立体像对需要使用立体眼镜才能观察出立体感，在使用上很不方便。1940年，法国开始利用W.Hess于1911年发明的柱镜光栅成像技术制作立体图片。法国人MauriceBonet率先在巴黎开设了人像立体摄影室，从此，柱镜光栅成像技术开始了其商业应用。后来，美国Victoranderson的VARI-VUE公司利用BONET的设备开始了光栅立体印刷生产，与此同时，日本也有数家印刷公司印刷光栅立体变图图片[8]。立体摄像技术诞生至今已有150多年的历史，而立体印刷真正用于商业生产仅有60年的历史。在我国，1964年北京市商标装潢印刷一厂率先开始了立体印刷技术研究，主要对立体照相机、立体制版印刷、柱镜光栅三大关键技术进行科研攻关，于1967年上半年研制成功我国第一幅三维立体摄影图片，同时实现了立体印刷，填补了国内立体印刷的空白。中科院自动化所、清华大学、北京照相机厂、北京第二机床厂等单位协作，于1968年12月26日研制成功一台名为M-681226-1型的单镜头双轨道自动立体照相机，标志着我国立体照相机和立体印刷技术的发展迈出了崭新的一步。1978年北京成立立体图片印刷厂，也是当时全国惟一的立体印刷厂，其产品初步进入市场。1985年该厂与香港特版印刷公司合资兴办深圳京港立体印刷有限公司，首先尝试在笔记本封皮上装配立体图片和变图图片，学生用立体异变尺子、贺年卡、钟表盘、钥匙扣、公园特种纪念门票等产品不断进入市场。特别是1990年亚运会举办期间，运用该技术印刷了多种运动项目标识产品。至此，立体印刷在中国有了新的应用和发展。特别是近十年来，立体印刷技术得到了迅猛发展，在立体印刷理论、设备、软件平台和制作工艺技术的研究、市场开拓等方面均取得了显著成果。同时，凭借数字印刷出版技术飞速发展之势，立体印刷技术在印前图像制作、数据输出、印刷成图工艺和光栅材料等方面均有所突破，缩短了生产周期，提高了产品质量，降低了生产成本，并开始步入数据化、规范化生产的轨道。3光栅立体印刷主要技术光栅立体印刷主要经过原稿获取、多像合成、制版、印刷及光栅复合成像等技术环节，与平面印刷品成图过程基本相同，其区别主要表现在原稿的形式、印前图像处理原理、加网方法、印刷工艺要求及印后加工等方面。3.1原稿获取3.1.1原稿获取方法分类如图4所示，光栅立体原稿获取方法分为两大类：一类是通过摄影法得到立体图片，另一类是通过计算机虚拟仿真生成多视角渲染图，如采用三维地形建模生成多视角渲染图可以成为三维地图的图像来源[9-11]。第一图3球面光栅示意图Fig.3SchematicdiagramofsphericalgratingCHINAPRINTINGANDPACKAGINGSTUDYVol.01No.05 2009.10OVERVIEW类摄影法又可分为两种：一是普通摄影法，二是视差摄影法。其中普通摄影法是指人们日常生活中普遍使用的照相方法，对每个景物用单镜头相机获取一个视角的单张照片，在此不再赘述。视差摄影法有两种，一是直接法，在摄影的同时加光栅，直接得到多视角光栅合成图像；二是间接法，利用立体相机由多个视角拍摄同一景物而得到多幅视差照片。3.1.2立体摄影立体摄影的目的是获取多视角图像。获取多视角图像的方法有两类：一类是用单镜头相机进行多视角拍摄，一类是用多镜头相机进行一次拍摄。1） 单镜头相机圆弧移动摄影单镜头相机圆弧移动摄影是用单镜头相机进行多视角拍摄方法中的一种（如图5所示），把光栅板直接加装在感光片前面，用一台照相机进行拍摄，照相机的光轴始终对准被摄物中心。照相机运动的总距离以满足再现图像的要求为准，一般夹角控制在3°〜10°；光栅板与感光片随机同步移动，每次曝光在光栅板的每个半圆栅柱下聚集成1条像素，当相机完成预定距离拍摄，像素布满整个栅距。经冲洗即可得多视角光栅合成图像。2） 改装型相机摄影将一台普通相机在特制的导轨上移动65mm（人眼瞳距）的水平距离对景物在相同拍摄条件下拍摄两张照片，景物在先后拍摄期内不得有任何变动。将两台同型号普通相机相距65mm水平排列，以相同的快门和光圈同时进行曝光，获取像对，如图6a所示。在普通相机镜头上安装分束镜，可在1张底片上同时获得1个像对。3） 专用型立体相机摄影专用型立体相机由多个镜头组成，如图6b所示，镜头越多，可拍摄的场面越宽，像质也越好。3.2印前图像处理印前图像处理与平面印刷品的不同之处是需要根据所使用的光栅参数对图像进行多像合成。对于用普通相机摄取的单视角图像，还必须首先生成视差图。早期的印前图像处理主要依靠摄影技术，在摄影及洗印加工环节进行多像合成。由放大机把成对的图像底片通过柱镜光栅片成像在感光片上，制成光栅合成图。这种方法采用的加工设备复杂，成本昂贵，因此，相当长的时期内，光栅立体成像技术没有得到明显发展。近十年来，数字印前技术的普及应用，实现了在计算机环境下利用软件平台进行印前制作，可针对光栅立体印刷完成对原稿图像的颜色与阶调层次处理、视差图的生成、多像合成等作业。印前制作的关键是生成视差图序列，并将其按照设置好的光栅参数进行多像合成，得到一幅光栅图像。3.2.1视差图序列的生成1）由多视角图像生成视差图序列如前所述，通过摄影等手段获取景物的多幅具有一定视差的图像，这些图像组成了视差图序列。图7所示是2幅视差图。2）由单幅图像生成图像序列将用于制作前后景的多幅平面图像在Photoshop中按前后景顺序分层放置，然后导入立体制作软件（如3DMAGIC、PSDTO3D、3D4U等）中进行处理。在软件环境中，首先将原稿中的景物按凹凸视觉效果勾图6多镜头立体相机示意图Fig.6Schematicdiagramofmulti-lensstereoscopiccamera（a）两部照相机合并使用 （b）双镜头的立体相机图5单镜头相机多视角拍摄示意图Fig.5Schematicdiagramofmulti-viewpointshotwithasingle-lenscamera左右ABCSO图4光栅立体原稿获取方法Fig.4Capturemethodofgratingstereoscopicmanuscript光栅立体原稿获取摄影法计算机虚拟仿真普通摄影法视差摄影法直接法间接法中国印刷与包装研究 2009年第5期（第1卷）综述看印刷包装看印刷包装看印刷包装看印刷包装画等高线，然后选定主体中心，将前后景物进行一定量的位移，形成不同视差角度的图像序列[12,13]。3.2.2多像合成通过一定方法，将视差图序列合成为一幅光栅图像，如图8所示。在多像合成之前，首先要对光栅进行测试，获取准确的光栅栅距。目前多像合成方法有两种：专用软件生成法和通用图像处理软件处理法。由于光栅立体图像是通过将图像像素分离重组得到的，图像数据量大，对计算机性能要求较高。1）专用软件生成法根据光栅图像的制作原理编写软件程序，通过读取多幅视差图序列直接生成一幅光栅图像[14]2）通用图像处理软件处理法在Photoshop等图像处理软件中，使用于工操作的方法分割图像序列中的每一帧，然后再拼贴合成所需的光栅图像。使用该方法虽然原理简单，但操作较麻烦。在多像合成之后，要对图像进行水平方向压缩处理，使视图每组影像的宽度等于光栅栅距。3.3数据输出与制版由印前图像处理软件完成多像合成后，进行数据输出。通过胶片晒版或直接制版的方法制成印版。这一过程与平面印刷品相同，但在加网技术上有其特殊性。图像加网可以采用调幅加网、调频加网以及光栅立体专用加网技术。由于光栅立体印刷图成图后在图面复合柱镜光栅板，光栅条纹方向为纵向，它与规则排列的印刷网点之间会产生干涉条纹，因此，当选择调幅网点加网时，要采用与平面印刷品不同的加网角度，不宜选择0°。常用的网线角度组合方案有：黄81°、品红36°、青66°、黑66°；黄50°、品红20°、青65°、黑65°；黄66°、品红22°、青51°、黑51。等。另外，考虑到立体图像的清晰度和立体感等多方面的因素，加网线数一般要求在250线/英寸以上，甚至300线/英寸。光栅立体成像原理决定了调幅网点并不是加网的最佳选择[15]，因此，部分光栅立体印刷品采用了调频加网技术，但由于调频网点属于离散态网点分布，对制版印刷技术要求过高，并未成为当前的主流加网技术。最近几年，出现了专门用于柱镜光栅立体印刷的加网技术，如3D-RIP等，这种加网方式在网点生成时严格遵守“在每个光栅栅距内，从每幅视图上获取的各列像素的灰度值应保持其相对独立性”的原则，避免了各视图之间的灰度值进行混合运算，从而有效提高了图像的立体感和清晰度[15]。由于该类型网点仍属于聚集态网点分布，继承了调幅网点在制版印刷方面的技术优势，如图9所示。3.4印刷与光栅复合成像光栅立体印刷品与平面印刷品在印刷技术上的最大不同点是其表面有一层光栅，这就使得该印刷方式存在以下特殊性。光栅线的规则排列状态与图文网点之间一直存在相互制约和矛盾，容易出现撞网而影响图像的视觉效果。光栅线与图像的套合精度要求非常高，图像印图7视差图序列Fig.7Parallacticmapserial左视图 右视图图8两幅图像合成立体图的情况Fig.8Twoimagescomposeonestereoscopicimage图9柱镜光栅立体印刷专用网点加网示意图Fig.9Schematicdiagramofspecificscreendotusedinlenticulargratingstereoscopicprinting多像复合光栅图像 加网后的图像CHINAPRINTINGANDPACKAGINGSTUDYVol.01No.05 2009.10OVERVIEW刷精度、光栅精度以及光栅与图像的套合精度等都是影响图像立体效果的直接原因。制作过程复杂，除印刷图像外，还需要光栅与图像复合。因此，长期以来，光栅立体印刷技术的发展和变革一直都是围绕着解决上述问题而展开的。3.4.1印刷工艺早期的立体印刷，为了克服网线角度带来的问题，曾尝试过使用柯罗版印刷立体图像，这种印刷方法虽然能有效解决撞网问题，但在印刷质量及精度等方面存在较大问题，并未得到大规模应用。随着胶印技术的广泛应用，立体印刷开始采用胶印技术，先将图文印刷到纸张上，然后通过与光栅板复合，制成光栅立体印刷品。早期采用的是网屏加网技术生成的常规调幅网点，加网线数低，加之单色或双色印刷机套印精度不高等原因，造成立体图的表现效果不尽理想，仅限于印刷一些低档产品。自出现数字印前处理系统后，图像处理质量明显提高，采用高精细度网点输出技术并配合高档四色印刷机，使立体印刷品的印刷质量明显提高。在一段时期内，这种“胶印+光栅复合”的立体印刷技术成为光栅立体印刷的主流技术。但这种技术同时也存在一些问题，如：制作过程烦琐，生产周期长，纸张在胶印过程中有一定程度的变形等[16]。随着UV印刷技术的广泛应用以及光栅材料的改进，开始在光栅材料背面直接印刷反向光栅图像制作立体印刷品，实现了印刷与光栅复合成像同步完成。此工艺不仅省略了光栅复合工序，而且由于采用UV油墨固化技术，使胶印油墨能瞬间固化，确保印刷的精度和效率，是当前立体图像印刷的主要工艺及方式，UV胶印技术构成现代立体印刷的基础。近年来，出现了立体光栅油墨技术，其工艺是，先在纸面上按传统平面彩色印刷要求印刷光栅图像，然后用丝网印刷方式在图像上印刷光栅油墨，最后通过在线光栅热压成型技术制成立体光栅印刷品。该技术与UV快速固化工艺相结合，可实现全自动流水线生产，是高线数光栅立体印刷工艺的发展方向。随着现代印刷技术多样化发展及立体印刷产品应用领域的不断拓展，喷墨打印技术和数码印刷技术也将在立体印刷领域得到应用。3.4.2光栅复合成像上述“胶印+光栅复合”的立体印刷技术在印刷之后需将印刷图像与光栅板进行复合，光栅复合成像主要有3种方式。①平压贴合法是采用平压机，与柱面透镜成型的同时，将聚氯乙烯薄膜贴附在承印物上，实现印刷品与光栅板复合成像。②辊压贴合法是将卷筒式聚氯乙烯薄膜充分加热，然后让其与承印物重叠，并从冷却阴模与压辊之间通过，在柱面透镜成型的同时与其进行加压贴合，实现印刷品与光栅板复合成像。③先成型后贴合法是由平压机将成型的硬质柱面透镜光栅板用黏合剂贴附在印刷品表面，实现印刷品与光栅板复合成像。目前使用较多的是先成型后贴合的方法。3.4.3光栅材料目前，立体印刷用光栅可以从多种角度进行分类。按成像原理不同，可以分为：狭缝光栅、柱镜光栅、球面光栅，主流为柱镜光栅。按光栅原材料不同，主要分为：PET光栅、PP光栅、PVC光栅。①PET光栅的主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯，折射率高，化学性能稳定、耐酸碱、无毒，可用普通油墨直接印刷。②PP光栅的主要成分是聚丙烯，与PET光栅相比，质地较软，表面张力较低，需经印前电晕处理后用普通油墨直接印刷，油墨干燥速度较快。③PVC光栅的主要成分是聚氯乙烯，材料柔软，但稳定性差，且有一定的毒性，不符合环保要求，未来将逐步被淘汰。按材料厚度不同，可分为：膜材光栅、片材光栅和板材光栅，前两种又称为软质光栅，后一种又称为硬质光栅。①膜材光栅是一种预制光栅膜，在成图时还需要裱以相应厚度的透明介质才能起到光栅成像的作用，其最大优点是便于运输，但多了一次粘贴操作，用起来不方便。②片材光栅又称为光栅片，其厚度一般在0.6mm以下，可以直接在光栅片上进行UV印刷。③板材光栅又称光栅板，质硬，较厚，现在已很少使用。按光栅弯曲的角度不同，可分为：窄角度光栅与宽角度光栅。窄角度光栅的视角大约在15°〜44°，用于立体图印刷，而宽角度光栅视角约44°〜65°，用于制作变图或动画效果。按成型方法不同，可分为：直压成型光栅和辊压成中国印刷与包装研究 2009年第5期（第1卷）综述型光栅。直压成型是把平面光栅模具安装到注塑机上，直接将颗粒料压制成光栅，这种工艺制作出来的光栅板数据一致，成像效果好，但是受注塑面积的限制，不能生产大幅面光栅；辊压成型是用模具辊在塑料板材上辊压出光栅，这种的光栅幅面较大，但受加工温度、工艺水平的影响较大，光栅参数的一致性较低。光栅参数包括光栅线数、光栅厚度、光栅视距、光栅透光率、光栅偏差值等。目前光栅常用线数为62线/英寸、75线/英寸、100线/英寸和141线/英寸。光栅厚度直接影响所能表达的立体图像的景深范围。光栅表达景深范围的能力用聚焦景深系数来表示，通常75线/英寸以上的光栅聚焦景深系数为2〜3；30〜75线/英寸的光栅聚焦景深系数为2〜4；30线/英寸以下的光栅聚焦景深系数为3〜5。光栅视距与人眼光有一定对应关系（如表1所示）。光栅透光率越高，图像越清晰。光栅偏差值越高越好，以保证达到图像栅距与光栅栅距的精确匹配。4未来展望立体印刷比平面印刷的附加值高，市场前景广阔。目前，立体印刷技术也在不断更新和完善工艺流程，以期得到更好的发展。4.1创新技术立体印刷正在围绕如何提高光栅立体图像的表现效果、提高成图速度和产品质量、降低印刷成本等方面开展技术创新。4.1.1开发专业印前图像处理软件目前国内从事立体印刷的企业中，真正应用立体印刷专业软件制作立体图像的只占少数，大多数都是应用一般图像处理软件，依靠设计人员的经验水平。国内立体印刷印前设计主要采用普通图像处理软件Photoshop或立体图像制作专用软件3D4U等。实际上，国外已有一些提供立体印刷软件的公司，如HumanEyes、PhotoIllusion公司等，软件功能强大。但由于软件价格昂贵，在国内市场似乎未见使用。因此，国内应加大立体印刷专用软件的开发研制力度，进一步提高印前图像处理技术水平。1）提高数据处理速度印前数据处理过程中，由于图像的数据量大，对设备性能要求过高，即使采用高档设备，数据处理速度也很慢。为此，数据处理过程中如何压缩图像以减少数据量，是一个值得深入研究的问题。目前，有一种方法是先将图像的纵向进行尺寸压缩，待多像复合作业完成后，再将纵向恢复为成图尺寸。目前，该方法手工作业量大，操作不慎会出现错误。因此，应研制更合理的数据处理流程和运算机制，提高数据处理速度。2） 提高软件智能化操作水平光栅立体印刷比普通平面印刷在精度上要求更高，光栅与多视图的位置匹配关系要求非常准确，但由于光栅线数、图像分辨率、加网线数、网点形状、输出设备分辨率、印刷时纸张（光栅片）的变形等因素会造成匹配时出现误差。通常情况下，必须由人工进行计算，通过手工或软件辅助等手段实现这种关系匹配。但这样做的结果是，各项操作十分烦琐，稍有不慎会出现偏差甚至错误，直接影响立体印刷产品的质量。因此，在立体印刷印前图像处理软件研发过程中，应注重提高软件的智能化操作水平，尽量减少人为因素的过多干预。3） 球面光栅立体印刷印前处理软件研发由于柱镜光栅和狭缝光栅都只适用于水平方向观看立体效果，而球面光栅可以做到全位观看立体，其产品有更好的市场发展潜力。但是，这种产品在视差图的获取方法、多像复合技术等方面与柱镜光栅立体图不同，目前，在国内尚未见到应用案例，而在国外已有产品应用。因此，国内需开展球面光栅立体印刷的图像获取技术、视差图生成技术以及多像合成技术的研究，研发具备相应功能的软件系统。总之，未来应进一步强化立体印前处理软件的功能，尽量将一些烦琐的手工作业过程以软件批处理的方式完成。特别是国产软件应跟上立体印刷的发展需求，以提高我国立体印刷产品在国际市场的占有率。4.1.2加网技术传统的加网软件都是针对普通平面印刷开发的，表1光栅线数与视距对应表Tab.1Relationshipofgratinglineresolutionandviewingdistance光栅线数（线/英寸）光栅视距（cm）15〜24300〜90030〜50150〜30065〜75100〜15075〜10050〜100CHINAPRINTINGANDPACKAGINGSTUDYVol.01No.05 2009.10OVERVIEW看印刷包装看印刷包装看印刷包装看印刷包装用传统加网软件的调幅或调频网点均无法做到多视图与光栅的高精度匹配，直接影响图像的清晰度和立体感。目前，虽然靠提高输出加网线数（高于400线/英寸）的方法能缓