JP6816442B2 - データ処理装置、立体造形システム及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、データ処理装置、立体造形システム及びプログラムに関する。

従来から、立体造形装置、いわゆる３Ｄプリンタが提案されている。そして３Ｄプリンタを用いて立体造形を行うにあたっては、入力データとして造形物の形状および造形物における表面の色を、特定の表面領域ごとに規定したデータ（例.ポリゴンデータ）を受け付けると共に、受け付けたデータを造形装置で造形可能となるようにボクセルデータに変換し、変換したボクセルデータを基にして造形を行う技術が一般に知られている。

また、複数の着色材料を出力可能な造形装置であれば、ボクセルごとに色情報が割り当てられたカラーのボクセルデータを基にして、カラーの３次元造形物を造形することもできる。

特許文献１には、彩色された複数のシートを積層して３次元造形物を製造するにあたり、その基礎となる立体モデルの表面色の階調性を正確に再現する技術が記載されている。立体モデルの各断面の形状に応じて、透明シート上に彩色領域を規定し、この彩色領域の全域を白のトナー層でその全面を覆った後に、３原色のトナーを空間的に階調分布させた３原色トナー層を付与して２層構造の彩色層を形成する。彩色領域では透明シートを介して光を透過することがないため、積層体の表面色の表現における階調性や色調性が高まる。

特許文献２には、立体造形物の外側面の色を正確に表現するための立体造形装置および立体造形データ作成プログラムが記載されている。立体造形装置は、それぞれの造形層のうち、着色される立体造形物の外側面を構成する端部から造形層の内側へ広がる領域をカラー領域とする。造形層に隣接する隣接層の端部が、造形層の端部よりも内側に位置する場合、隣接層の端部または前記端部よりも内側に広がる領域をカラー領域とする。カラー領域には、着色する色を発色させる量のカラー造形液を吐出させる。カラー領域よりも内側に、無色造形液のみを吐出する無色領域を形成する。カラー領域と無色領域の間の領域を、カラー造形液と無色造形液を共に吐出する混合領域とする。

特許文献３には、積層方向とは異なる方向に隣接する画素よりも積層方向に隣接する画素に対し拡散する誤差を大きくして縦スジの形成を防止できる立体造形データ作成装置およびプログラムが記載されている。ＰＣのＣＰＵは、立体造形物の表面部に対応する表面画素を抽出した画素集合体に誤差拡散処理を行って造形データを作成する。ＣＰＵは処理対象の対象画素を量子化した際の差分値を同じ画素集合体の隣接画素と内部側の画素集合体の対象画素および隣接画素に拡散する。ＣＰＵは積層方向に隣接する隣接画素に対する差分値の割合を他の隣接画素よりも大きくする。ＣＰＵは同じ画素集合体の隣接画素に対する差分値の割合を内部側の画素集合体の隣接画素よりも大きくする。

特許文献４には、複数の層を積層することによって立体造形された構造物において、所望の色調を実現した造形物を提供する技術が記載されている。造形物は、複数の層を積層することによって製造され、各層は、表層側（外周側）から内側（中心部側）に向かって、透明インクから形成された第２の透明層の一部分と、着色剤を含むインクから形成された加飾層の一部分と光反射性を有するインクから形成された反射層がこの順で形成される。

特開２０００−２４６８０４号公報 特開２０１３−７５３９０号公報 特開２０１５−４４２９９号公報 特開２０１５−１４７３２７号公報

ところで、入力データからカラーのボクセルデータを生成する際、造形物表面においてハーフトーニング処理を行っているものがある。これはすなわち、入力データの持つ色の濃淡を、造形物表面において着色する領域の大小（表面ボクセルにおける、有色を割り当てるボクセルの割合）で表現していることになる。この場合、造形物表面に位置しない内部ボクセルについては、入力データの持つ色の濃淡に関わらず、表面ボクセルから造形物内部に向かって一定の距離（深さ）に位置する内部ボクセルまで、対応する表面ボクセルと同じ色情報を割り当てていることになる。

しかし、カラーの立体造形物を示す入力データからカラーのボクセルデータを生成する際、入力データの色の濃淡に関わらず、表面ボクセルから一定の深さに位置する内部ボクセルまで一律に表面ボクセルと同じ色情報を割り当てた場合には、入力データの色の濃淡を表面ボクセルにおける着色の割合でしか表現できず、出来上がりの立体造形物における色の再現性に限りが出てきてしまう。

本発明は、カラーの立体造形物を示す入力データからカラーのボクセルデータを生成する構成において、入力データの色の濃淡に関わらず、表面ボクセルから一定の深さに位置する内部ボクセルまで一律に表面ボクセルと同じ色情報を割り当てる方法よりも、生成したカラーデータを基に造形した造形物の色の再現性を高めることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、立体造形物の形状および前記立体造形物における表面の色を特定の表面領域ごとに規定した第１のデータを受け付ける受付手段と、受け付けた前記第１のデータにおいて前記表面の色濃度が高い領域ほど、表面からより深い位置に対応する内部ボクセルまで有色のカラーデータを付与することでカラーボクセルデータを生成するプロセッサと、を備え、前記プロセッサは、処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離と前記ポリゴンの色濃度とを用いて前記処理対象の内部ボクセルをカラーボクセルと無彩色ボクセルのいずれかとする、データ処理装置である。

請求項２に記載の発明は、前記プロセッサは、表面からより深い位置となるほど色濃度が薄くなるように前記カラーボクセルデータを生成する、請求項１に記載のデータ処理装置である。

請求項３に記載の発明は、前記プロセッサは、前記ポリゴンのカラーデータと同一のカラーデータを付与して前記カラーボクセルデータを生成する、請求項１に記載のデータ処理装置である。

請求項４に記載の発明は、前記プロセッサは、前記第１のデータにおける表面の色を構成する各色成分と、前記立体造形物を造形可能な色信号に対応する各色成分とが互いに補色関係にある場合に、前記第１のデータにおける表面の色の色情報を、補色演算を用いて造形可能な色信号に対応する色成分に変換し、変換後の色成分ごとの濃度を加算してカラー総量を算出し、前記ポリゴンの色濃度として前記カラー総量を用いて前記処理対象の内部ボクセルを前記カラーボクセルと前記無彩色ボクセルのいずれかとする、請求項１に記載のデータ処理装置である。

請求項５に記載の発明は、前記プロセッサは、前記カラー総量毎に異なる閾値と、前記処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離との大小関係に応じて前記処理対象の内部ボクセルを前記カラーボクセルと前記無彩色ボクセルのいずれかとする、請求項４に記載のデータ処理装置である。

請求項６に記載の発明は、前記プロセッサは、同一の前記カラー総量に対して多元色の場合には単色の場合よりもより深い位置に対応する内部ボクセルまで前記有色のカラーデータを付与することで前記カラーボクセルデータを生成する、請求項４に記載のデータ処理装置である。

請求項７に記載の発明は、前記プロセッサは、前記ポリゴンを、前記処理対象の内部ボクセルの中心位置から所定範囲内で検索し、なければ前記所定範囲を拡大して再検索することで特定する、請求項１〜６のいずれかに記載のデータ処理装置である。

請求項８に記載の発明は、前記ポリゴンまでの距離は、前記処理対象の内部ボクセルの中心と前記ポリゴンの各点との平均距離である、請求項１〜６のいずれかに記載のデータ処理装置である。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載のデータ処理装置と、前記データ処理装置から出力されたデータを用いて立体造形物を形成する立体造形装置と、を備える立体造形システムである。

請求項１０に記載の発明は、コンピュータに、立体造形物の形状および前記立体造形物における表面の色を特定の表面領域ごとに規定した第１のデータを受け付けるステップと、受け付けた前記第１のデータにおいて前記表面の色濃度が高い領域ほど、表面からより深い位置に対応する内部ボクセルまで有色のカラーデータを付与することでカラーボクセルデータを生成するステップであり、処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離と前記ポリゴンの色濃度とを用いて前記処理対象の内部ボクセルをカラーボクセルと無彩色ボクセルのいずれかとする、ステップと、を実行させるプログラムである。

請求項１−４，９，１０に記載の発明によれば、入力データの色の濃淡に関わらず、表面ボクセルから一定の深さに位置する内部ボクセルまで一律に表面ボクセルと同じ色情報を割り当てる方法よりも、生成したカラーデータを基に造形した造形物の色の再現性を高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば、さらに、距離とカラー総量を用いて適切にカラーボクセルを生成できる。

請求項６に記載の発明によれば、さらに、カラー総量を用いて適切にカラーボクセルを生成できる。

請求項７，８に記載の発明によれば、さらに、効率的に最も距離の近いポリゴンを特定できる。

システム構成図である。 全体処理フローチャートである。 スライスデータ説明図である。 最も近いポリゴンと深さデータの決定処理フローチャートである。 距離の算出説明図である。 カラーボクセルと無彩色ボクセルの決定処理フローチャートである。 カラー総量とカラーボクセル条件の一例を示す説明図である。 カラーボクセルと無彩色ボクセルの他の決定処理フローチャートである。 カラーボクセル条件決定式の一例を示す説明図である。 入力データと出力データの関係を示す説明図（その１）である。 入力データと出力データの関係を示す説明図（その２）である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書において用いられる用語の定義は、以下の通りである。
「ボクセル」：立体物の表現に用いられる小さな立方体の最小単位のこと。二次元画像におけるピクセル（画素）に相当する。これらのボクセルを組み合わせることで立体物を可視化することができることから、一般に造形装置で立体物を造形する際には、造形対象物をボクセルの集合体として記述したデータに基づき、造形を行う。また、二次元の際のピクセルと同様、各ボクセルに色情報を付加すれば、ボクセル単位で色をつけることができる。
「ボクセルデータ」：造形対象物をボクセルの集合体として記述したデータのこと。
「カラーボクセルデータ」：各ボクセルに色情報が付加されたボクセルデータのこと。
「表面ボクセル」：立体造形物を構成する全てのボクセルのうち、当該立体造形物の表面に位置するボクセルのことを指す。
「内部ボクセル」：造形物を構成する全てのボクセルのうち、当該造形物の表面に位置しない全てのボクセルのことを指す。
「有色」：有彩色および低明度の無彩色（例. 白、透明以外）を指す。
「無色」：高明度の無彩色（例. 白、透明）を指す。

フルカラーの３Ｄプリンタの場合、１つの画素あるいはボクセル（３次元空間での正規格子単位）に１色分のインク、かつ一定量しか吐出できないことがある。フルカラー２Ｄプリンタでは、例えば入力データがブルー(Blue)１００％の場合、出力データとしてシアン(Cyan)１００％、マゼンタ(Magenta)１００％とすることでブルー１００％を表現できるが、上記のようなフルカラー３Ｄプリンタでは、出力データとして体積率がシアン５０％、マゼンタ５０％となるため実質ブルー５０％となってしまう。

図１０は、フルカラー２Ｄプリンタと、１つの画素あるいはボクセルに１色分のインクを一定量しか吐出できないフルカラー３Ｄプリンタにおける、入力データと出力データの関係を示す。

入力データがシアン１００％の場合、フルカラー２Ｄプリンタ及びフルカラー３Ｄプリンタのいずれも出力データはシアン１００％を実現できる。入力データがマゼンタ等の場合でも同様である。

他方、入力データがブルー１００％の場合、フルカラー２Ｄではブルー１００％が出力されるものの、フルカラー３Ｄプリンタでは実質５０％となり、単色に比べて色が薄くなってしまう。

図１１は、この場合の処理を模式的に示す。図１１（ａ）は、ブルー(B)１００％の入力データを示す。図１１（ｂ）は、フルカラー３Ｄプリンタの出力データを示す。１つの画素あるいはボクセルに１色分のインクしか吐出できないため、シアン(C)、マゼンタ(M)が交互に吐出され、実質ブルー５０％しか得られない。このことは、ブルーに限らず他の多元色についても同様である。

着色層を増やすことで多元色の色は濃くなるが、同時に単色の色も濃くなるので、単色と多元色の濃さの相違は解消されない。本実施形態では、特にこのような問題について処理する。

図１は、本実施形態における立体造形システムの構成図を示す。立体造形システムは、データ処理装置１０と、立体造形装置１２を備える。データ処理装置１０と立体造形装置１２は、通信ネットワーク１４で接続される。

データ処理装置１０は、立体造形物データ（３Ｄデータ）を入力し、所定の処理を施して通信ネットワーク１４を介して立体造形装置１２に出力する。データ処理装置１０は、受付手段及び生成手段を備え、具体的には、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭやＳＳＤ、ＨＤＤ等のプログラムメモリ１０２、ＲＡＭ等のワーキングメモリ１０３、キーボードやマウス、ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード等の半導体メモリ、及びディスプレイ等との入出力を行う入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１０４、立体造形装置１２を含む外部機器との通信を行う通信インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１０５、及びＨＤＤ等の記憶部１０６を備える。受付手段は入出力Ｉ／Ｆ１０４及び通信Ｉ／Ｆ１０５であり、生成手段はＣＰＵ１０１である。データ処理装置１０は、コンピュータあるいはタブレット端末等で構成され得る。

ＣＰＵ１０１は、プログラムメモリ１０２に記憶された処理プログラムを読み出し実行することで、立体造形物データに対して処理を施し、通信Ｉ／Ｆ１０５及び通信ネットワーク１４を介して立体造形装置１２に出力する。ＣＰＵ１０１で実行される主な処理は、各ボクセルについて、カラーボクセルとするか無彩色ボクセルとするかの決定処理であり、より詳細には、
・立体造形物データ（３Ｄデータ）を構成するポリゴンのボクセルへの変換処理
・各ボクセルについて、カラーボクセルとするか無彩色ボクセルとするかの決定処理
・カラーボクセルについて、そのカラーデータの決定処理
・各ボクセルのカラーデータの、立体造形装置１２で処理し得るデータ形式への変換処理
である。

カラーボクセルとするか無彩色ボクセルとするかの決定処理には、処理対象となるボクセルに最も近いポリゴンまでの距離の算出処理、及び当該最も近いポリゴンのカラー濃度の算出処理が含まれる。カラーボクセルについてのカラーデータの決定処理には、最も近いポリゴンのカラー濃度が用いられ、必要に応じて最も近いポリゴンまでの距離も用いられる。立体造形装置１２で処理し得るデータ形式への変換処理には、カラーボクセルのカラーデータのＣＭＹＫへの変換処理、ハーフトーニング処理、スライス処理が含まれる。これらの処理についてはさらに後述する。

立体造形装置１２は、いわゆる３Ｄプリンタとして機能する。立体造形装置１２は、ＣＰＵ１２１、ＲＯＭ等のプログラムメモリ１２２、ワーキングメモリ１２３、通信インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１２４、操作部１２５、モータ駆動部１２６、ヘッド駆動部１２７、カラーヘッド１２８、及びクリアヘッド１２９を備える。

ＣＰＵ１２１は、プログラムメモリ１２２に記憶された処理プログラムに従い、操作部１２５からの操作指令に基づいて、通信Ｉ／Ｆ１２４を介して入力したデータ処理装置１０からの立体造形物データを用いてモータ駆動部１２６及びヘッド駆動部１２７に制御信号を出力して各種モータ及びヘッドを駆動する。

モータ駆動部１２６は、造形物を支持する支持台（ステージ）移動モータやヘッド移動モータを含む各種モータを駆動する。

ヘッド駆動部１２７は、カラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９のそれぞれのインク（造形液）の吐出を制御する。カラーヘッド１２８は、シアン(C)ヘッド、マゼンタ(M)ヘッド、イエロー(Y)ヘッド、ブラック(K)ヘッドから構成される。また、クリアヘッド１２９は、着色されていない透明のインク（造形液）を吐出する。ヘッド駆動部１２７は、例えば各ヘッドの吐出チャンネルに設けられた圧電素子を駆動することで吐出を制御するが、駆動方法はこれに限定されない。また、クリアヘッド１２９は、透明のインクを吐出するのではなく、白インクを吐出してもよい。白あるいは透明は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのカラーに対する無彩色として定義される。

立体造形装置１２は、データ処理装置１０から出力された立体造形物のスライスデータを用いて、カラーヘッド１２８、クリアヘッド１２９のインクを吐出し、高さ方向にスライスを順次積み重ねることで所望の立体造形物を形成する。具体的には、カラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９をＸＹＺの３軸方向に順次移動させながらインク（造形液）を吐出して立体造形物を形成する。カラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９を固定し、その下方に設けられたステージをＸＹＺの３軸方向に順次移動させてもよい。

カラーヘッド１２８は、シアン(C)ヘッド、マゼンタ(M)ヘッド、イエロー(Y)ヘッドから構成されていてもよく、あるいはシアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)に加え、さらに別の色から構成されていてもよい。

通信ネットワーク１４は、インターネットやＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）、Ｗｉ−Ｆｉ、ブルートゥース（登録商標）(Bluetooth)等が用いられる。

図２は、立体造形システムの全体処理フローチャートを示す。

まず、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１は、立体造形物データ（３Ｄデータ）を取得する（Ｓ１０１）。３Ｄデータは、キーボードやＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、ＵＳＢメモリ等から入出力Ｉ／Ｆ１０４を介して取得してもよく、通信Ｉ／Ｆ１０５を介して通信ネットワーク１４に接続された他のコンピュータから取得してもよい。３Ｄデータは、物体の三次元形状を示すデータであり、物体の外形の形状と表面のカラーを示す。３Ｄデータは、例えばポリゴンにより構成されており、物体表面のカラーデータ（例えばＲＧＢデータ）が含まれる。ポリゴンは、三角形や四角形の組み合わせで物体を表現する時の各要素である。３Ｄデータの形式は特に限定されず、ＣＡＤソフトで作成されたデータ形式であっても、ＣＧソフトで作成されたデータ形式であってもよい。

次に、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１は、プログラムメモリ１０２に記憶された処理プログラムに従い、３Ｄデータをボクセルデータに変換するとともに、そのカラーデータを決定する（Ｓ１０２）。ここでのボクセルデータは、物体表面からの深さデータＤと、カラーデータ（ｒ、ｇ、ｂ）を備えている。

深さデータＤは、ボクセル中心と、ボクセル中心から最も近いポリゴンとの距離である。深さデータＤは、例えば、ボクセル中心と、最も近いポリゴン各点（ポリゴンが三角形であれば三角形の各頂点）までの距離の平均値として算出される。

また、カラーデータは、各ボクセルについて、最も近いポリゴンのカラー濃度と深さデータＤから、当該ボクセルをカラーボクセルとするか、あるいは無彩色（白あるいは透明）ボクセルとするかを決定することで設定される。最も近いポリゴンのカラー濃度は、当該ポリゴンのカラー濃度から算出される。ＣＰＵ１０１は、基本的に、最も近いポリゴンのカラー濃度が大きくなるほど、立体造形物内部のより深い領域までカラーボクセルとなるようにカラーボクセルを生成する。

次に、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、各ボクセルに割り当てられたカラーデータ（ｒ、ｇ、ｂ）をＣＭＹＫのデータに変換する（Ｓ１０３）。ＲＧＢからＣＭＹＫへの変換は公知であり、２Ｄプリンタと同様に補色変換やルックアップテーブル（ＬＵＴ）等を用いることができる。なお、立体造形装置１２のクリアヘッド１２９が無色透明のインク（造形液）を吐出するのであれば、カラーデータ（ｒ、ｇ、ｂ）が示す色が白（ＲＧＢの全ての値が最大値）であれば、これを無彩色に変換する。

次に、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、ハーフトーニング処理により各ボクセルの出力色を決定する（Ｓ１０４）。ハーフトーニング処理は公知であり、２Ｄプリンタと同様に誤差拡散や閾値ディザマトリクス等を用いることができる。例えば、閾値ディザマトリクスを用いるハーフトーニング処理では、ＣＭＹＫの各色に対応した３次元閾値ディザマトリクスを予めプログラムメモリ１０２に記憶しておき、各色で、そのカラーデータと閾値ディザマトリクスの値を大小比較し、カラーデータが閾値以上であればＯＮ、閾値未満であればＯＦＦと判定し、ＯＮと判定された場合のみカラーデータを残す。

ハーフトーニング処理により、各ボクセルのカラーデータは、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)、無彩色（白あるいは透明）のいずれか１つを示すデータとなる。

次に、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、カラーデータが決定されたボクセルから、１スライス分のデータを抽出する（Ｓ１０５）。この１スライスは、立体造形装置１２のカラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９が１移動で吐出できる分量に相当する。ＣＰＵ１０１は、ボクセルからスライスデータを抽出すると、抽出したスライスデータを通信Ｉ／Ｆ１０５及び通信ネットワーク１４を介して立体造形装置１２に送信する。

立体造形装置１２のＣＰＵ１２１は、通信Ｉ／Ｆ１２４を介してスライスデータを受信し、スライスデータを用いてモータ駆動部１２６及びヘッド駆動部１２７を制御し、カラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９からインク（造形液）を吐出させて立体物を造形する（Ｓ１０６）。スライス抽出と、カラーヘッド１２８及びクリアヘッド１２９によるインク吐出を繰り返し、高さ方向にスライスを積み重ねることで立体物を造形する。

図３は、スライスデータを模式的に示す。図３（ａ）に示すように、３Ｄデータをボクセルデータに変換し、各ボクセルのカラーデータを決定すると、これらのボクセルから構成される３Ｄデータ１６を所定のスライス面１８で順次スライスしていき、図３（ｂ）に示すようにスライスデータ２０を抽出する。スライスデータ２０は、複数のボクセルデータから構成され、無彩色ボクセル２０１のデータやカラーボクセル２０２のデータを含む。各ボクセルが無彩色ボクセル２０１となるかカラーボクセル２０２となるかは、上記のように当該ボクセルに最も近いポリゴンのカラー濃度と深さデータＤから自動的に決定される。

次に、各ボクセルのカラーデータ決定方法について説明する。

図４は、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１で実行される、各ボクセルのカラーデータ決定に必要な最も近いポリゴンの探索及び深さデータＤの算出処理フローチャートを示す。

まず、ＣＰＵ１０１は、処理対象のボクセルについてある半径Ｒを初期設定し、この半径Ｒ内にポリゴンが存在するか否かを判定する（Ｓ２０１）。半径Ｒ内にポリゴンが存在しない場合（Ｓ２０１でＮＯ）、
Ｒ＝ａ^ｂ＊Ｒ
として半径Ｒを拡大更新する（Ｓ２０２）。ここで，ａ，ｂは係数であり、ａ，ｂ＞０である。一例として、ａ＝１．５、ｂ＝１とすると、
Ｒ＝１．５Ｒ
として半径Ｒを１．５倍に拡大更新する。

半径Ｒ内にポリゴンが存在する場合、あるいは拡大更新された半径Ｒ内にポリゴンが存在する場合（Ｓ２０１でＹＥＳ）、この半径Ｒ内に存在する全てのポリゴンについて、処理対象のボクセルとの距離を算出する（Ｓ２０３）。ボクセルとポリゴン間の距離は、法線を求めて距離を算出してもよく、ボクセル中心とポリゴン各点との距離の平均値を算出してもよい。半径Ｒ内に存在する全てのポリゴンとの距離を算出した後、これらの距離を比較して処理対象のボクセルに最も近いポリゴンを決定し、そのポリゴンまでの距離を深さデータＤとして決定する（Ｓ２０４）。

図５は、処理対象のボクセル（ボクセル１）と、半径Ｒ内に存在するポリゴン（ポリゴン１及びポリゴン２）との距離を算出する処理を模式的に示す。

ボクセル１の中心位置を（ｓ、ｔ、ｕ）とし、ポリゴン１の各頂点の位置を（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）とし、ポリゴン２の各頂点の位置を（ｘ２，ｙ２、ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）、（ｘ４，ｙ４，ｚ４）とすると（ポリゴン１とポリゴン２は、２つの頂点を共有する）、
、ボクセル１とポリゴン１間の距離は、例えば、
(((ｓ−ｘ１)²＋(ｔ−ｙ１)²−(ｕ−ｚ１) ²)^1/2＋
((ｓ−ｘ２)²＋(ｔ−ｙ２)²−(ｕ−ｚ２) ²)^1/2＋
((ｓ−ｘ３)²＋(ｔ−ｙ３)²−(ｕ−ｚ３) ²)^1/2)／３
により算出される。また、ボクセル１とポリゴン２間の距離は、
(((ｓ−ｘ２)²＋(ｔ−ｙ２)²−(ｕ−ｚ２) ²)^1/2＋
((ｓ−ｘ３)²＋(ｔ−ｙ３)²−(ｕ−ｚ３) ²)^1/2＋
((ｓ−ｘ４)²＋(ｔ−ｙ４)²−(ｕ−ｚ４) ²)^1/2)／３
により算出される。

ボクセル１とポリゴン１間の距離が、ボクセル１とポリゴン２間の距離よりも近い場合、ボクセル１とポリゴン１間の距離をボクセル１の深さデータＤとして決定する。ＣＰＵ１０１は、全てのボクセルについて処理を行い、その演算結果をワーキングメモリ１０３に格納する。ボクセルをボクセル１、ボクセル２、ボクセル３、・・・とすると、
ボクセル１：深さデータＤ１，最も近いポリゴン１
ボクセル２：深さデータＤ２，最も近いポリゴン２
ボクセル３：深さデータＤ３，最も近いポリゴン３
・
・
のように、ボクセル毎に、最も近いポリゴンと深さデータとを関連付けてワーキングメモリ１０３に格納する。最も近いポリゴンについては、そのカラーデータを関連付けて格納してもよい。

図６は、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１で実行される、各ボクセルのカラーデータ決定処理フローチャートを示す。

まず、ＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、ボクセル毎に図４のＳ２０４で決定された最も近いポリゴンのカラー濃度としてカラー総量Ｔを決定する（Ｓ３０１）。ＣＰＵ１０１は、最も近いポリゴンのカラーデータ（ｒ，ｇ，ｂ）に対し、これを補色変換してＣＭＹに変換してカラー総量Ｔを算出する。補色変換は、Ｒの入力濃度の反転値をＣの入力濃度とし、Ｇの入力濃度の反転値をＭの入力濃度とし、Ｂの入力濃度の反転値をＹの入力濃度とするものである。すなわち、
Ｃ（％）＝１００（％）−ｒ
Ｍ（％）＝１００（％）−ｇ
Ｙ（％）＝１００（％）−ｂ
である。カラー総量Ｔは、ＣＭＹの濃度の合計値であり、
Ｔ＝Ｃ（％）＋Ｍ（％）＋Ｙ（％）＝３００（％）−（ｒ＋ｇ＋ｂ）
である。

次に、ＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、算出されたカラー総量Ｔと、図４のＳ２０４で算出された深さデータＤから、処理対象ボクセルのカラーデータを決定する（Ｓ３０２）。具体的には、ＣＰＵ１０１は、予め設定されたカラーボクセル条件を満たす場合には当該ボクセルをカラーボクセルに決定し、最も近いポリゴンのカラーデータをそのまま用いる（Ｓ３０３）。他方、予め設定されたカラーボクセル条件を満たさない場合には当該ボクセルを無彩色ボクセルに決定する（Ｓ３０４）。カラーボクセル条件は、処理プログラムの一部として予めプログラムメモリ１０２にテーブル形式あるいは関数形式で記憶される。カラーボクセル条件は、一般的に、カラー総量Ｔが大きいほどカラーボクセルに決定され易く、深さデータＤが小さいほどカラーボクセルに決定され易くなるように設定される。

図７は、カラー総量Ｔ及びカラーボクセル条件の一例を示す。図７（ａ）は、カラー総量Ｔの例示であり、最も近いポリゴンの入力濃度が
ｒ＝２０％
ｇ＝１００％
ｂ＝１００％
であれば、その補色変換は
Ｃ＝８０％
Ｍ＝０％
Ｙ＝０％
となり、カラー総量Ｔは、
Ｔ＝８０％
となる。また、最も近いポリゴンの入力濃度が
ｒ＝２０％
ｇ＝２０％
ｂ＝１００％
であれば、その補色変換は
Ｃ＝８０％
Ｍ＝８０％
Ｙ＝０％
となり、カラー総量Ｔは、
Ｔ＝１６０％
となる。

図７（ｂ）は、カラーボクセル条件の例示であり、カラー総量Ｔ毎に、カラーボクセルとなる条件が深さデータＤと閾値との大小関係として規定される。すなわち、カラー総量Ｔが１００％以下であれば、
Ｄ＜ｈ
のときにカラーボクセルに決定され、カラー総量Ｔが１０１％〜２００％であれば、
Ｄ＜ｉ
のときにカラーボクセルに決定され、カラー総量Ｔが２０１％以上であれば、
Ｄ＜ｊ
のときにカラーボクセルに決定される。ここで、ｈ＜ｉ＜ｊである。

このカラーボクセル条件によれば、同一のカラー総量Ｔであれば、深さデータＤが小さく閾値より小さければカラーボクセルに決定され、深さデータＤが大きく閾値以上であれば無彩色ボクセルに決定される。また、同一の深さデータＤであれば、カラー総量Ｔが大きいと閾値も大きくなるので、カラーボクセルとして決定され易くなる。

ＣＰＵ１０１は、全てのボクセルについて処理を実行してカラーボクセルか無彩色ボクセルかを決定して、ワーキングメモリ１０３に格納する。ボクセルをボクセル１、ボクセル２、ボクセル３とすると、
ボクセル１：深さデータＤ１，カラーデータ（ｒ１，ｇ１、ｂ１）
ボクセル２：深さデータＤ２，カラーデータ（ｒ２，ｇ２，ｂ２）
ボクセル３：深さデータＤ３，カラーデータ（無彩色）
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のように、ボクセル毎に、深さデータとカラーデータを関連付けてワーキングメモリ１０３に格納する。ここで、ボクセル３については、カラーデータ（無彩色）とあるのは、無彩色ボクセルであることを示す。ここでは、データ形式として無彩色をカラーデータの一種として取り扱っているが、無彩色についてはカラーデータとは別のパラメータあるいはフラグを設定してもよい。例えば、カラーデータとは別に無彩色データを付加し、
ボクセル１：深さデータＤ１，カラーデータ（ｒ１，ｇ１、ｂ１），無彩色＝０
ボクセル２：深さデータＤ２，カラーデータ（ｒ２，ｇ２，ｂ２），無彩色＝０
ボクセル３：深さデータＤ３，カラーデータ（０，０，０），無彩色＝１
・
・
としてもよい。ここで、無彩色＝０はカラーボクセルであることを示し、無彩色＝１は無彩色ボクセルであることを示す。

なお、図６のＳ３０３では、カラーボクセル条件を満たすためにカラーボクセルと決定した場合に、当該ボクセルのカラーデータを最も近いポリゴンのカラーデータをそのまま用いる（コピーする）としているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、最も近いポリゴンのカラーデータを補正したものをカラーデータとしてもよく、深さデータＤに基づいて最も近いポリゴンのカラーデータを補正してもよい。補正の一例は、深さデータＤが大きくなるほど色が薄くなるように補正する等である。立体造形物の内部にいくほど色を薄くすることで、外形上、自然な色の濃さが再現され得る。

図８は、データ処理装置１０のＣＰＵ１０１で実行される、各ボクセルの他のカラーデータ決定処理フローチャートを示す。

まず、ＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、図４のＳ２０４で決定された最も近いポリゴンのカラー総量Ｔを決定する（Ｓ４０１）。すなわち、ＣＰＵ１０１は、最も近いポリゴンのカラーデータ（ｒ，ｇ，ｂ）に対し、これを補色変換してＣＭＹに変換してカラー総量Ｔを算出する。補色変換は、Ｒの入力濃度の反転値をＣの入力濃度とし、Ｇの入力濃度の反転値をＭの入力濃度とし、Ｂの入力濃度の反転値をＹの入力濃度とするものである。すなわち、
Ｃ（％）＝１００（％）−ｒ
Ｍ（％）＝１００（％）−ｇ
Ｙ（％）＝１００（％）−ｂ
である。カラー総量Ｔは、ＣＭＹの濃度の合計値であり、
Ｔ＝Ｃ（％）＋Ｍ（％）＋Ｙ（％）＝３００（％）−（ｒ＋ｇ＋ｂ）
である。

次に、ＣＰＵ１０１は、処理プログラムに従い、算出されたカラー総量Ｔと、図４のＳ２０４で算出された深さデータＤから、処理対象ボクセルのカラーデータを決定する（Ｓ４０２）。具体的には、ＣＰＵ１０１は、予め設定されたカラーボクセル条件式を満たす場合には当該ボクセルをカラーボクセルに決定し、最も近いポリゴンのカラーデータをそのまま用いる（Ｓ４０３）。他方、予め設定されたカラーボクセル条件式を満たさない場合には当該ボクセルを無彩色ボクセルに決定する（Ｓ４０４）。

カラーボクセル条件式は、深さデータＤとカラー総量Ｔを用いて、
Ｄ≦Ｔ^ｅ＊ｆ
と定義される。ここで、ｅ、ｆは係数であり、ｅ，ｆ＞０である。
カラーボクセル条件式は、処理プログラムの一部として予めプログラムメモリ１０２に記憶される。上記のカラーボクセル条件式は、同一深さデータＤであればカラー総量Ｔが大きいほどカラーボクセルに決定され易く、同一カラー総量Ｔであれば深さデータＤが小さいほどカラーボクセルに決定され易くなることを意味する。

図９は、カラーボクセル条件式において、
ｅ＝１
ｆ＝１
とした場合のカラーボクセル条件式を模式的に示す。
Ｄ≦Ｔ
であればカラーボクセルとして決定され、
Ｄ＞Ｔ
であれば無彩色ボクセルとして決定される。

勿論、これは例示であり、（ｅ，ｆ）の任意の組合せを設定し得る。特に、入力された３Ｄデータに応じて（ｅ，ｆ）の組合せを変化させてもよい。

また、図８の場合でも、図６の場合と同様に、カラーボクセルとして決定されたボクセルのカラーデータとして最も近いポリゴンのカラーデータをそのまま用いるのではなく、これを補正して用いてもよく、深さデータＤが大きくなるほど色が薄くなるように補正してもよい。具体的には、カラーボクセルとして決定されたボクセルのカラーデータ（ｒ２，ｇ２，ｂ２）を、最も近いポリゴンのカラーデータ（ｒ１，ｇ１、ｂ１）と深さデータＤを用いて、
r2 = (100-(100-r1)*(1-D/(T^e＊f)))
g2 = (100-(100-g1)*(1-D/(T^e＊f)))
b2 = (100-(100-b1)*(1-D/(T^e＊f)))
により算出する。深さデータＤが大きくなるほど色が薄くなるとは、立体造形物の内部にいくほど色が薄くなることを意味するものである。

このように、本実施形態では、処理対象のボクセルのカラーデータを、当該ボクセルに最も近いポリゴンからの距離（深さデータＤ）と、最も近いポリゴンのカラー濃度（カラー総量）に基づいて決定するので、多元色の場合でも単色と同程度の色の濃さが実現される。すなわち、シアン１００％を入力する場合と、ブルー１００％を入力する場合、従来においては、両者においてカラーボクセルとなるボクセルの深さは同一であるが、本実施形態では、ブルー１００％のカラー総量が２００％となるので、その分だけより深いボクセルまでカラーボクセルに決定され、結局、従来よりもブルー１００％の色が濃くなり、シアン１００％の色の濃さに近似することになる。本実施形態では、カラー濃度に応じ、カラー濃度が大きくなるほど正の相間でカラーボクセルの厚みが大きくなり、色が濃くなると表現し得る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下、これらの変形例について説明する。

＜変形例１＞
実施形態では、図２に示すように、３Ｄデータを取得すると（Ｓ１０１）、ボクセルデータに変換してカラーボクセルとするか否かを決定し（Ｓ１０２）、その後にＲＧＢデータをＣＭＹＫデータに変換しているが（Ｓ１０３）、３Ｄデータを取得した後にＲＧＢデータをＣＭＹＫデータに変換し、その後にボクセルデータに変換してカラーボクセルとするか否かを決定してもよい。カラーボクセルとするか否かを決定するには、処理対象のボクセルに最も近いポリゴンのカラー総量を算出するが、このときにＲＧＢを補色変換してＣＭＹに変換した上でカラー総量を算出しているので、その前処理としてＲＧＢデータをＣＭＹＫデータに変換しておけば、効率的にカラー総量を算出できる利点がある。

また、実施形態では、データ処理装置１０に入力される３ＤデータのカラーデータをＲＧＢとしているが、３Ｄデータのカラーデータは当初からＣＭＹＫでもよい。

＜変形例２＞
実施形態では、図４に示すように、処理対象のボクセルに対して半径Ｒ内に存在するポリゴンを探索し、なければ半径Ｒを拡大してポリゴンを探索し、半径Ｒ内に存在するポリゴンとの距離を算出しているが、処理対象のボクセルに対して当初から全ポリゴンとの距離を算出してもよいのは言うまでもない。但し、全ポリゴンを対象とすると計算量が膨大となり得る。ポリゴンの数に応じ、総ポリゴン数が閾値以下であれば当初から全ポリゴンとの距離を算出し、総ポリゴン数が閾値以上であれば実施形態の処理を実行する等、処理を使い分けてもよい。

＜変形例３＞
実施形態では、処理対象のボクセルに対し、最も近いポリゴンとの距離（深さデータＤ）及び最も近いポリゴンのカラーデータ（カラー総量Ｔ）を用いて当該ボクセルのカラーデータを決定しているが、これは、一般的には、
処理対象ボクセルのカラーデータ＝Ｆ（Ｄ，Ｔ）
と表現し得る。関数Ｆの値は、カラーボクセル値と無彩色ボクセル値の２値をとる。関数Ｆの具体的な式は、固定であってもよく、あるいはデータ処理装置１０と立体造形装置１２の利用者が適宜調整可能であってもよい。このことは、実施形態における係数ａ，ｂ，ｅ，ｆについても同様であり、これらの係数は固定であってもよく、利用者が適宜調整可能であってもよい。

また、上記の式
処理対象ボクセルのカラーデータ＝Ｆ（Ｄ，Ｔ）
は、処理対象ボクセルのカラーデータが深さデータＤとカラー総量Ｔに基づき決定されることを意味するもので、Ｄ，Ｔ以外の変数を排除する趣旨ではなく、他の変数Ｘを用いて、
処理対象ボクセルのカラーデータ＝Ｆ（Ｄ，Ｔ，Ｘ）
としてもよい。変数Ｘとしては、例えば最も近いポリゴンに隣接するポリゴンのカラー総量、あるいは２番目に近いポリゴンのカラー総量等を用い得る。

＜変形例４＞
実施形態では、データ処理装置１０と立体造形装置１２が別個に存在し、これらが通信ネットワーク１４でデータ送受可能に接続される構成であるが、データ処理装置１０と立体造形装置１２が物理的に一体化して立体造形システムを構成してもよい。

また、データ処理装置１０とネットワークサーバが通信ネットワーク１４で接続され、データ処理装置１０がクライアントとして取得した３Ｄデータをネットワークサーバに送信し、ネットワークサーバで図２のＳ１０１〜Ｓ１０５の処理を実行し、スライスデータをクライアントであるデータ処理装置１０に返信する、あるいは立体造形装置１２に出力する構成としてもよい。この場合、当該ネットワークサーバがデータ処理装置１０として機能する。

＜変形例５＞
実施形態では、処理対象のボクセルをカラーボクセルと無彩色ボクセルに分けているが、カラーボクセルのみを抽出する処理としても機能的には同等である。抽出されなかったボクセルは無彩色ボクセルであり、これはカラーボクセルと無彩色ボクセルに仕分けていることと等価だからである。

＜変形例６＞
実施形態では、全てのボクセルについて図６あるいは図８の処理を用いてカラーボクセルとするか無彩色ボクセルとするかを決定しているが、あるボクセルが無彩色と決定された場合、最も近いポリゴンを共通にするボクセルのうち、より大きい深さデータＤを有するボクセルは常に無彩色ボクセルとなるので、このことを利用して自動的に無彩色ボクセルに決定してもよい。要するに、あるボクセルが無彩色ボクセルであれば、それよりも内部に位置するボクセルも無彩色ボクセルに決定される。

＜変形例７＞
実施形態では、図２におけるＳ１０１〜Ｓ１０５までのステップをデータ処理装置１０で実行し、Ｓ１０６のステップを立体造形装置１２で実行しているが、Ｓ１０３あるいはＳ１０４までのステップをデータ処理装置１０で実行し、残りのステップを立体造形装置１２で実行してもよい。要するに、データ処理装置１０は、Ｓ１０２の処理を実行し、その結果としてのボクセルデータ（カラーボクセルデータ及び無彩色ボクセルデータを含む）を出力し、立体造形装置１２に供給すればよい。データ処理装置１０の出力データを一旦記録媒体等に格納し、当該記録媒体から立体造形装置１２に供給してもよい。

１０ データ処理装置、１２ 立体造形装置、１４ 通信ネットワーク、１６ ３Ｄデータ、１８ スライス面、２０ スライスデータ、２２ 立体造形物。

Claims (10)

1. 立体造形物の形状および前記立体造形物における表面の色を特定の表面領域ごとに規定した第１のデータを受け付ける受付手段と、
   受け付けた前記第１のデータにおいて前記表面の色濃度が高い領域ほど、表面からより深い位置に対応する内部ボクセルまで有色のカラーデータを付与することでカラーボクセルデータを生成するプロセッサと、
   を備え、
   前記プロセッサは、処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離と前記ポリゴンの色濃度とを用いて前記処理対象の内部ボクセルをカラーボクセルと無彩色ボクセルのいずれかとする、
   データ処理装置。
2. 前記プロセッサは、表面からより深い位置となるほど色濃度が薄くなるように前記カラーボクセルデータを生成する、
   請求項１に記載のデータ処理装置。
3. 前記プロセッサは、前記ポリゴンのカラーデータと同一のカラーデータを付与して前記カラーボクセルデータを生成する、
   請求項１に記載のデータ処理装置。
4. 前記プロセッサは、
   前記第１のデータにおける表面の色を構成する各色成分と、前記立体造形物を造形可能な色信号に対応する各色成分とが互いに補色関係にある場合に、前記第１のデータにおける表面の色の色情報を、補色演算を用いて造形可能な色信号に対応する色成分に変換し、
   変換後の色成分ごとの濃度を加算してカラー総量を算出し、
   前記ポリゴンの色濃度として前記カラー総量を用いて前記処理対象の内部ボクセルを前記カラーボクセルと前記無彩色ボクセルのいずれかとする、
   請求項１に記載のデータ処理装置。
5. 前記プロセッサは、前記カラー総量毎に異なる閾値と、前記処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離との大小関係に応じて前記処理対象の内部ボクセルを前記カラーボクセルと前記無彩色ボクセルのいずれかとする、
   請求項４に記載のデータ処理装置。
6. 前記プロセッサは、同一の前記カラー総量に対して多元色の場合には単色の場合よりもより深い位置に対応する内部ボクセルまで前記有色のカラーデータを付与することで前記カラーボクセルデータを生成する、
   請求項４に記載のデータ処理装置。
7. 前記プロセッサは、前記ポリゴンを、前記処理対象の内部ボクセルの中心位置から所定範囲内で検索し、なければ前記所定範囲を拡大して再検索することで特定する、
   請求項１〜６のいずれかに記載のデータ処理装置。
8. 前記ポリゴンまでの距離は、前記処理対象の内部ボクセルの中心と前記ポリゴンの各点との平均距離である、
   請求項１〜６のいずれかに記載のデータ処理装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のデータ処理装置と、
   前記データ処理装置から出力されたデータを用いて立体造形物を形成する立体造形装置と、
   を備える立体造形システム。
10. コンピュータに、
    立体造形物の形状および前記立体造形物における表面の色を特定の表面領域ごとに規定した第１のデータを受け付けるステップと、
    受け付けた前記第１のデータにおいて前記表面の色濃度が高い領域ほど、表面からより深い位置に対応する内部ボクセルまで有色のカラーデータを付与することでカラーボクセルデータを生成するステップであり、処理対象の内部ボクセルに最も近いポリゴンまでの距離と前記ポリゴンの色濃度とを用いて前記処理対象の内部ボクセルをカラーボクセルと無彩色ボクセルのいずれかとする、ステップと、
    を実行させるプログラム。