JP2018176561A - 画像処理方法、画像処理装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成し、好適な光沢感を表現する画像処理方法を提供する。
【解決手段】凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成する画像処理方法であって、画像における表面形状を表す第一の表面形状情報を取得する取得工程と、前記第一の表面形状情報に基づいて、前記画像形成装置が出力可能な第二の表面形状情報に変換する変換工程と、を有し、前記変換手段は、所定の領域ごとに、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線方向のヒストグラムを略維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、前記第二の表面形状情報を生成することを特徴とする画像処理方法。
【選択図】図１１

Description

本発明は、凹凸を有する面または立体の表面に画像を形成する画像形成方法、画像処理装置および画像形成装置に関する。

従来、所望の凹凸や立体物を形成する方法として、彫刻機などを用いて素材を削りだす方法や、硬化型の樹脂や石膏などの材料を積層する方法が知られている。また、こうして形成されたレリーフやフィギュアなどの立体物を観賞用途等に利用するため、表面に印刷を施し画像を形成する方法がある。例えば、オフセット印刷等の印刷装置を用いて専用シートに予め画像を印刷し該シートを対象立体物に貼り付ける方法や、インクジェット記録方式を用いて立体物に直接色材を吐出する方法などが知られている。

また、凹凸と画像の形成をほぼ同時に行うことで立体感や質感を表現したハードコピーを得る方法が公開されている（特許文献１）。

特開２００４−２９９０５８号公報

しかしながら、形成される立体物の解像力は、一般的にいって２次元の画像のそれと比較して低い場合が多い。例えば、インクジェット方式のプリンタで二次元の画像を出力する場合、２１μｍ（１２００ｄｐｉ）程度でインクのオン・オフを制御するのが一般的である。一方、積層方式で凹凸を再現する場合、１００μｍ超であることが多い。さらに、積層させる材料の表面張力や濡れ広がり特性により、鋭角（例えば、のこぎり歯のような断面形状）を再現することが難しい。この結果、表面の凹凸による陰影のシャープさが失われ、所望の光沢感を得ることができない場合があった。

本発明は、凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成し、好適な光沢感を表現する画像処理方法、画像処理装置、および画像形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る画像処理方法は、
凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成する画像処理方法であって、画像における表面形状を表す第一の表面形状情報を取得する取得工程と、前記第一の表面形状情報に基づいて、前記画像形成装置が出力可能な第二の表面形状情報に変換する変換工程とを有し、前記変換手段は、所定の領域ごとに、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線方向のヒストグラムを略維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、前記第二の表面形状情報を生成することを特徴とする。

また、本発明に係る画像処理装置は、
凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成する画像処理装置であって、画像における表面形状を表す第一の表面形状情報を取得する取得し、前記第一の表面形状情報に基づいて、前記画像形成装置が出力可能な第二の表面形状情報に変換する変換部と、を有し、前記変換手段は、所定の領域ごとに、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線方向のヒストグラムを略維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、前記第二の表面形状情報を生成することを特徴とする。

本発明に係る画像処理方法によれば、好適な光沢感を表現するという効果を奏する。

本実施例に示す画像形成装置の構成図 記録媒体の同一ライン上を記録ヘッドが二回走査することで凹凸および画像を記録する動作を説明する図 記録媒体上に生成された画像層および凹凸層の断面図 入力された高さデータの一部を示す概念図 十分再現性の高い画像形成装置で出力した画像の高さと、画像表面での光の反射の挙動を示した概念図 再現性の低い画像形成装置で出力した画像の高さと、画像表面での光の反射の挙動を示した概念図 図４の表面形状の微小面を並び変え生成された高さデータを示す概念図 図７の高さデータを用いて出力した画像の高さを示す概念図 三次元直交座標ｘｙｚと、微小面の法線ベクトルを表現する球座標の偏角θ、φの関係を示す図 本実施例における画像処理装置を表すブロック図 本実施例における画像処理装置における処理を表すフローチャート 走査順を説明する模式図 微小面の法線を算出する方法を説明する模式図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（画像形成装置の概略構成）
図１は、本実施例に示す画像形成装置の構成図である。

画像形成装置８００としては、インクを用いて凹凸および画像の記録を行うインクジェットプリンタを想定する。ヘッドカートリッジ８０１は、複数の吐出口からなる記録ヘッドと、この記録ヘッドへインクを供給するインクタンクを有し、また、記録ヘッドの各吐出口を駆動する信号などを受信するためのコネクタが設けられている。インクタンクは、凹凸層を形成するための液体樹脂インク、画像層を形成するためのシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの色インクの計５種が独立に設けられている。ヘッドカートリッジ８０１はキャリッジ８０２に位置決めして交換可能に搭載されており、キャリッジ８０２には、コネクタを介してヘッドカートリッジ８０１に駆動信号等を伝達するためのコネクタホルダが設けられている。キャリッジ８０２は、ガイドシャフト８０３に沿って往復移動可能となっている。具体的には、キャリッジ８０２は、主走査モータ８０４を駆動源としてモータプーリ８０５、従動プーリ８０６およびタイミングベルト８０７等の駆動機構を介して駆動されるとともに、その位置及び移動が制御される。尚、このキャリッジ８０２のガイドシャフト８０３に沿った移動を「主走査」といい、移動方向を「主走査方向」という。

プリント用紙等の記録媒体８０８は、オートシートフィーダ（以下「ＡＳＦ」）８１０に載置されている。画像記録時、給紙モータ８１１の駆動によってギアを介してピックアップローラ８１２が回転し、ＡＳＦ８１０から記録媒体８０８が一枚ずつ分離され、給紙される。更に、記録媒体８０８は、搬送ローラ８０９の回転によりキャリッジ８０２上のヘッドカートリッジ８０１の吐出口面と対向する記録開始位置に搬送される。搬送ローラ８０９は、ラインフィード（ＬＦ）モータ８１３を駆動源としてギアを介して駆動される。記録媒体８０８が給紙されたか否かの判定と給紙時位置の確定は、記録媒体８０８がペーパエンドセンサ８１４を通過した時点で行われる。キャリッジ８０２に搭載されたヘッドカートリッジ８０１は、吐出口面がキャリッジ８０２から下方へ突出して記録媒体８０８と平行になるように保持されている。制御部８２０は、ＣＰＵや記憶手段等から構成されており、外部から凹凸および画像データを受け取り、データに基づいて画像形成装置８００の各パーツの動作を制御する。

（画像記録動作）
以下、図１に示す構成のインクジェットプリンタにおける画像記録動作について説明する。

まず、記録媒体８０８が所定の記録開始位置に搬送されると、キャリッジ８０２がガイドシャフト８０３に沿って記録媒体８０８上を移動し、その移動の際に記録ヘッドの吐出口よりインクが吐出される。そして、キャリッジ８０２がガイドシャフト８０３の一端まで移動すると、搬送ローラ８０９が所定量だけ記録媒体８０８をキャリッジ８０２の走査方向に垂直な方向に搬送する。この記録媒体８０８の搬送を「紙送り」または「副走査」といい、この搬送方向を「紙送り方向」または「副走査方向」という。記録媒体８０８の所定量の搬送が終了すると、再度キャリッジ８０２はガイドシャフト８０３に沿って移動する。このように、記録ヘッドのキャリッジ８０２による走査と紙送りとを繰り返すことにより記録媒体８０８全体に画像が形成される。

図２は、記録媒体８０８の同一ライン上を記録ヘッドが二回走査することで凹凸および画像を記録する動作を説明する図である。

幅Ｌの記録ヘッドの半分は凹凸記録用、もう半分は画像記録用であり、一回の走査が終了する毎に記録媒体８０８を副走査方向に距離Ｌ／２ずつ搬送する。ｍ回目の走査を表す図２（ａ）で、まず領域Ａに液体樹脂インクが吹き付けられ凹凸層が形成される。次の走査（図２（ｂ））では、前回同様に領域Ｂに凹凸層を形成するとともに、前回の走査で領域Ａに形成された凹凸層上に色インクが吹き付けられ画像層を形成する。これを繰り返すことで、記録媒体全面に凹凸および画像が形成される。

なお、本発明においては、記録媒体に特に限定はなく、ヘッドによる画像記録に対応できるものであれば、紙やプラスチックフィルム等、各種の材料が利用可能である。

図３は、記録媒体上に生成された凹凸層および画像層の断面図である。

本実施例では、１ｍｍ程度の高さ分布を有する凹凸層の表面に画像層が形成されることを想定している。厳密には画像層も高さの分布を有するが、厚みは数μｍ程度なので凹凸層に対しては無視できる。もちろん画像層の厚さ分布を考慮して高さデータに修正を加えることは可能である。

（凹凸再現誤差の影響）
図４は、入力された高さデータの一部を示す概念図である。横軸に記録媒体表面を表す座標（ｘ、ｙ）とした際のｘ、縦軸に記録媒体表面と直交するｚ方向の凹凸層高さを示している。

隣り合う位置を結んで微小な面（以後、微小面と呼ぶ）が形成されており、隣り合う高さの差により微小面の法線の方向が決定する。図９は、記録媒体面の座標および凹凸層の高さが表現される三次元直交座標ｘｙｚと、微小面の法線ベクトルを表現する球座標の偏角θ、φの関係を示す図である。入力された高さデータに含まれる微小面は、θ＝４５°とθ＝―４５°の方向を持ち、交互に切り替わっている。

図５（ａ）は、図４の入力された高さデータを用い、十分再現性の高い画像形成装置で出力した画像の高さ（凹凸）であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の画像に、θ＝０°の方向から光が入射した際の、画像表面での光の反射の挙動を示した概念図である。

反射の法則により、入射角と反射角が等しくなるよう光は反射する。微小面は２種類の方向を持つので、反射の方向も２種類の方向を持ち、θ＝４５°かθ＝―４５°となる。このように画像の高さ（凹凸）によって、光の入射方向と異なる方向に反射する現象は表面散乱と呼ばれる。入射と反射の差が大きいほど、表面散乱が大きくなり、質感の一つである光沢はマット調となる。

一方、図６（ａ）は、図４の入力された高さデータを用いて出力するが、画像形成装置のインク特性や凹凸の生成プロセスにより、入力のような急峻な角度変化を再現できていない、画像の高さ（凹凸）を示す概念図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）の画像に、θ＝０°の方向から光が入射した際の、画像表面での光の反射の挙動を示した概念図である。図５（ｂ）と比較すると、反射の方向は、−４５°＜θ＜４５°で連続的に分布していて、比較的、入射方向と反射方向は変わっていない。すなわち、表面散乱は小さくなり、光沢が変化してしまう。

このように、入力ではマットな光沢が再現されることを期待したのにもかかわらず、出力時に形状の鈍りが発生した場合、表面での反射方向が変わり、所望の光沢を得ることができない。

（本件の基本的原理）
そこで、本件では、入力された高さデータに対し、所定の領域毎に、含まれる微小面の法線方向のヒストグラムは維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、画像形成装置でより再現しやすい高さデータに変換し、所望の光沢を再現する。

図７は、図４の表面形状の微小面を並び変え生成された高さデータを示す概念図である。図７と図４の高さデータはどちらも、含まれる微小面の法線方向は、θ＝４５°かθ＝―４５°の２種類を持ち、その頻度は同じである。

図８は、図６（ａ）と同じ画像形成装置を用い、図７の高さデータを用いて出力した、画像の高さ（凹凸）を示す概念図である。急峻に変化している部分が、図６（ａ）の高さデータと比較して少ないため、形状がより再現されているのがわかる。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）の画像に、θ＝０°の方向から光が入射した際の、画像表面での光の反射の挙動を示した概念図である。反射の方向は、ほぼθ＝４５°かθ＝―４５°となっていて、図５（ｂ）と比較してほぼ同じ反射方向であることがわかる。すなわち、表面散乱の度合いの変化は小さくなる。

また、ここで所定の領域とは、人間の目が解像できる領域より小さい領域である。解像できる領域は、画像の観察距離によっても変わるが、有限の大きさを持つ。この大きさより小さい領域毎に、再現しやすい表面形状に変換することで、所望の光沢を得ることが出来る。

このように、入力された高さデータに対し、所定の領域毎に、含まれる微小面の法線方向のヒストグラムは維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、画像形成装置でより再現しやすい高さデータに変換し、所望の光沢を得ることができる。

なお、簡単の為に断面図を用い１次元で説明したが、実際の処理は以下に示すように２次元の処理となる。

（高さデータ変換部および画像層・凹凸層形成部）
図１０に、本実施形態における高さデータ変換部および画像層・凹凸層形成部の概略構成を表すブロック図を示す。

本実施例における画像形成装置は、従来の二次元の画像データおよび二次元の各座標における高さ情報を有する高さデータが入力され、画像形成装置が出力可能な高さデータを作成し、凹凸層と画像層を形成する。本実施例では、画像データは一般的なプリンタと同様に２次元座標（ｘ、ｙ）に対応したＲＧＢデータとする。また、高さデータＨは２次元座標（ｘ、ｙ）に対応した高さとする。高さデータのＸＹ解像度は例えば１０μｍとする。画像形成装置は、高さデータ変換部１００１および、画像層・凹凸層形成部１００２を持つ。高さデータ変換部１００１は、入力された高さデータに対し、画像形成部が出力可能な高さデータに変換する。画像層・凹凸層形成部１００２は、高さデータ変換部１００１で変換した高さデータと画像データを用いて、画像層及び凹凸層を形成する。

図１１は、本実施例における画像形成装置の処理フローを表すフローチャートである。

Ｓ１００１〜Ｓ１００７は、高さデータ変換部１００１にて処理される。また、Ｓ１００８およびＳ１００９は、画像層・凹凸層形成部１００２にて処理される。まず、制御部８０２に図示しない外部装置などから高さデータが入力される（Ｓ１１０１）。

入力された高さデータからＳ１１０３〜Ｓ１１０６の処理を行う領域の高さデータを選択する（Ｓ１１０２）。図１２は、Ｓ１１０２の処理における走査順を説明する模式図である。四角形のセルは、各々、Ｓ１１０３〜Ｓ１１０６の処理を行う領域である。この領域は、人間の目の解像度より小さい範囲であり、例えば、１００μｍ×１００μｍの範囲である。ここで、入力された高さデータのＸＹ解像度は１０μｍとしているので、この範囲は１０×１０の２次元座標（ｘ、ｙ）を持つ。領域１２０１から処理を開始して矢印の方向に各領域を順に処理し、右端まで処理が完了したら１段下の左端の領域に進む。以下、同様に操作して各領域を順に処理し、これを最終領域１２０２まで繰り返し行う。

次に、選択された領域における高さデータＨ‘を微小表面がどの方向を向いているかを示す法線ベクトルθ，φ（ｘ，ｙ）に変換する（Ｓ１１０３）。具体的には、高さデータＨ‘の注目座標点の勾配を計算すればよい。まず、左上端の２次元座標（ｘ、ｙ）を注目座標として選択し、さらに、一つ右に位置する座標と、一つ下に位置する座標の合計３点を選択する。図１３は、３点の高さからなる微小面の法線ベクトルθ，φ（ｘ，ｙ）を算出する方法を説明する模式図である。３点の高さデータと、高さデータのＸＹ解像度より、微小面の法線ベクトルθ，φ（ｘ，ｙ）を計算する。次に、注目座標を一つ右にずらし同様の処理を行う。つまり、選択する走査順は、左上端からから開始して右の方向に各領域を順に処理し、右端の一つ左まで処理が完了したら１段下の左端の領域に進む。以下、同様に操作して各領域を順に処理し、これを下端の一つ上まで繰り返し行う。尚、微小面の算出方法はこの方法に限らない。微小面を一意に決定するには３点が必要である。注目画素に近接する点は４点あり、注目画素と併せて３点選ぶ方法であればどの点を選ぶ方法でもよい。

次に、Ｓ１１０３で算出された法線ベクトルθ，φ（ｘ，ｙ）をその方向が近い順にソートする。まず、ランダムに一つの法線ベクトルを選択する。選択された法線ベクトルと、残りの法線ベクトルとをそれぞれ比較し、最も方向が近い法線ベクトルを選択する。そして、さらにその法線ベクトルと、その法線ベクトルを除いた残りの法線ベクトルとをそれぞれ比較し、最も方向が近い法線ベクトルを選択する。この計算を法線ベクトルが選択できなくなるまで繰り返し、ソートが完了する。

次に、Ｓ１１０３でソートした法線ベクトルを高さデータの各２次元座標Ｈ‘に対応づける（Ｓ１１０４）。まず、左上の２次元座標に、ソートした最初の法線ベクトルを対応づける。次に、一つ右の２次元座標に、ソートした二番目の法線ベクトルを対応づける。順に対応付けを行い、右端の一つ左の２次元座標まで処理が完了したら１段下の左端の２次元座標に進む。以下、同様に操作して各２次元座標にソートした法線ベクトルを対応づけし、これを下端の一つ上の２次元座標まで繰り返し行う。なお、対応づける方法はこの方法に限らない。近接する微小面の方向が同じ方向を向くように対応づけを行う。

次に、Ｓ１１０４で２次元座標に対応づけた法線ベクトルを用いて高さデータを算出する（Ｓ１１０６）。一点の高さデータと、１つの法線ベクトルから、２点の高さデータが算出される。左上の２次元座標から処理をはじめ、次に一つ右、さらに一つ右の２次元座標の処理を行う。右端の２次元座標まで処理が完了したら１段下の左端の２次元座標に進む。以下、同様に操作して各２次元座標に処理を行い、これを下端の一つ上の２次元座標まで繰り返し行う。各２次元座標で算出された高さデータは平均値をとることにより、最終的な高さデータが算出される。なお、高さデータを算出する方法はこの方法に限らない。この処理では、Ｓ１１０４で２次元座標に対応づけた法線ベクトルを用いて高さデータを算出する。

Ｓ１１０３〜Ｓ１１０６の処理を、全ての領域で行う（Ｓ１１０２、Ｓ１１０７）。次に、制御部８０２に図示しない外部装置などから画像データが入力される（Ｓ１１０８）。最後に、Ｓ１１０１〜Ｓ１１０７にて算出された高さデータに基づき凹凸層を、Ｓ１１０８にて入力された画像データに基づき画像層を形成する。

以上の処理により、入力された高さデータに対し、所定の領域毎に、含まれる微小面の法線方向のヒストグラムは維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、画像形成装置でより再現しやすい高さデータに変換し、所望の光沢を得ることができる。

なお、本実施例では、凹凸形成と画像形成を同一の画像形成装置で行う例を記載したが、凹凸の誤差を画像で補正する要旨を逸脱しない範囲において、これに限定されない。例えば、別途画像処理装置を用いて形成された凹凸面に対して画像を形成する画像形成装置としての構成も考えられる。この際には、別途形成された凹凸面の理想と実際の形状とを取得する手段と、その情報に基づき該凹凸面上に画像を形成する手段とを有するように変更すればよい。

また、画像形成方法もインクジェット方式による直接印刷を例示したが、これに限定されず、例えば別途フィルム等に印刷し貼り付けるなどの方法でも適用可能である。
また、本実施例で対象とした凹凸面は高さを１ｍｍ程度と記載したが、もちろんこの限りではない。観察環境の複雑さ等が変わるものの、任意のサイズや形状をもった立体に適用可能である。

８００ 画像形成装置、８０８ 記録媒体、１００１ 高さデータ変換部、
１００２ 画像層・凹凸層形成部

Claims (5)

1. 凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成する画像処理方法であって、
   画像における表面形状を表す第一の表面形状情報を取得する取得工程と、
   前記第一の表面形状情報に基づいて、前記画像形成装置が出力可能な第二の表面形状情報に変換する変換工程と、を有し、
   前記変換手段は、所定の領域ごとに、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線方向のヒストグラムを維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、前記第二の表面形状情報を生成することを特徴とする画像処理方法。
2. 前記変換工程は、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線ベクトルを算出する算出工程と、前記法線ベクトルを方向が近い順に整列する整列工程と、前記整列された法線ベクトルを所定順番で再配置する配置工程と、配置された法線ベクトルに基づき第二の表面形状情報を算出する表面形状算出工程と、を有すること特徴とする請求項１に記載の画像処理方法。
3. 前記配置工程は、特定の方向の法線ベクトルが近い順になるよう配置することを特徴とする請求項２に記載の画像処理方法。
4. 凹凸を有する画像を形成する画像形成装置が出力可能なデータを生成する画像処理装置であって、
   画像における表面形状を表す第一の表面形状情報を取得する取得し、前記第一の表面形状情報に基づいて、前記画像形成装置が出力可能な第二の表面形状情報に変換する変換部とを有し、
   前記変換手段は、所定の領域ごとに、前記第一の表面形状情報において該領域に含まれる微小面の法線方向のヒストグラムを維持したまま、近接する微小面間の法線方向の変化を低減させることにより、前記第二の表面形状情報を生成することを特徴とする画像処理装置。
5. 請求項４に記載の画像処理装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。