TWI674977B - 彩色立體列印方法與立體列印設備 - Google Patents
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Abstract
一種彩色立體列印方法與立體列印設備,適於將彩色圖案呈現於立體物件上,所述方法包括下列步驟。獲取上述彩色圖案的彩色圖像,上述彩色圖像包括多個像素。依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度。對上述立體物件的立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊。依據各個像素的噴墨深度獲取上述切層物件所對應的多個噴墨圖檔。
Description
本發明是有關於一種列印方法,且特別是有關於一種彩色立體列印方法與立體列印設備。
隨著電腦輔助製造(Computer-Aided Manufacturing, CAM)的進步,製造業發展了立體列印技術,能很迅速的將設計原始構想製造出來。立體列印技術實際上是一系列快速原型成型(Rapid Prototyping, RP)技術的統稱,其基本原理都是疊層製造,由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀,而在Z座標間斷地作層面厚度的位移,最終形成立體物件。立體列印技術能無限制幾何形狀,而且越複雜的零件越顯示RP技術的卓越性,更可大大地節省人力與加工時間,在時間最短的要求下,將3D電腦輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)軟體所設計的數位立體模型真實地呈現出來。
以熔融沉積造型(fused deposition modeling,FDM)技術為例,其將成型材料製作成線材,並將成型材料加熱熔融後依據所需形狀/輪廓在成型平台上逐層堆疊構成立體物件。目前有一種列印彩色立體物件的方法被提出,其於製造立體物件的過程中利用噴墨機構逐層上色構成立體物件的切層物件。於一應用情境中,立體列印裝置的噴墨機構可將彩色墨水噴塗於立體物件的外表面(例如於最上層切層物件的上方噴塗彩色墨水或於多個切層物件的邊緣噴塗彩色墨水等等),而將一彩色圖案呈現於立體物件的表面上。然而,上述呈現彩色圖案的方式不僅單調且不具有特別的視覺效果。如何增加彩色立體列印的多樣性與美觀性為相關技術人員所需思考的議題之一。
有鑑於此,本發明提供一種彩色立體列印方法與立體列印設備,其可使一彩色圖案以特殊的視覺效果呈現於一立體物件上,從而增加立體列印的多樣性與美觀性。
本發明提出一種彩色立體列印方法,適於將彩色圖案呈現於立體物件上,所述方法包括下列步驟。獲取上述彩色圖案的彩色圖像,上述彩色圖像包括多個像素。依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度。對上述立體物件的立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊。依據各個像素的噴墨深度獲取上述切層物件所對應的多個噴墨圖檔。
在本發明的一實施例中,上述依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度的步驟包括:獲取各個像素於色彩空間格式中的色彩空間分量;以及依據各個像素的色彩空間分量決定各個像素的噴墨深度。
在本發明的一實施例中,上述依據各個像素的色彩空間分量決定各個像素的噴墨深度的步驟包括:利用各個像素的色彩空間分量查詢一查找表,以從上述查找表的多個預設深度中獲取各個像素的噴墨深度。
在本發明的一實施例中,上述依據各個像素的色彩空間分量決定各個像素的噴墨深度的步驟包括:比較各個像素的色彩空間分量,而依據各個像素的色彩空間分量的大小排序各個像素;以及依據各個像素的排列順序來決定對應至各個像素的噴墨深度。
在本發明的一實施例中,上述彩色立體列印方法更包括:將上述彩色圖像自另一色彩空間格式轉換為上述色彩空間格式。
在本發明的一實施例中,上述各個像素的色彩空間分量包括HSV色彩空間的明度分量或HSL色彩空間的亮度分量。
在本發明的一實施例中,上述像素的噴墨深度隨上述明度分量或上述亮度分量的遞增而增加,其中上述噴墨深度為與上述立體物件之一外表面之間的距離。
在本發明的一實施例中,上述彩色立體列印方法更包括:於依據上述切層資訊利用一列印材料列印上述切層物件時,依據上述噴墨圖檔對上述噴墨圖檔所對應的切層物件進行上色。
在本發明的一實施例中,上述列印材料包括一透明材料。
在本發明的一實施例中,上述像素包括第一像素與第二像素。若上述第一像素的顏色特徵相異於上述第二像素的顏色特徵,則上述第一像素的噴墨深度相異於上述第二像素的噴墨深度。
在本發明的一實施例中,上述依據各個像素的噴墨深度獲取上述切層物件所對應的噴墨圖檔的步驟包括:依據各個像素的噴墨深度,利用對應至相同的噴墨深度的像素產生上述噴墨圖檔其中之一。
從另一觀點來看,本發明提出一種立體列印設備,其包括儲存裝置與處理器。處理器耦接儲存裝置且經配置以:獲取上述彩色圖案的一彩色圖像,上述彩色圖像包括多個像素;依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度;對上述立體物件的一立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊;以及依據各個像素的噴墨深度獲取上述切層物件所對應的多個噴墨圖檔。
基於上述,本發明的彩色立體列印方法與立體列印設備可依據彩色圖像之各像素的顏色特徵決定各像素的噴墨深度,並可依據各像素的噴墨深度產生分別紀錄有部份像素的多個噴墨圖檔。如此一來,立體列印裝置於製造立體物件的過程中可利用這些噴墨圖檔將彩色墨水噴圖於切層物件上,以將彩色圖案以特殊的視覺效果呈現於立體物件上。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述,以下的描述所引用的元件符號,當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份,並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說,這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的方法以及系統的範例。
圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印設備的示意圖。參照圖1,立體列印設備100包括儲存裝置110、處理器120以及立體列印設備130。處理器120耦接儲存裝置110以及立體列印設備130。在本實施例中,處理器120用以對立體物件進行建模,以建立一立體模型影像,其中立體模型影像符合多邊形檔案(Polygon File Format,PLY)或OBJ檔案等等的三維檔案格式。上述立體模型影像中的立體模型是由多個多邊形網格(mesh)所組成,並且每一個多邊形網格具有多個端點,其中這些端點各別具有不同座標。一般而言,上述多邊形網格是三角形網格。在本實施例中,處理器120可用以對立體模型影像中的立體模型進行切層處理,以取得切層資訊。處理器120可依據切層資訊來控制立體列印裝置130進行立體列印操作,以使立體列印裝置130逐層列印立體物件。
在本實施例中,儲存裝置110可用以儲存資料並且可以是緩衝記憶體、內部儲存媒體、外接式儲存媒體、其他類型儲存裝置或這些裝置的組合。例如,緩衝記憶體可包括隨機存取記憶體、唯讀記憶體或其他類似裝置。例如,內部儲存媒體可包括硬碟(Hard Disk Drive, HDD)、固態硬碟(Solid State Disk)、快閃(flash)儲存裝置或其他類似裝置。例如,外接式儲存媒體可包括外接式硬碟、USB隨身碟(USB drive)、雲端硬碟或其他類似裝置。在本實施例中,儲存裝置110可用以儲存立體模型影像、多個切層影像、立體影像建模模組、影像處理模組或影像分析模組等,以使實現本發明各實施例的切層影像處理工作。
在本實施例中,處理器120可用以執行儲存在儲存裝置110當中的多個模組,以使實現本發明各實施例的影像處理以及影像分析工作。處理器120可以是中央處理單元(central processing unit, CPU),或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor, DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(application specific integrated circuits, ASIC)、可程式化邏輯裝置(programmable logic device, PLD)、其他類似處理裝置或這些裝置的組合。
在本實施例中,立體列印裝置130可包括控制器131、列印機構132以及噴墨機構133等。處理器120可依據切層資訊來提供控制信號至立體列印裝置130的控制器131,以驅動立體列印裝置130。立體列印裝置130的控制器131可控制列印機構132與噴墨機構133進行立體列印操作以及噴墨操作。舉例而言,立體列印操作包括饋出成型材料,並且立體列印裝置130可對固化後的成型材料進行噴墨操作。此外,所屬技術領域通常知識者應當知曉立體列印裝置130還可以包括其餘用以與列印頭共同完成立體列印操作的構件(例如,平台、供料管線、噴墨管線、列印頭連動機構等),因此不再贅述。
圖2是依據本發明一實施例的彩色立體列印方法的流程圖。本實施例的方法適用於圖1的立體列印設備100,以下即搭配立體列印設備100中的各構件說明本實施例立體列印方法的詳細步驟。本實施例之彩色立體列印方法適於將色彩圖案呈現於立體物件上。
於步驟S201,處理器120獲取彩色圖案的彩色圖像。於一實施例中,當處理器120獲取外表面具有顏色資訊的立體模型時,處理器120可擷取立體模型的上述顏色資訊而產生彩色圖像。進一步而言,處理器120可依據立體模型上被標記有顏色之座標位置與其對應的顏色資料來產生彩色圖像,上述的彩色圖像包括多個像素。
接著,於步驟S202,處理器120依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度。上述的顏色特徵可以是像素於一色彩空間格式中的至少一色彩空間分量,或者,上述的顏色特徵也可以是將像素的至少一色彩空間分量代入一函式而產生的結果。圖3為依據本發明一實施例之用以說明步驟S202的細部流程圖。首先,於步驟S2021,處理器120獲取各個像素於色彩空間格式中的色彩空間分量。接著,於步驟S2022,處理器120可依據各個像素的色彩空間分量決定各個像素的噴墨深度。上述的色彩空間格式可以是RGB色彩空間、HSV色彩空間、HSL色彩空間、YCbCr色彩空間,或YUV色彩空間等等,本發明對此並不限制。舉例而言,假設彩色圖像的色彩空間格式為HSV色彩空間,則各像素的顏色可由「色相分量(Hue)」、「飽和度分量(Saturation)」、「明度分量(Value)」來表示。假設彩色圖像的色彩空間格式為RGB色彩空間,則各像素的顏色可由「紅色分量(Red)」、「綠色分量(Green)」、「藍色分量(Blue)」來表示。於一實施例中,在處理器120獲取每個像素的顏色特徵後,處理器120可依據各個像素的顏色特徵決定各個像素的噴墨深度。噴墨深度為與立體物件之外表面之間的距離。換言之,這些像素將依據其顏色特徵而被分類到對應不同噴墨深度的多個像素群組。相較於將彩色圖像內的各個像素的只呈現於立體物件的外表面,本實施例的方法可基於這些不同噴墨深度而將彩色圖像的部份像素的呈現位置往立體物件的內部移動。
接著,於步驟S203,處理器120對立體物件的立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊。於步驟S204,處理器120依據各個像素的噴墨深度獲取切層物件所對應的多個噴墨圖檔。一般來說,處理器120用固定間隔的切層平面切割立體模型,以便提取這些切層物件的截面輪廓。切割立體模型的切割間隔可視為切層物件的厚度。處理器120可依據這些切層物件的截面輪廓產生對應的控制碼檔。於此,控制碼檔即為立體列印裝置130可讀取與據以執行列印功能的切層資訊。換句話說,立體列印裝置130的控制器依據控制碼檔來控制列印構件,從而逐層製造各個切層物件。於一實施例中,控制碼檔例如是G碼(G code)檔。此外,當處理器120對彩色的立體模型進行切層處理時,處理器120還可產生對應至這些切層物件的多個噴墨圖檔,處理器120可將這些噴墨圖檔轉換為對應的噴墨控制資訊,立體列印裝置130則可依據噴墨控制資訊來控制噴墨機構133進行噴墨操作。
需說明的是,於一實施例中,處理器120在獲取彩色圖像中各像素的噴墨深度後,處理器120可依據各像素的噴墨深度調整原始立體模型,以將原始立體模型中標示有色彩的座標位置往立體模型的內部推入。接著,處理器120再對調整後的立體模型進行切層處理,以獲取各切層物件的切層資訊與對應的噴墨圖檔。另外,於一實施例中,處理器120在獲取彩色圖像中各像素的噴墨深度後,處理器120可先對原始立體模型進行切層處理,以獲取各切層物件的切層資訊與對應的噴墨圖檔。之後,在依據噴墨深度來調整這些噴墨圖檔,以透過改變各噴墨圖檔上的部份或全部的像素點的位置來產生調整後的噴墨圖檔。也就是說,本發明實施例的噴墨圖檔最終都是依據噴墨深度而產生的。
最後,於步驟S205,於依據切層資訊利用列印材料列印切層物件時,立體列印裝置130依據噴墨圖檔對噴墨圖檔所對應的切層物件進行上色。每當立體列印裝置130列印完一切層物件,立體列印裝置130將依據剛列印完之切層物件所對應的噴墨圖檔來執行噴墨操作,以於剛列印完之切層物件的上方噴塗墨水。如此,透過立體列印裝置130交替執行列印操作與噴墨操作,具有特殊視覺效果的立體物件可據以被製造出來。相較於將彩色圖案只呈現於立體物件的外表面,本實施例的方法可將至少部分彩色圖案呈現於立體物件內部,產生內雕之特殊視覺效果。
為了進一步說明本發明的彩色列印方法,以下特舉一實施例來對本發明進行說明。圖4是依據本發明一實施例的彩色立體列印方法的示意圖。需說明的是,為了以具有立體感的內雕效果呈現彩色圖案於立體物件上,各像素的噴墨深度可隨HSV色彩空間的明度分量的遞增而增加,而噴墨深度為與立體物件之外表面之間的距離。然而,雖然圖4實施例係以色彩特徵為HSV色彩空間的明度分量為例進行說明,但本發明並不以此為限。假設決定噴墨深度的色彩特徵為HSL色彩空間的亮度分量,為了以具有立體感的內雕效果呈現彩色圖案於立體物件上,各像素的噴墨深度可隨HSL色彩空間的量度分量的遞增而增加。
具體而言,請參照圖4,處理器120可從儲存裝置110讀取立體模型M1,並將立體模型M1表面的顏色資訊提取出來而獲取彩色圖像I1。處理器120可將彩色圖像I1自另一色彩空間格式轉換為HSV色彩空間。例如,處理器120可將彩色圖像I1自RGB色彩空間轉換為HSV色彩空間。接著,處理器120可依據彩色圖像I1上各個像素的顏色特徵來決定各個像素對應的噴墨深度。舉例而言,假設像素P4為對應至RGB座標(255, 255, 0)的黃色,則像素P4的明度分量為‘1’。於是,處理器120可依據像素P4的明度分量決定像素P4的噴墨深度為5個單位長度。另一方面,假設像素P5為對應至RGB座標(0, 0, 128)的深藍色,則像素P4的明度分量為‘0.5’。於是,處理器120可依據像素P5的明度分量決定像素P5的噴墨深度為0個單位長度。換言之,明度分量較高的像素P4於立體模型上的標記位置將從模型表面移動至立體模型內部。
基此,處理器120可在對立體模型進行切層處理後獲取切層資訊L1以及依據噴墨深度而產生的多個噴墨圖檔B1~BN,而立體列印裝置130可依據切層資訊L1以及噴墨圖檔B1~BN交替執行列印操作與噴墨操作,從而產生立體物件Obj1。於本範例中,基於各像素之噴墨深度的賦予,上色區塊C1位於立體物件Obj1的內部,而上色區塊C2、C3、C4位於立體物件Obj1的表面。此外,於本發明的實施例中,立體列印裝置130所使用的列印材料為透明材料,例如是透明的聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)材料或透明的亞力克(Acrylic)材料。因此,內縮的上色區塊C1是可見的。
圖5是依據本發明一實施例的獲取噴墨深度的示意圖。請參照圖5,處理器120獲取彩色圖像F1。於此,假設彩色圖像F1包括3種相異的顏色組成。處理器120將分析彩色圖像F1內的每一像素的顏色特徵。於此,處理器120將像素的一色彩空間分量作為像素的顏色特徵,區域Z1內每一像素(包括第一像素P1)的色彩空間分量相同。相似的,區域Z21、Z22內每一像素(包括第二像素P2)的色彩空間分量相同,而區域Z3內每一像素(包括第三像素P3)的色彩空間分量相同。
於一實施例中,在獲取彩色圖像F1內每一像素的色彩空間分量後,處理器120可利用各個像素的色彩空間分量查詢一查找表,以從查找表的多個預設深度中獲取各個像素的噴墨深度。以圖5為範例繼續說明,表1為以亮度分量(Lightness)查詢噴墨深度之查找表的範例。
表1 以表1為例,當處理器120知道像素P1的亮度分量為0.1,則處理器120可透過查詢表1得知像素P1的噴墨深度為d1。當處理器120知道像素P2的亮度分量為0.3,則處理器120可透過查詢表1得知像素P2的噴墨深度為d2。當處理器120知道像素P3的亮度分量為0.8,則處理器120可透過查詢表1得知像素P3的噴墨深度為d4。
然而,表1之列舉係用以清楚說明,並非用以限制本發明。關於查找表的建立可視實際需求而設計,本發明對此並不限制。也就是說,由於第一像素P1的顏色特徵相異於第二像素P2的顏色特徵,則第一像素P1的噴墨深度d1相異於第二像素P2的噴墨深度d2。如圖5所示,基於噴墨深度的查詢,區域Z1內的所有像素會對應至噴墨深度d1,區域Z21、Z22內的所有像素會對應至噴墨深度d2,而區域Z3內的所有像素會對應至噴墨深度d4。之後,處理器120可依據各像素的噴墨深度來產生多張噴墨圖檔。
此外,於一實施例中,處理器120可比較各個像素的色彩空間分量,而依據各個像素的色彩空間分量的大小排序各個像素。接著,處理器120再依據各個像素的排列順序來決定對應至各個像素的噴墨深度。以圖5為例繼續說明,在獲取彩色圖像F1內每一像素的色彩空間分量後,處理器120可依據像素的色彩空間分量排序所有像素。以第一像素P1、第二像素P2、第三像素P3為例,處理器120可依據色彩空間分量排序第一像素P1、第二像素P2,以及第三像素P3。接著,處理器120可依據第一像素P1、第二像素P2,以及第三像素P3的排列順序來決定第一像素P1、第二像素P2,以及第三像素P3噴墨深度。詳細而言,當第一像素P1的排列順序為1,則處理器120可直接決定第一像素P1的噴墨深度為d1。當第一像素P2的排列順序為2,則處理器120可直接決定第一像素P2的噴墨深度為d2。當第一像素P3的排列順序為3,則處理器120可直接決定第一像素P3的噴墨深度為d4。於另一實施例中,處理器120也可依據各像素的排列順序而將呈現等差級數的多個噴墨深度指派給各個像素。之後,處理器120可依據各像素的噴墨深度來產生多張噴墨圖檔,並驅動立體列印裝置130依據這些噴墨圖檔將彩色圖樣以特殊視覺效果呈現於製作出來的立體物件上。
綜上所述,本發明的彩色立體列印方法與立體列印設備可依據彩色圖像之各像素的顏色特徵決定各像素的噴墨深度,並可依據各像素的噴墨深度產生對應至多個切層物件的多個噴墨圖檔。如此一來,立體列印裝置於製造立體物件的過程中可利用這些噴墨圖檔將彩色墨水噴圖於切層物件上,以將彩色圖案以特殊的視覺效果呈現於立體物件上。此外,透過依據像素的明度或亮度來決定噴墨深度,本發明的立體列印裝置可將彩色圖案以更有立體感的方式呈現於立體物件上。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧立體列印設備
F1‧‧‧彩色圖像
110‧‧‧儲存裝置
Z1、Z21、Z22、Z3‧‧‧區域
120‧‧‧處理器
C1~C5‧‧‧上色區塊
130‧‧‧立體列印裝置
Obj1‧‧‧立體物件
131‧‧‧控制器
B1~BN‧‧‧噴墨圖檔
132‧‧‧列印機構
L1‧‧‧切層資訊
133‧‧‧噴墨機構
P1~P5‧‧‧像素
M1‧‧‧立體模型
I1‧‧‧彩色圖像
S201~S205、S2021、S2022‧‧‧步驟
圖1是依照本發明的一實施例的一種立體列印設備的示意圖。 圖2是依據本發明一實施例的彩色立體列印方法的流程圖。 圖3是依據本發明一實施例的彩色立體列印方法的示意圖。 圖4為依據本發明一實施例之用以說明步驟S202的細部流程圖。 圖5是依據本發明一實施例的獲取噴墨深度的示意圖。
Claims (11)
- 一種彩色立體列印方法,適於將一彩色圖案呈現於一立體物件上,包括:獲取該彩色圖案的一彩色圖像,該彩色圖像包括多個像素;依據各該些像素的顏色特徵決定各該些像素的噴墨深度,其中構成各該些像素的噴墨位於對應的同一噴墨深度;對該立體物件的一立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊;依據各該些像素的噴墨深度獲取該些切層物件所對應的多個噴墨圖檔;以及於依據該切層資訊利用一列印材料列印該些切層物件時,依據該些噴墨圖檔對該些噴墨圖檔所對應的該些切層物件進行上色。
- 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印方法,其中依據各該些像素的顏色特徵決定各該些像素的該噴墨深度的步驟包括:獲取各該些像素於一色彩空間格式中的一色彩空間分量;以及依據各該些像素的該色彩空間分量決定各該些像素的該噴墨深度。
- 如申請專利範圍第2項所述的彩色立體列印方法,其中依據各該些像素的該色彩空間分量決定各該些像素的該噴墨深度的步驟包括:利用各該些像素的該色彩空間分量查詢一查找表,以從該查找表的多個預設深度中獲取各該些像素的該噴墨深度。
- 如申請專利範圍第2項所述的彩色立體列印方法,其中依據各該些像素的該色彩空間分量決定各該些像素的該噴墨深度的步驟包括:比較各該些像素的該色彩空間分量,而依據各該些像素的該色彩空間分量的大小排序各該些像素;以及依據各該些像素的排列順序來決定對應至各該些像素的該噴墨深度。
- 如申請專利範圍第2項所述的彩色立體列印方法,其中更包括:將該彩色圖像自另一色彩空間格式轉換為該色彩空間格式。
- 如申請專利範圍第2項所述的彩色立體列印方法,其中各該些像素的該色彩空間分量包括HSV色彩空間的明度分量或HSL色彩空間的亮度分量。
- 如申請專利範圍第6項所述的彩色立體列印方法,其中該像素的該噴墨深度隨該明度分量或該亮度分量的遞增而增加,其中該噴墨深度為與該立體物件之一外表面之間的距離。
- 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印方法,其中該列印材料包括一透明材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印方法,其中該些像素包括第一像素與第二像素,若該第一像素的該顏色特徵相異於該第二像素的該顏色特徵,則該第一像素的該噴墨深度相異於該第二像素的該噴墨深度。
- 如申請專利範圍第1項所述的彩色立體列印方法,其中各該些像素具有一顏色,且該顏色由噴墨達成。
- 一種立體列印設備,包括:一儲存裝置;以及一處理器,耦接該儲存裝置且經配置以:獲取該彩色圖案的一彩色圖像,該彩色圖像包括多個像素;依據各該些像素的顏色特徵決定各該些像素的噴墨深度,其中構成各該些像素的噴墨位於對應的同一噴墨深度;對該立體物件的一立體模型進行切層處理而產生多個切層物件的切層資訊;依據各該些像素的噴墨深度獲取該些切層物件所對應的多個噴墨圖檔;以及於依據該切層資訊利用一列印材料列印該些切層物件時,依據該些噴墨圖檔對該些噴墨圖檔所對應的該些切層物件進行上色。
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