3D打印物体表面外貌和视觉感知色差表征方法研究

The lack of means and methods in color measurement and reproduction quality control for 3D object directly restricts the developments and applications of 3D color printing. Considering the existing color-difference formulae are limited to the evaluation of flat object color difference, their applicabilities for 3D objects need to be studied urgently. This project intends to establish a scientific method for characterization of 3D surface appearance and visual perceptional color difference between 3D objects: (1) Concerning optical and physical characteristic parameters that may affect visual perceptional color difference between 3D objects, to prepare 3D models with different shapes and colors, collect experimental data of color characteristics, optical reflection characteristics, spatial geometry and visual color difference on the surface of 3D objects, analyze the relationship between visual contrast sensitivity function, BRDF and the above information, explore the characterization method for 3D objects appearance; (2) Through the analysis of regularity and mechanism of parametric effects of 3D objects on the visual perceptional color difference, to find out the primary causes and influencing factors that limit the applications of current color-difference formulae, as a guide to modify existing color-difference formula; (3) to build up a color-difference evaluating system more in line with the visual perception of 3D objects. The success of the project can provide a general guideline and technical support on the high-fidelity color reproducing quality evaluation of 3D products for the newly emerged 3D print manufacturing and traditional manufacturing.

3D物体的表面颜色测量和再现质量控制手段与方法的缺失，直接制约3D打印的发展与应用。考虑到现有色差公式仅局限于评价平面物体色差，对3D物体的适用性亟待研究。本项目拟建立一种科学表征3D物体表面外貌及视觉感知色差的方法：（1）围绕影响3D物体表面视觉感知色差的光学物理特征，制备不同形状和颜色的3D模型，通过实验收集物体表面的颜色特性、光学反射特性、空间几何及视觉感知色差等数据，分析视觉对比灵敏度函数和BRDF与以上信息的关系，探索表征3D物体外貌的方法；（2）分析3D物体表面光学物理特征影响视觉感知色差的规律和机理，获取造成现有色差公式在3D物体表面色差评价时具有局限性的根本原因与影响因素，用于指导修正现有色差公式；（3）建立一种更加符合视觉感知的3D物体表面色差评价体系。本项目成功实施可为3D打印制造和传统制造过程中评价与控制3D产品高保真颜色再现质量提供具有普适性的理论指导和技术支持。

随着3D打印和传统制造技术的快速发展，人们对3D物体表面颜色的再现精度要求越来越高。3D物体表面颜色的测量和再现质量控制手段与方法的缺失，直接制约了3D打印以及传统制造技术的发展与应用。考虑到现有颜色测量仅限于测量平面物体颜色，以及现有的色差公式仅局限于评价平面物体色差，本课题在国家基金委的大力支持下，开展3D物体表面颜色测量和色差评价的研究工作。本项目按照项目计划书所述着重研究了：（1）围绕影响3D物体表面视觉感知色差的光学物理特征，以彩色3D打印机制备了平面和球形等不同形状和颜色共150对具有不同色差大小的3D样本模型，通过组织心理物理实验收集了3D物体在散射光和点光源两种不同照明光源下的视觉感知色差等数据；（2）比较了现有色差公式在评价3D物体表面色差和平面物体色差时的相似与不同之处，分析了3D物体表面光学物理特征影响视觉感知色差的规律和机理，并对现有色差公式进行了必要的修正；（3）将双目立体视觉理论与技术，创新性地引入3D物体颜色测量中，力求建立一种更加符合人眼视觉感知的3D物体表面颜色和色差评价体系。实验结果表明光源的照明方式对3D物体感知色差的影响较大。在散射光照明条件下，人眼对3D物体表面色差与平面物体表面色差的感知机理比较一致。建议在评价3D物体表面色差时，应尽量采用散射光照明；实验结果还表明相对于不同的3D形状，3D样本之间的色差大小对人眼的视觉感知影响更大，建议应根据3D物体色差的大小选择合适的色差公式计算色差或采用色差适用范围更广的色差公式；实验结果还证明了双目立体视觉应用于3D物体颜色测量的可行性，此方法比现有的3D扫描成像系统更经济更快速，比传统的颜色测量方法更适用于实时测量表面不规则的3D物体颜色。本项目的研究方法和结果可为进一步研究3D物体颜色测量和再现质量评价方法，提供具有普适性的理论指导意义。

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