JP5171070B2 - 三次元レリーフの製造方法および装置並びに三次元レリーフ - Google Patents

Description

本発明は、レリーフ材料に対して彫刻を行い必要に応じて印刷を行って三次元レリーフを製造する方法および装置並びに三次元レリーフに関する。

従来より、美術品である絵画、彫刻などを三次元レリーフとして複製したものがある。また、人物や風景、または山や谷などの自然の地形の２次元画像に基づいて三次元レリーフを復元したものも知られている。

このような三次元レリーフを自動的に製造する方法が提案されている（特許文献１）。つまり、特許文献１によると、デジタルカメラなどによってレリーフのモチーフとなる画像を入力すると、各画素の色調データに基づいて算出された階調データに基づきレリーフの高さを表すＺ座標データが設定され、各画素の二次元位置データＤ（ｘ，ｙ）に基づきレリーフの平面位置を表すＸ−Ｙ座標データが設定される。そして、これらをＸＹＺ座標とする三次元形状データに基づいて工具のカッターパスが算出され、算出されたカッターパスに基づいて、レリーフ材料である被加工物の表面がＮＣ加工機により研削加工される。

ＮＣ加工機で表面を研削された被加工物をプリンタに移動させた後、その被加工物に対し、画素情報の二次元位置データと対応する位置に、色調データで表された色または明るさのインクを噴霧して印刷を行う。
特開平９−３１１７０７

しかし、上に述べたような従来の三次元レリーフの製造方法では、十分な立体感が得られないという問題がある。

すなわち、レリーフ材料として、通常、厚さが１〜数センチメートル程度の板状の材料が用いられるので、でき上がった三次元レリーフに現れる物体の奥行き方向の段差は最大でも１〜数センチメートル程度である。したがって、例えば、山々が連なる自然の風景を描いた画像に基づいて三次元レリーフを製作する場合を想定する。３つの山が連なった場合には、３つの山およびその背景の空のそれぞれの間に段差を設けることになるので、１つの山とその次の山との間の段差は、１〜数センチメートルのさらに４分の１程度となってしまう。

そうすると、連なる山々の立体感を段差から得ることが余り期待できないばかりでなく、それぞれの１つの山についてもほぼ平面的にしか表現されないことになり、三次元レリーフの全体としての立体感は十分でない。

このことは、多数のビルディングが立ち並ぶ都会風景や、多数の人々が集う生活風景などの画像の場合でも同様であり、彫刻によって得られる立体感は十分でない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、二次元の画像に基づいて製作される三次元レリーフにおいて、従来よりも大きな立体感を得られるようにすることを目的とする。

本発明の一実施形態の製造方法は、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、前記画像上の物体画像について、当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う。

本発明の他の一実施形態の製造方法は、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、前記画像上の境界部分において互いに隣接する２つの物体画像について、画像の内容においてより遠い位置にある物体画像である遠物体に対しては、より近い位置にある他の物体画像である近物体よりも境界部分において前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、前記近物体に対しては、前記遠物体よりも境界部分において前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う。

本発明の他の一実施形態の製造方法は、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、前記画像上の１つの物体画像である注目物体、当該注目物体は、当該注目物体以外の他の２つの物体画像とそれぞれ境界部分において互いに隣接するものであってしかも前記他の２つの物体画像のうちの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより遠い位置にある遠物体でありかつ残りの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより近い位置にある近物体である、そのような注目物体に対して、前記近物体との境界部分においては、前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、前記遠物体との境界部分においては、前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う。

好ましくは、前記遠物体との境界部分において、前記注目物体に含まれる部分に傾斜面を形成する。

好ましくは、前記境界部分における前記遠物体に含まれる部分に、前記傾斜面に連続しかつ前記傾斜面よりも傾斜の緩い平面状または曲面状の第２の傾斜面を形成する。

好ましくは、前記彫刻によって凹凸が形成された材料の表面に、前記画像をカラーで印刷する。

好ましくは、前記印刷を行う前に、前記材料の表面に、紫外線硬化型インクを用いて下地塗布を行う。

好ましくは、前記材料に彫刻を行う工程と前記材料に印刷を行う工程とを、前記材料を同じ位置に固定したままの状態で実行する。

本発明の一実施形態の製造装置は、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成する彫刻手段と、前記画像上の物体画像について、当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるよう、前記彫刻手段を制御する彫刻制御手段とを有する。

本発明の一実施形態の三次元レリーフは、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面が、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸が形成されており、前記画像上の物体画像について、当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻が行われ、当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻が行われ、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となっている。

本発明によると、二次元の画像に基づいて製作される三次元レリーフにおいて、従来よりも大きな立体感を得ることができる。

図１は二次元の画像ＧＦ１の例を示す図、図２は画像ＧＦ１上の物体画像ＢＧ１〜４についてその実際の配置関係の例を示す平面図、図３は画像ＧＦ１に基づいて製作された三次元レリーフＳＲ１を示す正面図、図４は図３の三次元レリーフＳＲ１の断面平面図、図５は従来の方法により製作した場合における図３の三次元レリーフＳＲ１ｊの断面平面図、図６は図４の一部を拡大して示す図、図７はさらに図６の一部を拡大して示す図、図８は図３の三次元レリーフＳＲ１のＣ−Ｃ線断面矢視図、図９は他の例の物体画像ＢＧ１１〜１３の実際の配置関係とその三次元レリーフＳＲ２との関係を示す図である。なお、図４（Ａ）および図５（Ａ）は図３のＡ−Ａ線断面矢視図、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面矢視図である。

図１において、画像ＧＦ１は、４つのビルディングＢＴ１〜４が立ち並ぶ風景の画像である。画像ＧＦに示された物体を本明細書においては「物体画像」と言うので、図１の画像ＧＦ１に示される各ビルディングＢＴ１〜４は、物体画像ＢＧ１〜４ということになる。

図２に示すように、ビルディングＢＴ１〜４は、この順に手前から奥に向かって配置されている。したがって、図１において、物体画像ＢＧ１〜４の順に手前から奥に向かって配置されたように描かれている。

図１において、物体画像ＢＧ１〜４の背景にあるのは背景画像ＫＧ１である。背景画像ＫＧ１は、例えば、空や雲であったり、海や山であったりする。

図３において、三次元レリーフＳＲは、厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料（レリーフ材料）ＲＺの表面を、画像ＧＦ１に対応して厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより、当該表面に凹凸を形成したものである。なお、深く彫刻した場合には、その結果として得られる物体画像ＢＧなどの高さは高くなり、これとは逆に浅く彫刻した場合には、その結果として得られる物体画像ＢＧなどの高さは低くなる。

また、レリーフ材料ＲＺの凹凸を形成した表面に、インクジェット方式のプリンタによってカラーで印刷を行い、画像ＧＦ１と同じ画像を形成してもよい。これによって一層価値の高い三次元レリーフＳＲとなる。その場合に、印刷を行う前に、紫外線硬化型インクを用いて表面に下地塗布を行っておくことが望ましい。

なお、レリーフ材料ＲＺとして、アクリル、ポリカーボネート、ポリエステルなどの合成樹脂、人工大理石、大理石、石膏、ガラス、木材、金属などが用いられる。縦方向および横方向の寸法は数十センチメートル〜数メートル程度、厚さ方向の寸法は数ミリメートル〜数十ミリメートル程度である。

次に、三次元レリーフＳＲ１の製造方法、特にその凹凸の形成方法について説明する。

図４（Ａ）に示すように、三次元レリーフＳＲ１において、物体画像ＢＧ１〜４の最大高さは、この順に僅かずつ低くなってはいるが、大雑把に言えばほぼ同じである。しかし、物体画像ＢＧ１〜４のそれぞれの境界部分ＫＢ１〜３における物体画像ＢＧ１〜４間の段差は大きくなっており、それぞれ彫刻の最大深さに相当する距離だけある。また、境界部分ＫＢ４における物体画像ＢＧ４と背景画像ＫＧ１との間の段差も大きくなっており、彫刻の最大深さに近い距離だけある。また、当然ではあるが、境界部分ＫＢ５における物体画像ＢＧ１と背景画像ＫＧ１との間の段差は大きく、彫刻の最大深さに相当する距離だけある。

すなわち、三次元レリーフＳＲ１においては、物体画像ＢＧ１〜４の各間および背景画像ＫＧ１との間の奥行き方向の段差が大きく、彫刻の最大深さに相当する距離またはそれに近い距離だけある。

例えば、レリーフ材料ＲＺの厚さ方向の寸法が３センチメートルであるとし、彫刻の最大深さが２．５センチメートルであるとすると、物体画像ＢＧ１と背景画像ＫＧ１、物体画像ＢＧ１とＢＧ２、物体画像ＢＧ２とＢＧ３、物体画像ＢＧ３とＢＧ４、物体画像ＢＧ４と背景画像ＫＧ１との、それぞれの側壁における段差はほぼ２．５センチメートルかまたはそれに近い距離である。

このように、相対的に近くに位置する物体画像ＢＧと遠くに位置する物体画像ＢＧとの間において、その境界部分ＫＢで大きな段差が設けられることとなり、鑑賞者に対して大きな立体感を与えることができる。

因みに、従来の方法により製作した場合には、図５に示す三次元レリーフＳＲ１ｊのように、物体画像ＢＧ１ｊ〜４ｊの間の段差は極めて小さく、また、物体画像ＢＧ４ｊと背景画像ＫＧ１との間の段差も極めて小さい。したがって、少ししかない段差からは立体感を余り得ることができず、三次元レリーフＳＲ１ｊの全体としての立体感は十分でない。

これに対して、上に述べた実施形態の三次元レリーフＳＲ１では、段差が大きく、大きな立体感を得ることができる。

三次元レリーフＳＲ１の段差についてさらに詳しく説明する。

図６において、物体画像ＢＧ３に注目する。つまり、物体画像ＢＧ３を「注目物体ＴＢ」とする。

注目物体ＴＢは、他の２つの物体画像ＢＧ２，４と、それぞれ境界部分ＫＢ２，３において互いに隣接する。しかも、２つの物体画像ＢＧ２，４のうちの１つである物体画像ＢＧ４は、注目物体ＴＢよりも画像の内容においてより遠い位置にある遠物体ＢＥであり、かつ残りの１つである物体画像ＢＧ２は、注目物体ＴＢよりも画像の内容においてより近い位置にある近物体ＢＫである。

このような注目物体ＴＢに対して、近物体ＢＫとの境界部分ＫＢ２においては、近物体ＢＫよりも厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分ＫＢ２から遠ざかるにつれて浅くなるように彫刻が行われている。また、遠物体ＢＥとの境界部分ＫＢ３においては、遠物体ＢＥよりも厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分ＫＢ３から遠ざかるにつれて深くなるように彫刻が行われている。

そして、図７によく示されるように、遠物体ＢＥとの境界部分ＫＢ３において、注目物体ＴＢに含まれる部分に傾斜面ＳＦ２Ａが形成されている。さらに、境界部分ＫＢ３における遠物体ＢＥに含まれる部分に、傾斜面ＳＦ２Ａに連続しかつ傾斜面ＳＦ２Ａよりも傾斜の緩い平面状または曲面状の傾斜面ＳＦ２Ｂが形成されている。

つまり、図７において、三次元レリーフＳＲ１の表面において、物体画像ＢＧ３の表面ＳＦ１および傾斜面ＳＦ２Ａ、物体画像ＢＧ３から物体画像ＢＧ４に渡る傾斜面ＳＦ２Ｂ、および物体画像ＢＧ４の表面ＳＦ３によって、凹凸が構成されている。

傾斜面ＳＦ２Ａは、彫刻前のレリーフ材料ＲＺの表面または裏面、これは背景画像ＫＧ１の表面と平行であるが、その表面とのなす角度αが８７度以下とされている。つまり、傾斜面ＳＦ２Ａはオーバーハングすることがなく、角度αが９０度になることもない。

そして、このような傾斜面ＳＦ２Ａ，ＳＦ２Ｂは、境界部分ＫＢ３のみでなく、他の境界部分ＫＢ１，２，４，５…においても、同様に形成されている。

このように、三次元レリーフＳＲにおいては、インクジェットによるインクの付着精度を上げるために、全ての表面ＳＦについて、角度αが８７度以下となっている。

さて、傾斜面ＳＦ２Ａは、物体画像ＢＧ３の本来の側面ＳＦｊ２である境界部分ＫＢ３に対して、物体画像ＢＧ３の側へ入り込むように形成されている。そして、傾斜面ＳＦ２Ｂは、境界部分ＫＢ３を横切るように形成されている。傾斜面ＳＦ２Ｂは、レリーフ材料ＲＺの裏面に向かって凸となる円弧状の曲面である。しかし、傾斜面ＳＦ２Ｂを、曲面ではなく、裏面と１０〜４０度程度の角度を有する平面としてもよい。

このように傾斜面ＳＦ２Ａ，ＳＦ２Ｂを形成することによって、彫刻の形状と画像の内容とが一致し易くなる。つまり、凹凸の表面に画像ＧＦ１を印刷したときに、傾斜面ＳＦ２Ａには物体画像ＢＧ３の一部が印刷されることとなり、彫刻による凹凸と画像ＧＦ１との間に違和感が生じない。また、物体画像ＢＧ３とＢＧ４とが、傾斜面ＳＦ２Ｂの部分において分離されることとなり、それら２つの物体画像ＢＧ３，４の色ずれなどが分かり難くなる。これによって、立体感が溢れる自然な三次元レリーフＳＲ１が得られる。

なお、傾斜面ＳＦ２Ａの角度αを８７度とするか、またはそれ以下、例えば８７〜３０度程度の範囲のどの角度とするかは、画像ＧＦ１の内容やそのグレースケールの濃淡の変化の状態などに応じて決定することが可能である。

図８において、物体画像ＢＧ２と背景画像ＫＧ１との境界部分ＫＢ８において、それらの間の段差は大きくなっており、それぞれ彫刻の最大深さに近い距離だけある。したがって、物体画像ＢＧ２においては、境界部分ＫＢ１において深く彫刻され、また境界部分ＫＢ６においても深く彫刻されているので、それら境界部分ＫＢ１，６から境界部分ＫＢ８に至るまでの間において、その表面ＳＦ１１が徐々に高くなるように傾斜している。

したがって、画像ＧＦ１上において左右に配置された物体画像ＢＧ１〜４の側面だけでなく、それらの上面または下面についても、凹凸の表面の大きな段差によって大きな立体感を得ることができる。

なお、上に述べたように、三次元レリーフＳＲ１では、注目物体ＴＢにおける遠物体ＢＥとの境界部分ＫＢに大きな段差を形成し、近物体ＢＫとの境界部分ＫＢに至るまでの表面を傾斜させるが、これによって注目物体ＴＢそれ自体が不自然となることは少ない。これは、三次元レリーフＳＲ１の表面には、その正面視において、画像ＧＦ１が凹凸による歪みを受けることなく印刷されているので、三次元レリーフＳＲ１を正面から見た場合に、物体画像ＢＧ１〜４および背景画像ＫＧ１には何らの歪みも生じない。また、三次元レリーフＳＲ１を斜め前方から見た場合には、その角度に応じて段差の部分が拡がって見えるが、これら物体画像ＢＧ１〜４の立体感を高める効果となって現れ、画像の歪みとしては余り目立たない。

以上、三次元レリーフＳＲ１について説明したが、三次元レリーフＳＲ１は次のように説明することもできる。

すなわち、三次元レリーフＳＲ１は、画像ＧＦ１上の物体画像ＢＧについて、当該物体画像ＢＧが画像ＧＦ１の内容においてより遠い位置にある遠物体ＢＥと境界部分ＫＢにおいて隣接するときには、当該境界部分ＫＢにおいて遠物体ＢＥよりも厚さ方向に浅く彫刻が行われているとともに、当該境界部分ＫＢから遠ざかるにつれて厚さ方向に深くなるように彫刻が行われており、当該物体画像ＢＧが画像ＧＦ１の内容においてより近い位置にある近物体ＢＫと境界部分ＫＢにおいて隣接するときには、当該境界部分ＫＢにおいて近物体ＢＫよりも厚さ方向に深く彫刻が行われているとともに、当該境界部分ＫＢから遠ざかるにつれて厚さ方向に浅くなるように彫刻が行われている。

また、三次元レリーフＳＲ１は、画像ＧＦ１上の境界部分ＫＢにおいて互いに隣接する２つの物体画像ＢＧについて、画像ＧＦ１の内容においてより遠い位置にある物体画像ＢＧである遠物体ＢＥに対しては、より近い位置にある他の物体画像ＢＧである近物体ＢＫよりも境界部分ＫＢにおいて厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分ＫＢから遠ざかるにつれて厚さ方向に浅くなるように彫刻が行われ、近物体ＢＫに対しては、遠物体ＢＥよりも境界部分ＫＢにおいて厚さ方向に浅く彫刻が行われるとともに、当該境界部分ＫＢから遠ざかるにつれて厚さ方向に深くなるように彫刻が行われている。

なお、上に述べた実施形態では、物体画像ＢＧ１〜４がビルディングＢＴ１〜４である例について説明したが、物体画像ＢＧとしてあらゆるものを適用することができる。つまり、その表面の形状、色、寸法、材質などに係わらず、あらゆる物体の画像を物体画像ＢＧとして適用に、上に述べたと同様な手法によって三次元レリーフＳＲ１を製作することが可能である。

その場合に、物体の表面の形状に応じて、物体画像ＢＧの凹凸の表面形状、傾斜面ＳＦ２Ａ，ＳＦ２Ｂの形状などを決定すればよい。次に、そのような一例として、物体画像ＢＧが「岩」である例を、図９を参照して説明する。

図９の上半分に、３つの岩ＢＴ１１〜１３の配置関係が平面視によって示されている。つまり、岩ＢＴ１１が最も手前にあり、その奥に岩ＢＴ１２があり、さらにその奥に岩ＢＴ１３がある。図９の下半分に、これら岩ＢＴ１１〜１３の物体画像ＢＧ１１〜１３が彫刻された三次元レリーフＳＲ２の断面平面図として示されている。

三次元レリーフＳＲ２において、物体画像ＢＧ１１は、物体画像ＢＧ１２との境界部分ＫＢ１１および物体画像ＢＧ１３との境界部分ＫＢ１２において大きな段差が設けられるように彫刻されている。岩ＢＴ１１の表面の形状に沿っって、物体画像ＢＧ１１の表面の形状が形成されており、岩ＢＴ１１の表面に存在する凹部ＨＴ１１に対応して、物体画像ＢＧ１１の表面にも同様な凹部ＨＧ１１が形成されている。

物体画像ＢＧ１２，１３については、低くなった境界部分ＫＢ１１，１２から遠ざかるにつれてそれぞれ徐々に高くなり、境界部分ＫＢ１３，１４において、背景画像ＫＧ１１に対して大きな段差が形成されている。

このように、三次元レリーフＳＲ２においても、物体画像ＢＧ間および背景画像ＫＧとの間の境界部分ＫＢにおいて、大きな段差が形成されており、大きな立体感を得ることができる。

なお、上に説明したような三次元レリーフＳＲ１，２を製作するために、切削により彫刻を行う装置またはレーザカットにより彫刻を行う装置などを用いればよい。また、画像ＧＦの印刷を行うためには、上に述べたようなインクジェット方式のプリンタを用いればよい。次に、これらの装置の例について簡単に説明する。

図１０は三次元レリーフ作成装置１の平面図、図１１は三次元レリーフ作成装置１の正面図、図１２は三次元レリーフ作成装置１の側面図、図１３は制御装置１８の機能を示すブロック図である。

図１０〜図１２において、三次元レリーフ作成装置１は、基台１１、材料載置台１２、走行ガイド１３、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、プリンタヘッド１７、および制御装置１８などからなっている。

基台１１は、４本の脚部および補強ビームなどからなり、三次元レリーフ作成装置１を床面上に安定して設置するとともに、他の部材を十分な剛性で支持するためのものである。また、適当な高さを有することにより、操作者によるレリーフ材料ＲＺの着脱が容易に行える。

材料載置台１２は、その上面の載置面にレリーフ材料ＲＺを載置し、負圧でレリーフ材料ＲＺを吸着することによりレリーフ材料ＲＺを固定するためのものである。レリーフ材料ＲＺの載置面は、平面視で矩形であり、水平に設けられている。載置面には多数の穴が設けられており、図示しない真空ポンプによってそれらの穴から空気が吸引され、レリーフ材料ＲＺが載置された場合にはその裏面に負圧が作用してレリーフ材料ＲＺが材料載置台１２に吸着して固定されるようになっている。

なお、レリーフ材料ＲＺは、材料載置台１２により吸着される面とは反対側の表面が彫刻ヘッド１６によって彫刻される。彫刻によって表面に凹凸が形成されるが、凹凸が形成された後の表面に、プリンタヘッド１７によって印刷が行われ、これによって彫刻に応じた画像が形成される。

走行ガイド１３は、材料載置台１２の両辺の外側に設けられ、彫刻走行フレーム１４およびプリンタ走行フレーム１５がそれぞれＸ方向に直線状に走行するためのガイドである。

彫刻走行フレーム１４は、それ自身が走行ガイド１３に沿ってＸ方向に走行するが、彫刻ヘッド１６は彫刻走行フレーム１４に沿ってＹ方向に走行する。これによって、彫刻ヘッド１６はＸ方向およびＹ方向に走行可能であり、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料ＲＺの表面をスキャン可能となっている。

プリンタ走行フレーム１５は、それ自身が走行ガイド１３に沿ってＸ方向に走行するが、プリンタヘッド１７はプリンタ走行フレーム１５に沿ってＹ方向に走行する。これによって、プリンタヘッド１７はＸ方向およびＹ方向に走行可能であり、材料載置台１２に載置されたレリーフ材料ＲＺの表面をスキャン可能となっている。

このように、彫刻ヘッド１６およびプリンタヘッド１７は、レリーフ材料ＲＺの表面を互いに独立してスキャン可能である。なお、それらの一方がレリーフ材料ＲＺの表面をスキャンしている間は、他方は走行フレームとともに待機スペースＴＰ１，２において待機するよう制御される。

なお、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、およびプリンタヘッド１７の走行のために、図示しないステップモータまたはサーボモータなどを含んだ公知の駆動装置が用いられ、その走行速度、加速度、停止位置などが制御装置１８によって制御される。

彫刻ヘッド１６は、回転ドリルなどの刃物を備えており、刃物は、Ｚ方向つまりレリーフ材料ＲＺの表面に対して垂直方向に移動することが可能である。刃物のＺ方向の位置は、彫刻の内容に対応した距離データ（高さデータ）に基づき、制御装置１８によって制御される。

例えば、彫刻ヘッド１６によって形成される凹凸の面は、全て、レリーフ材料ＲＺの表面の接線方向、つまり材料載置台１２の表面の方向に対してなす角度が、８７度以下とされている。つまり、彫刻が行われた凹凸の面は、材料載置台１２の表面に対して垂直になることはなく、また垂直以上の角度でハングオ−バーすることのないようになっている。したがって、後の工程でコーティングまたは印刷を行う際に、彫刻が行われた凹凸の面に対して、プリントヘッドから噴射されたインクを適切に付着できるように制御することが可能である。

距離データは、図１〜図９において説明したように凹凸が形成されるようなデータである。そのような距離データは、画像ＧＦの元になった実物に対応した距離データを修正することによって生成することができる。また、画像ＧＦに基づいて、種々の方法を用い、図１〜図９において説明した段差が得られるように、距離データを生成することができる。

プリンタヘッド１７は、ＹＭＣＫの各色のインク、および、透明または白色の下地塗布用の紫外線硬化型インクに対応する複数のノズルを備え、ノズルからそれぞれの種類および色のインクを噴射してレリーフ材料ＲＺの表面（印刷表面）に画像形成する。

つまり、プリンタヘッド１７によって、レリーフ材料ＲＺの印刷表面に対し、レリーフ材料ＲＺの素材による表面の質感を低減するために透明または白色の下地塗布を行う下地塗布工程、および、下地塗布が行われたレリーフ材料（三次元レリーフ原形）ＲＺの表面に画像の印刷を行うことによって彫刻に応じた画像を形成する画像形成工程が行われる。

このように、プリンタヘッド１７は、カラー印刷を行うために複数の原色のインクをそれぞれ噴射するためのノズル（噴射口）を有している。

このように、三次元レリーフ作成装置１は、１つの材料載置台１２に載置されるレリーフ材料ＲＺの表面に対して、彫刻走行フレーム１４および彫刻ヘッド１６からなる彫刻装置ＴＳと、プリンタ走行フレーム１５およびプリンタヘッド１７からなる印刷装置（プリンタ）ＰＳとが、それぞれ独立してスキャンし、彫刻しまたは印刷することが可能である。したがって、材料載置台１２上に板状のレリーフ材料ＲＺをセットすることによって、その表面に彫刻を施し、彫刻された三次元レリーフ原形ＲＧの表面にコーティングや印刷を行って画像を形成することができ、レリーフ材料ＲＺを移動することなく三次元レリーフＳＲを作成することができる。

したがって、レリーフ材料ＲＺの位置決めを最初に１回すればよいので、位置合わせが容易であり作業が簡単であるとともに、彫刻と印刷との間で位置ずれが生じることがなく、高精度の三次元レリーフＳＲを作成することができる。また、彫刻装置ＴＳの刃物の制御に用いた距離データ（彫刻データ）を、そのまま印刷装置ＰＳにおけるプリンタヘッド１７と印刷表面との距離に応じた制御に用いることができ、制御データの生成が容易でありかつ高精度のものとすることができる。

図１３に示すように、制御装置１８は、スキャン機構ＳＫ、スキャン制御部２１、画像制御部２２、および印刷条件制御部２３などを備える。

スキャン機構ＳＫは、プリンタヘッド１７を、印刷表面ＰＨに接触しない状態で、印刷表面ＰＨに対して相対的に直線的に移動させて印刷表面ＰＨの全体をスキャンさせる。スキャン機構ＳＫは、上に述べた彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、および、彫刻ヘッド１６とプリンタヘッド１７を移動駆動する部分などによって構成される。

次に、他の形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂについて説明する。

図１４は他の形態の三次元レリーフ作成装置１Ｂの構成を示す図である。

図１４において、三次元レリーフ作成装置１Ｂは、画像処理のためのコンピュータ１１０、制御データ生成部１２１、数値制御方式の彫刻装置ＴＳ、およびインクジェット方式の印刷装置ＰＳなどからなる。

コンピュータ１１０は、ＣＰＵやＤＳＰなどによる処理装置、半導体メモリや磁気ディスクなどの記憶装置、キーボードやマウスなどの入力装置、表示装置、および種々のインタフェース回路などを含んで構成されている。それらによって、ソフトウエア的にまたはハードウエア的に、コンピュータ１１０内に、画像格納部１１１、高さ画像生成部１１２、高さ画像格納部１１３、高さ変化データ生成部１１４、高さ変化データ格納部１１５、およびデータ出力部１１６が、機能的に形成される。

画像格納部１１１は、画像ＧＦを格納する。画像ＧＦは、Ｘ方向およびＹ方向にマトリックス状に配列された多数の画素ＧＳからなる２次元画像である。各画素ＧＳは、色情報ＣＤを持つ。色情報ＣＤは濃度情報を含む。例えば、各画素ＧＳが、ＲＧＢまたはＣＭＹＫなどで表現されている場合は、各原色の濃度情報によって各画素ＧＳの色、つまり、色相、彩度、および明度が決定される。画素ＧＳは他の表色系のデータによって表現されていてもよい。

このような画像ＧＦを得るために、それらの実物をデジタルカメラやビデオカメラなどによって撮影してもよい。また、既に撮影された写真や印刷物などをスキャナなどで読み取ってデジタル化してもよい。また、既にデジタル化されて画像データとなった画像ＧＦを、ＣＤ−ＲＯＭやメモリチップなどの記憶媒体を介して、またはネットワークからダウンロードして取得することも可能である。また、コンピュータ１１０の内部において、種々のアプリケーションを用いて画像ＧＦを生成してもよい。画像ＧＦは、通常、フルカラー画像であるが、モノクロ画像でもよい。

高さ画像生成部１１２は、画像ＧＦに基づいて、画像ＧＦ内の各部の高さを示す高さ画像ＴＦを生成する。生成された高さ画像ＴＦは、高さ画像格納部１１３に格納される。

高さ画像ＴＦは、各画素ＧＳについてＺ方向のデータである高さデータＴＤを記録したものである。高さ画像ＴＦの画素ＧＳのピッチまたは個数は、画像ＧＦの画素ＧＳのピッチまたは個数と同じであってもよく、また画像ＧＦの画素ＧＳを間引いたものであってもよい。

高さデータＴＤとして、例えば、２５６階調（８ビット）、６４階調（６ビット）などのデータが用いられる。高さデータＴＤは、例えば、最も低い位置（例えば背景位置）から最も高い位置までの間における位置を示す。また、高さデータＴＤが、最も低い位置からの距離を直接的に示すようにしてもよい。高さデータＴＤを、プリンタヘッド１７からの距離で示してもよい。高さデータＴＤは、画像ＧＦにおいては高さを示すものであるが、プリンタヘッド１７や切削工具からから見れば奥行きまたは深さを示すものとも言えるので、奥行きデータまたは深さデータと言うこともできる。

このような高さ画像ＴＦを得るために、種々の方法を用いることが可能である。例えば、画像ＧＦを複数の領域に区画し、区画された各領域に対して高さレベルを付与する。高さレベルの付与は、ユーザが手動で行ってもよく、または画像内における領域の状態をコンピュータ１１０で認識させることにより自動で行ってもよい。

各領域において付与された高さレベルに応じて、各領域内における各部（各画素ＧＳ）の高さを決定する。高さ画像ＴＦは、例えば、各部の高さをグレースケールを用いて示す濃淡画像である。

高さ変化データ生成部１４は、高さ画像ＴＦに基づいて、各部についての画像ＧＦの単位長さＬＸ当たりの高さの変化分ＬＺを示す高さ変化データＨＦを生成する生成された高さ変化データＨＦは、高さ変化データ格納部１１５に格納される。高さ変化データＨＦは、Ｘ方向およびＹ方向にマトリックス状に配列された多数の各画素ＧＳについて、Ｘ方向およびＹ方向に直交するＺ方向のデータの変化量である傾斜データＫＤを記録したものである。

データ出力部１６は、三次元レリーフ原形において高さ画像ＴＦで示される高さに応じた凹凸を形成するために、高さ画像ＴＦを数値制御加工装置２２の制御のために出力する。データ出力部１６は、データの入出力のための適当なインタフェースであってもよい。また、適当な記録媒体に対してデータの書き込みを行うための媒体ドライブ装置であってもよい。

制御データ生成部１２１は、データ出力部１１６から出力された高さ画像ＴＦに基づいて、彫刻装置ＴＳを制御するための制御データを生成する。なお、そのような制御データを生成するに際して、画像ＧＦのデータを用いてもよい。また、制御データの生成をコンピュータ１１０の内部で行い、制御データを適当なインタフェースを介して彫刻装置ＴＳに出力するようにしてもよい。

彫刻装置（ルーター）ＴＳは、制御データに基づいて、レリーフ材料ＲＺに対して加工を施し、画像ＧＦについての三次元レリーフ原形ＲＧを作成する。彫刻装置ＴＳとして、種々のＮＣ旋盤、マシニングセンター、レーザ加工機、サンドブラスト、ルーターなどと同様の機構を用いることが可能である。

次に、三次元レリーフＳＲの製造方法について、フローチャートを参照して説明する。

図１５は三次元レリーフＳＲの製造工程の全体の動作の流れを示すフローチャートである。

図１５において、画像ＧＦを取得し（＃１）、画像ＧＦに基づいて高さ画像ＴＦを生成する（＃２）。高さ画像ＴＦに基づく制御データを用いて彫刻装置を制御し、レリーフ材料ＲＺを加工して三次元レリーフ原形ＲＧを作成する（＃３）。三次元レリーフ原形ＲＧに対して、その表面にコーティングを行ってコーティング層ＲＣを形成する（＃４）。画像ＧＦ１に基づいて印刷装置ＰＳを制御し、三次元レリーフ原形ＲＧのコーティング層ＲＣの上から印刷を行って着色する（＃５）。

上に説明した種々の実施形態において、彫刻走行フレーム１４、プリンタ走行フレーム１５、彫刻ヘッド１６、およびプリンタヘッド１７の走行のための装置または機構として、上に述べた以外の種々の公知のものを採用することが可能である。

また、三次元レリーフＳＲ１，２の各部または全体の形状、寸法、角度などについても、上に述べた以外の種々のものとすることができる。

その他、印刷装置ＰＳ、彫刻装置ＴＳ、制御装置１８、コンピュータ１１０、または三次元レリーフ作成装置１，１Ｂの全体または各部の構成、形状、寸法、個数、材質、画像の内容、制御装置１８およびコンピュータ１１０における処理内容、処理順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

二次元の画像の例を示す図である。 画像上の物体画像についてその実際の配置関係の例を示す平面図である。 画像に基づいて製作された三次元レリーフを示す正面図である。 図３の三次元レリーフの断面平面図である。 従来の方法により製作した場合における図３の三次元レリーフの断面平面図である。 図４の一部を拡大して示す図である。 図６の一部を拡大して示す図である。 図３の三次元レリーフのＣ−Ｃ線断面矢視図である。 他の例の物体画像の実際の配置関係とその三次元レリーフとの関係を示す図である。 三次元レリーフ作成装置の例を示す平面図である。 三次元レリーフ作成装置の正面図である。 三次元レリーフ作成装置の側面図である。 制御装置の機能を示すブロック図である。 他の形態の三次元レリーフ作成装置の全体の構成を示す図である。 三次元レリーフの製造工程の全体の動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１，１Ｂ 三次元レリーフ作成装置（三次元レリーフを製造する装置）
１７ プリンタヘッド
１８ 制御装置（彫刻制御手段）
ＰＳ 印刷装置
ＴＳ 彫刻装置（彫刻手段）
ＳＫ スキャン機構
ＧＦ１ 画像
ＳＲ１，２ 三次元レリーフ
ＲＺ レリーフ材料（材料）
ＢＧ 物体画像
ＴＢ 注目物体
ＢＥ 遠物体
ＢＫ 近物体
ＫＢ 境界部分
ＳＦ２Ａ 傾斜面
ＳＦ２Ｂ 傾斜面（第２の傾斜面）

Claims (14)

1. 二次元の画像に基づいて三次元レリーフを製造する方法であって、
   厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、
   前記画像上の物体画像について、
   当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、 当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、 前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う、
   ことを特徴とする三次元レリーフを製造する方法。
2. 二次元の画像に基づいて三次元レリーフを製造する方法であって、
   厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、
   前記画像上の境界部分において互いに隣接する２つの物体画像について、
   画像の内容においてより遠い位置にある物体画像である遠物体に対しては、より近い位置にある他の物体画像である近物体よりも境界部分において前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、
   前記近物体に対しては、前記遠物体よりも境界部分において前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、
   前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う、
   ことを特徴とする三次元レリーフを製造する方法。
3. 二次元の画像に基づいて三次元レリーフを製造する方法であって、
   厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成するとともに、
   前記画像上の１つの物体画像である注目物体、当該注目物体は、当該注目物体以外の他の２つの物体画像とそれぞれ境界部分において互いに隣接するものであってしかも前記他の２つの物体画像のうちの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより遠い位置にある遠物体でありかつ残りの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより近い位置にある近物体である、そのような注目物体に対して、
   前記近物体との境界部分においては、前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、
   前記遠物体との境界部分においては、前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、
   前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるように彫刻を行う、
   ことを特徴とする三次元レリーフを製造する方法。
4. 前記遠物体との境界部分において、前記注目物体に含まれる部分に傾斜面を形成する、
   請求項３記載の三次元レリーフを製造する方法。
5. 前記境界部分における前記遠物体に含まれる部分に、前記傾斜面に連続しかつ前記傾斜面よりも傾斜の緩い平面状または曲面状の第２の傾斜面を形成する、
   請求項４記載の三次元レリーフを製造する方法。
6. 前記彫刻によって凹凸が形成された材料の表面に、前記画像をカラーで印刷する、
   請求項３ないし５のいずれかに記載の三次元レリーフを製造する方法。
7. 前記印刷を行う前に、前記材料の表面に、紫外線硬化型インクを用いて下地塗布を行う、
   請求項６記載の三次元レリーフを製造する方法。
8. 前記材料に彫刻を行う工程と前記材料に印刷を行う工程とを、前記材料を同じ位置に固定したままの状態で実行する、
   請求項６または７記載の三次元レリーフを製造する方法。
9. 二次元の画像に基づいて三次元レリーフを製造する装置であって、
   厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面を、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸を形成する彫刻手段と、
   前記画像上の物体画像について、当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻を行い、当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻を行うとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻を行い、前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となるよう、前記彫刻手段を制御する彫刻制御手段と、
   を有することを特徴とする三次元レリーフを製造する装置。
10. 二次元の画像に基づいて製造される三次元レリーフであって、
    厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面が、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸が形成されており、
    前記画像上の物体画像について、
    当該物体画像が画像の内容においてより遠い位置にある遠物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻が行われ、
    当該物体画像が画像の内容においてより近い位置にある近物体と境界部分において隣接するときには、当該境界部分において前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻が行われ、 前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となっている、
    ことを特徴とする三次元レリーフ。
11. 二次元の画像に基づいて製造される三次元レリーフであって、
    厚さ方向に所定の寸法を有する板状の材料の表面が、前記画像に対応して前記厚さ方向に深くまたは浅く彫刻することにより当該表面に凹凸が形成されており、
    前記画像上の１つの物体画像である注目物体、当該注目物体は、当該注目物体以外の他の２つの物体画像とそれぞれ境界部分において互いに隣接するものであってしかも前記他の２つの物体画像のうちの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより遠い位置にある遠物体でありかつ残りの１つは当該注目物体よりも画像の内容においてより近い位置にある近物体である、そのような注目物体に対して、
    前記近物体との境界部分においては、前記近物体よりも前記厚さ方向に深く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に浅くなるように彫刻が行われ、
    前記遠物体との境界部分においては、前記遠物体よりも前記厚さ方向に浅く彫刻が行われているとともに、当該境界部分から遠ざかるにつれて前記厚さ方向に深くなるように彫刻が行われ、
    前記遠物体との前記境界部分および前記近物体との前記境界部分のいずれにおいても、それら境界部分における前記厚さ方向の段差が前記彫刻における最大深さに相当する距離となっている、
    ことを特徴とする三次元レリーフ。
12. 前記遠物体との境界部分において、前記注目物体に含まれる部分に傾斜面が形成されている、
    請求項１１記載の三次元レリーフ。
13. 前記境界部分における前記遠物体に含まれる部分に、前記傾斜面に連続しかつ前記傾斜面よりも傾斜の緩い平面状または曲面状の第２の傾斜面が形成されている、
    請求項１２記載の三次元レリーフ。
14. 前記彫刻によって凹凸が形成された材料の表面に、前記画像がカラーで印刷されている、
    請求項１１ないし１３のいずれかに記載の三次元レリーフ。

Images