利用三维物体打印的深度来形成随着观察角度和照明角度而改变的颜色的制作方法

本公开大致涉及三维物体打印，并且具体地涉及利用基于观察和照明角度和方向而变化的颜色打印三维物体。

背景技术：

各种技术已被用于形成具有虹彩表面的物体，即看上去随着表面的观察角度或照明角度的改变而变化颜色的表面。在一个示例中，布置在表面上的衍射光栅用于反射或透射入射光的不同部分。不同的光部分被视为随着入射角的改变而变化的图像的视野。在另一个示例中，多个图像在表面上被分成相互交织的条带，并且利用双面凸透镜覆盖。透镜与交织的图像对准，使得来自每个单独图像的光沿同一相应的方向被发出。该结构向观察者展示了在不同观察角度上的不同的图像。在另一个示例中，表面的区域被压花以具有沿相应方向的周期变化。区域利用与周期性变化匹配的变化着色，以使得观察角度的改变能够隐藏、淡化或加亮颜色中的一个或多个。

在比如为上述示例的物体上形成虹彩表面的已知技术大致包括仅在单个观察轴线上改变颜色的区域。例如，图像可以随着观察者的目光的左右移动而变化，但当目光上下移动或远近移动或当目光旋转时不发生改变。在另一个示例中，比如为珠母般颜料的虹彩颜料基于视角而改变颜色，但以与观察方向无关的相同方式改变。另外，虹彩表面一般需要构造表面，例如衍射光栅、双面凸透镜或压花脊，或在可获得什么颜色改变方面受到限制。这些构造表面增加了形成虹彩表面的费用和复杂性，并且产生易受破坏的表面，这种破坏能够与表面的预定着色相干扰。另外，这些结构形成在具有沿着一个以上轴线改变颜色的非平面或不规则形状的三维打印物体上是不切实际或不可能的。

数字三维物体制造，又被称为数字辅助制造，其为由数字模型制造实际任何形状的三维实体物体的过程。三维物体打印是连续材料层以不同形状形成在基材上的辅助过程。可以通过喷射粘合材料、定向能量沉积、挤压材料、喷射材料、熔融粉末层、层压片材或将液体光聚合物材料暴露于固化辐射形成层。层形成其上的基材支承在可以通过操作地连接至平台的致动器的操作而三维地运动的平台上，或者材料沉积装置操作地连接至一个或更多个致动器，用于控制沉积装置的运动以产生形成物体的层。三维物体打印区别于传统物体成形技术，传统成形技术大多数依靠通过减材处理比如切割或钻削从工件去除材料。

还已经研发出用于为三维打印物体的表面着色的技术，包括在物体已被打印之后施加着色，以及由具有不同颜色的不同材料打印物体。然而，三维打印尚未被用于形成虹彩物体。因此，制造具有当以不同角度和方向观察以及利用来自不同角度的光照亮时发生改变的颜色的表面的三维物体的增材制造工艺将是有益的。

技术实现要素：

为了便于具有虹彩的物体特别是具有不规则形状和表面的虹彩三维物体的三维打印，根据本公开的三维物体包括一起限定三维打印物体的表面区域的多个不同的材料区域。多个不同的区域包括具有第一颜色的第一材料区域和具有不同于第一颜色的第二颜色的第二材料区域。不同的材料区域从不同方向来看彼此重叠不同的量，以使来自多个不同材料区域的不同比例的光对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域的照明观察三维打印物体的表面区域的观察者来说是可见的。多个不同的材料区域的布置还能够基于对观察者可见的来自多个不同的材料区域的光的比例改变三维打印物体的表面区域的着色。

根据本公开的示例性系统构造成修改用于打印三维物体的三维数据，使得三维物体具有包括从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域观察表面区域的观察者来说可见的不同的颜色布置的表面区域。系统包括存储器、输入装置、处理器和输出装置。用于操作打印机以打印三维物体的三维数据存储在存储器中。输入装置构造成接收对应于用于三维物体的表面区域的至少两个不同的颜色布置的数据以及对应于指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者的数据。处理器配置有存储在存储器中的程序指令，这些程序指令使得处理器能够修改三维数据，以便操作三维物体打印机而使三维物体形成有对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域的照明观察表面区域的观察者可见的不同的颜色布置。处理器由此构造成根据对应于三维物体的表面区域的几何形状的三维数据的一部分、通过输入装置接收的对应于用于表面区域的至少两个不同的颜色布置的数据以及通过输入装置接收的对应于指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者的数据生成用于三维物体的表面区域的颜色变化映射图。该处理器产生三维物体的模型，该模型包括对应于一起限定模型的模型表面区域的以及从不同的方向来看重叠不同的量多个不同的材料区域的数据，以便能够识别来自对从不同的观察角度、不同的观察方向以及以不同的角度照亮模型表面区域的照明观察模型表面区域的观察者来说可见的不同的材料区域的不同比例的光。该处理器根据对应于指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者的数据仿真观察模型表面区域的观察者的视角，并且根据所仿真的观察者的视角识别来自对于从指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者观察的观察者可见的不同的材料区域的不同比例的光。处理器根据所识别的来自对观察者可见的每个材料区域的光的比例产生模型表面区域的颜色变化映射图，并且将所产生模型表面区域的颜色变化映射图与所产生的用于三维物体的表面区域的颜色变化映射图相比较，以便测量所产生的模型表面区域的颜色变化映射图与所产生的三维物体的表面区域的颜色变化映射图之间的色调和色位中的至少一者的相似度。处理器响应于在指定的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者上测量相似度小于预定阈值产生三维物体的模型，并且继续对观察模型表面区域的观察者进行仿真、对光的比例进行识别、生成模型表面区域的颜色变化映射图、对比模型表面区域的所生产的颜色变化映射图与用于三维物体的表面区域的所产生的颜色变化映射图以及根据测量的相似度生成三维物体的模型，直到所产生的用于三维物体的表面区域的颜色变化映射图与所产生的模型表面区域的颜色变化映射图之间的测量的相似度在指定的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者上大于预定阈值。一旦测量的相似度大于预定阈值，处理器根据所产生的在指定观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者上具有大于预定阈值的测量相似度的三维物体的模型修改用于打印三维物体的三维数据，并且将修改的三维数据传输至三维物体打印机，以使打印机能够生产具有表面区域的三维物体，所述表面区域具有对从指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者观察表面区域的观察者来说可见的至少两个不同的颜色布置。

根据本公开的用于操作三维物体打印机以打印虹彩三维物体的示例性方法包括利用控制器操作三维打印机的多个喷射器，以形成一起限定三维打印物体的表面区域的多个不同的材料区域。操作喷射器以形成多个不同的材料区域包括操作第一子组多个喷射器，第一子组多个喷射器喷射具有第一颜色的材料液滴以形成第一颜色的第一材料区域，以及操作第二子组多个喷射器，第二子组多个喷射器喷射具有不同于第一颜色的第二颜色的材料液滴以形成第二颜色的第二材料区域。多个不同的材料区域从不同方向来看彼此重叠不同的量，以使来自多个不同材料区域的不同比例的光对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域的照明观察三维打印物体的表面区域的观察者来说可见的。多个不同的材料区域的布置还能够基于对观察者可见的第一材料区域和第二材料区域的光的比例改变三维打印物体的表面区域的着色。

附图说明

在以下结合附图的描述中说明了本公开的上述方面和其他特征。

图1-5是根据本公开的三维打印物体的不同的示例性实施例的侧视截面图，三维打印物体具有随着不同的观察角度、观察方向和照明角度而变化的显色的表面。

图6是根据本公开的具有显色的材料区域的布置的几个不同的示例性实施例的俯视图，上述显色基于沿着至少两个不同轴线的观察角度、观察方向和照明角度而变化。

图7a-8是根据本公开的三维打印物体的进一步不同的示例性实施例的侧视截面图，三维打印物体具有随着不同的观察角度、观察方向和照明角度而变化的显色的表面。

图9a是根据本公开的不规则三维打印物体的示例性实施例的侧视截面图，不规则三维打印物体具有表面，该表面具有随着不同的观察角度、观察方向和照明角度而改变的显色。

图9b是根据本公开的在三维打印物体的表面以不同的观察角度、观察方向和照明角度可见的不同图像的示意图。

图9c是图9b的三维打印物体的截面细节图。

图10a是根据本公开的用于制造具有表面区域的三维物体的方法的示例性实施例的流程图，该表面区域具有从不同的观察方向、不同的观察角度以及利用以不同角度照亮表面区域的照明观察表面区域的观察者来说可见的不同颜色布置。

图10b是构造成执行图10a的方法的系统的示例性实施例的示意图。

图11是根据本公开的用于打印三维物体的三维物体打印机的示例性实施例的示意图。

具体实施方式

为了概括地理解本实施例，对附图做出参考。在附图中，相同的附图标记在全文中用于表示相同的元件。

图1示出根据本公开的三维物体100的示例性实施例的侧视截面图。物体100包括第一材料区域104、第二材料区域106、第三材料区域108、第四材料区域110和第五材料区域112。材料区域104-112共同地称为多个材料区域102。第五材料区域包封材料区域102的其余部分，材料区域102组装成各种布置116、122和124。每个布置116、122和124包括具有不同颜色的至少两个不同的材料区域，如以下更加详细地说明的。布置116、122和124通过第五材料区域的部分彼此间隔开。

第五材料区域112限定物体100的表面区域114，并且至少局部透明，使得各种布置116、122和124通过表面区域114的表面115至少局部可见。从不同方向来看剩余材料区域102彼此重叠不同的量，以使来自多个不同材料区域102的不同比例的光对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域的照明观察三维打印物体100的表面区域114的观察者来说是可见的。在该实施例中，第一材料区域104是品红色，第二材料区域106是青色，第三材料区域108是黄色，第四材料区域110是黑色，但也可以预期其他着色和着色组合。

在布置116中的每一个中，第一材料区域104和第二材料区域106位于与表面115不同的距离处，第一材料区域104比第二材料区域106更靠近表面115。由于该结构，第一材料区域104和第二材料区域106的不同部分对于以不同观察角度观察表面区域114的观察者来说是可见的。

在本公开中，不同的观察者被描述为观察不同的物体的表面区域。读者应该理解附图并非按比例绘制。具体地，在图1中，多个材料区域102定尺寸和布置成使得各个布置116、122和124的侧面的至少一部分对于以斜角观察表面区域114的观察者来说是可见的。此外，除非另有说明，不同的观察者在照射物体的表面区域的大致散射光下观察物体。

图1中的第一观察者118相对于表面区域114以大致垂直角即大约90度观察表面区域114。从第一观察者118的视角来看，布置116中的第二材料区域106的至少一部分被第一材料区域104阻挡了视野。因此，从第一观察者118的视角看，物体100的表面区域114的显色大致为品红色。

相比而言，第二观察者120以斜角，即除90度和0度以外的角度，观察表面区域114。从第二观察者120的视角看，第二材料区域106的至少一部分在布置116中的第一材料区域104以下是可见的。由于第二材料区域106是青色，从第二观察者120的视角的表面区域114的显色是来自第一材料区域104的品红色与来自第二材料区域106的青色的混合色。品红色和青色以可见的第二材料区域106的部分相对于在布置116中可见的第一材料区域104的部分的比例混合。因此，对于使第二材料区域106的仅小部分可见的几乎垂直角而言，表面区域的显色是大致品红色，但当观察角度变得更加倾斜时，第二材料区域106的更大部分对于第二观察者120变得可见，并且布置116的表面115的显色向着蓝色、青色和品红色的混合色改变。

为了形成表面区域114的具有一致着色特性的更大部分，多个布置116彼此紧挨着重复。从观察者118和120的视角看，重复的布置混和在一起并且呈现单个着色区域的外观。这样，可以与单独的材料区域的尺寸无关地形成相似着色的大区域。

在布置122中，第三材料区域108关于表面115位于第一材料区域104以下。从第一观察者118的视角看，第三材料区域108被第一材料区域104遮挡视线，因此布置122处的物体的表面区域114的显色看起来类似于布置116处的表面区域114的大致品红色。然而，当观察角度变得更加倾斜时，来自第三材料区域108的更大比例的光变得可见。因此，从第二观察者120的视角看，表面区域114的显色由于来自第一材料区域104的品红色与来自第三材料区域108的黄色混合而向着红色转变。

在布置124中，第二材料区域106关于表面115位于第四材料区域110以下。从第一观察者118的视角看，表面区域114由于来自第四材料区域110的黑色而在布置124处具有黑色着色部分，并且从第二观察者120的视角看，表面区域由来自第四材料区域110的黑色与来自第二材料区域106的青色的混合色而具有变深的青色着色部分。在该实施例中，第五材料区域112包封其余材料区域，使得第五材料区域112的至少一部分布置在剩余材料区域102与表面区域114之间。第五材料区域112的该部分可被配置成保护剩余材料区域免受破坏、磨损、擦伤等的保护涂层。

改变包括在物体100内的布置中的材料区域，如同布置116、122和124一样，能够以不同的观察角度形成表面区域114的不同着色。由于图1是侧视截面图，读者应该理解材料区域102的布置的分布可以扩展成三维。因此，材料区域102的布置可被用于在表面115上形成以不同的观察角度可见的不同图像。

另外，尽管图1中的材料区域102的间距、尺寸和定位示出为大致规则，但是材料区域的尺寸、形状和间距可以改变。材料区域的形状和尺寸与其中材料区域可见的角度范围相关，区域之间的间距和相对尺寸由于以不同的角度可观察的重叠材料区域的部分而涉及材料区域之间的色彩混合。因此，调节材料区域的形状、尺寸和间距能够改变物体100的表面区域114的颜色变化特性。

材料区域102的尺寸还可以与观察者的期望察距离相关。在一个实施例中，材料区域102定尺寸成使得以预定距离观察物体100的表面区域114的观察者将多个材料区域102感知为表面上115上形成不间断着色。单独的材料区域可以以厘米、毫米、数十微米或更小的数量级定尺寸。

图2示出根据本公开的三维物体200的另一个示例性实施例。物体200包括具有第一材料区域204、第二材料区域206、第四材料区域210和第五材料区域212的布置201。布置201彼此隔开并且由限定物体200的表面区域214的第四材料区域208包封。材料区域204-212共同地称为多个区域202。在该实施例中，第一材料区域204是品红色，第二材料区域206是青色，但也可预期其他颜色组合。第三材料区域208至少局部透明，第四材料区域210为白色，第五材料区域212是黑色。

第二材料区域206和第一材料区域204位于距表面区域214的表面215不同的距离处，第一材料区域204更靠近表面215。透明的第三材料区域208的至少一部分关于表面215布置在第一材料区域204与第二材料区域206之间。该结构相对于在图1所示实施例中的以不同角度可见的来自第二材料区域106的光比例，能够实现从不同的观察角度可见的来自第二材料区域206的光更大比例。

在一些实施例中，材料区域202中的一个或多个可以不完全不透明。半透明的程度可以引起期望从视野中遮挡的材料区域的颜色的不希望的泄漏，这可能影响物体的表面区域214的显色。在该实施例中，白色的第四材料区域210用作缓冲或散射材料以防止泄漏。第四材料区域210相对于表面215布置在第一材料区域204与第二材料区域206之间。否则将被透射的彩色光替代地在第四材料区域210内散射，以防止来自第二材料区域206的青色光通过第一材料区域204透射。

在一些实施例中，第三材料区域208可以不完全透明，因此穿过该区域的光在一定程度上散射。散射可能使得彩色光在表面区域214上从不希望的观察角度可见。例如，从青色的第二材料区域206反射或透射的一定量的光可以在第三材料区域208内散播。即使第二材料区域206从第一观察者216的视角被第一材料区域204遮挡观察，而来自第二材料区域206的散射的青色光的一部分可以以第一观察者216可见的方式射出表面区域214。

在图2的实施例中，第五材料区域212用作散射防护物，散射防护物阻止在第三材料区域208内散射的光在散射防护物的区域中可见。在该实施例中，第五材料区域212是黑色，但在其他实施例中其他颜色的其他材料区域也可用作散射防护物。否则将通过在第一材料区域204的附近的第三材料区域208散射的光替代地被散射防护物吸收或阻挡。这样，表面区域的着色从第一观察者216的视角看未被来自遮挡材料区域的散射光所扭曲。在另一个实施例中(未示出)，散射防护物材料区域布置成至少部分地包围第二材料区域206。

如图2所示，第四材料区域210和第五材料区域212比第一材料区域204和第二材料区域206更薄。由第二观察者218看来，厚度的这种区别分别减小了来自第四材料区域210和第五材料区域212的白色和黑色对于表面区域214的显色的贡献。

图3示出根据本公开的三维物体300的另外的示例性实施例。物体300包括与如上关于图2所述的多个区域相似的第一组多个材料区域202。该物体还包括多个材料区域302，多个材料区域302限定另一个表面区域314和布置在第一材料区域202与第二材料区域302之间的基体330。在该实施例中，基体330为白色并且用作缓冲区域以阻止第一材料区域202与第二材料区域302之间的泄漏。该缓冲区域使得三维物体300的表面区域214和314能够具有不彼此干扰的不同着色特性。尽管基体330在该实施例中是白色的，但是也可预期其他颜色和颜色组合的基体。另外，尽管在图3中示出的基体330为大致平面构件，但是也可预期其他结构。例如，基体330可以具有不规则表面区域并且可以具有任何三维形状。

图4a示出根据本公开的三维物体40的另一个实施例。物体400包括布置414，每个布置414包含第一材料区域406和第二材料区域408。物体400还包括布置在布置414与基体410之间的透明材料区域412，基体410支承布置414和透明材料区域412。材料区域406、408和412共同地称为多个材料区域402。与图1-3中示出的实施例不同，表面区域404的表面405不仅仅通过透明材料区域412限定。替代地，表面405由第一材料区域406和第二材料区域408连同透明材料区域412一起限定。

在该实施例中，第一材料区域406是黄色，第二材料区域是青色，但在其他实施例中也可预期其他颜色组合。在每个布置414中，第一材料区域406与第二材料区域408沿大致平行于表面405的方向重叠。如以下所述，该结构实现了表面区域404的从不同的观察方向看的不同的显色。

从沿第一观察方向419观察表面区域404的第一观察者418的视角来看，由于第二材料区域408的至少一部分由第一材料区域406阻挡观察，因此能够看得见比第二材料区域408更大比例的来自第一材料区域406的光。换句话说，虽然仅第二材料区域408的面向表面405的顶部表面区域对于第一观察者418可见，但是第一材料区域406的面向表面405的顶部部分和通过透明材料区域412可见的侧面部分是可见的。因此，从第一观察者418的视角看，表面区域404的显色是大致黄色。从沿第二观察方向421观察表面区域404的第二观察者420的视角看，与第一材料区域406相比的来自第二材料区域408的更大比例的光是可见的。然而，从第二观察者420的视角来看，表面区域404的显色为基本青色。另外，当观察者的观察角度从任一观察方向接近90度时，表面区域404的显色向绿色转变，这是由于来自第一材料区域406和第二材料区域408的大致相等比例的光可见，使得青色和黄色光混合在一起。如果第一材料区域406和第二材料区域408至少部分透明，则来自彩色材料区域之一的彩色光可以渗透至另一个区域。另外，如果透明材料区域412不足够地透明，则来自第一材料区域406和第二材料区域408的彩色光可以至少部分地散射并且从不希望的观察角度可见。

图4b示出类似于图4a中示出的物体400的三维物体428的另一个示例性实施例，但三维物体428另外包括缓冲区域430和散射防护区432。缓冲区域430在每个布置414中布置在第一材料区域406与第二材料区域408之间，并且被构造成阻止来自一个着色材料区域的光泄漏至另一个区域。在该实施例中，缓冲区域430是白色，但还可预期其他颜色的缓冲区域。另外，在该实施例中，缓冲区域430与第一材料区域406和第二材料区域408相比更窄。更窄的缓冲区域430能够限制缓冲区域430的颜色对物体428的表面区域404的着色的影响。

散射防护区432布置在第一材料区域406和第二材料区域408的布置414之间的透明材料区域412内，并且被构造成限制在透明材料区域412内发生的散射量。在该实施例中，散射防护区432是白色以便与基体410具有相同颜色。使散射防护区432与基体410具有相同颜色能够限制散射防护区432的颜色对物体428的表面区域404的着色的影响。还可预期其他颜色和着色的散射防护区。在该实施例中，散射防护区432具有低于第一材料区域406和第二材料区域408的高度的高度。使散射防护区432具有比物体中的着色区域更低的高度使得散射防护区能够限制在透明材料412中发生的散射，而不会显著阻挡从以斜角观察表面区域404的观察者的视角看的着色区域的侧面的可见性。

图5示出三维物体500的另一个示例性实施例，该三维物体500包括类似于图4a和图4b中的布置414的布置514。每个布置514还包括沿平行于表面区域501的方向重叠的第一材料区域406和第二材料区域408。然而，每个布置514还包括白色的第三材料区域502。第三材料区域502的第一部分504布置在第一材料区域406与第二材料区域408之间并且用作防止泄漏的缓冲物。第三材料区域502的第二部分506布置在第一材料区域406和第二材料区域408的面向表面区域501的表面503的侧面上。第三材料区域502的第二部分506与透明材料区域412一起限定表面区域501。

在该结构中，白色的第三材料区域502从视野上不遮挡第一材料区域406和第二材料区域408的面向透明材料区域412的部分。因此，对于第一观察者418而言，来自第三材料区域502的主要白色和来自第一材料区域406的黄色是可见的，对于第二观察者420而言，来自第三材料区域502的主要白色和来自第二材料区域408的青色是可见的。此外，由于第三材料区域502的第二部分506，当观察角度向第三观察者508的90度视角运动时，表面区域501的显色向白色变动。在其他实施例中(未示出)，第三材料区域502可以具有不同的颜色或颜色组合。在另一个实施例中(未示出)，物体500还包括布置在透明材料区域412内的类似于图4b中示出的散射防护区432的散射防护区。读者还应该理解的是，虽然图4a、图4b和图5示出了三维物体400和500的二维截面，但是材料区域的布置可以扩展到第三维。

图6示出不仅从左侧观察方向和右侧观察方向而且从前部观察方向和后部观察方向或更多方向具有不同的显色的材料区域的几个示例性布置的俯视图。如图6所示，不同地着色的材料区域可以布置成规则和不规则形状并且布置有不同数目的着色材料区域以实现不同的着色特性。图6的示例包括在其面上具有不同颜色的锥体604、分成具有不同颜色的扇区的正圆柱体608以及由不同着色段组成的不规则三维形状612。由于表面区域的显色因为图6中示出的布置而对于众多不同的观察方向是不同的，因此这些布置使得表面区域可以具有随着物体的旋转而改变的着色。当物体旋转时，布置的不同侧面以不同比例暴露于观察者，并且因此物体的对于观察者的显色发生改变。

在以上实施例中，不同的观察者被描述为在例如与观察方向或观察角度无关的均匀的大致散射光下观察三维物体的表面区域。然而，具有三维物体的表面区域的变化显色的相似效果可以通过静止观察者以及变化的聚焦光源来获得，即，以不同角度照亮表面区域的照明。换句话说，如果上述观察者利用聚焦照明源替换，则从三维物体反射或透射的光的至少相当大部分与由来自照明源的光照亮的材料区域的比例对应。这种照明在不考虑观察者的位置或定向的情况下引起三维物体的表面区域的显色。

在另一个示例中，相似的着色变化效果可以利用非聚焦照明实现。例如，太阳以整个日间过程中变化的定向提供基本散射光。根据本公开的三维打印物体可被构造成显示基于太阳的定向而改变的着色。换句话说，给定观察物体的观察者的固定视角，观察者、物体和照明源之间的相对运动可被用于引起根据本公开的着色变化。

在一些实施例中，根据本公开的三维物体可以包括内部照明。这种照明可以来源于例如布置在物体内的光源、来源于荧光或来源于传输到物体内的光，比如背光。表面区域的经由聚焦的内部照明的显色的变化可以以与外部聚焦照明相似的方式操作。在示例中，内部照明在大致沿第一观察方向定向的三维物体内产生。从三维物体发射的光的相当大部分沿着第一观察方向发射，并且从沿着与第一观察方向相反的第二观察方向可见的材料区域的部分发射。因此，表面区域的显色可以通过改变内部照明的方向而改变。

在物体的照明为至少基本外部的实施例中，用于多个不同地着色的材料区域的颜色有利地包括青色、品红色、黄色、黑色、白色、反光以及至少局部透明。相反地，在物体的照明为至少基本内部的实施例中，用于多个不同地着色的材料区域的颜色有利地包括红色、绿色、蓝色、黑色、白色、反光以及至少局部透明。换句话说，对于材料的颜色选择遵循对于不同形式的照明增加或减少着色的原理。

图7a示出根据本公开的三维物体700的又一个实施例。物体700包括布置718，每个布置718具有第一材料区域706、第二材料区域708、第三材料区域710、第五材料区域714和第六材料区域716。物体700还包括支承第一材料区域706和第二材料区域708的基体718以及支承第三材料区域710、第五材料区域714和第六材料区域716的第四材料区域712。第四材料区域712另外包封材料区域706、708、710、714和716，并且限定物体700的具有表面705的表面区域704。材料区域706-716共同地称为多个材料区域702。布置718组合在以上其他实施例中讨论的各个布置的原理。还预期其他组合。这种组合能够实现具有在观察和照明角度以及观察方向上包括变化着色的表面区域的三维物体。

在图7a的实施例中，第一材料区域706是黄色，第二材料区域708是青色，第三材料区域710是品红色，第四材料区域712为至少局部透明，第五材料区域714是白色，第六材料区域716是黑色，基体718是白色。在其他实施例中，还可预期其他颜色和颜色组合。在布置718中，第一材料区域706和第二材料区域708布置在基体718上，其中第二材料区域708沿大致平行于表面705的方向与第一材料区域706重叠。第三材料区域710沿朝向表面705的方向与第一材料区域706和第二材料区域708间隔开。第四材料区域712的至少一部分布置在第三材料区域710与第一材料区域706和第二材料区域708之间。第五材料区域714布置在第三材料区域710的背对表面705并且面向第一材料区域706和第二材料区域708的侧面上。第六材料区域716布置在第五材料区域714的背对第三材料区域710并且面向第一材料区域706和第二材料区域708的侧面上。基体718还构造成用作缓冲区域以防止例如在物体700的表面区域704与表面区域720之间的泄漏。第五材料区域714也配置为缓冲区域以防止第三材料区域710与第一材料区域706和第二材料区域708之间的泄漏。第六材料区域716配置为散射防护区。

从以大致90度角观察表面区域的第一观察者722的视角来看，材料区域的可见的仅一部分是第三材料区域710的品红色和来自基体718的白色。因此，表面区域704具有淡品红色的显色。从以斜角和以面向右侧的观察方向观察表面区域的第二观察者724的视角来看，来自第三材料区域710的品红色、来自第二材料区域708的青色以及来自基体718的白色是可见的，表面区域具有大致浅蓝的显色。当角度变得更加倾斜时，来自第二材料区域708的更多青色变得可见，表面区域704看上去更绿。此外，在高度斜角处，来自第一材料区域706的一部分的黄色可以变得可见，因此表面区域704看上去为深蓝色。从以斜角和以面向左侧的观察方向观察表面区域的第三观察者726的视角来看，来自第三材料区域710的品红色、来自第一材料区域706的黄色以及来自基体718的白色是可见的，因此表面区域具有大致浅红色的显色。当角度变得更加倾斜来自第一材料区域706的更多黄色变得可见时，表面区域704看上去更红。此外，在高度斜角处，来自第二材料区域708的一部分的青色可以可以变得可见，表面区域704看上去为深红色。

图7b示出除散射防护区716已经利用可替代散射防护区732替换之外与图7中的物体700相似的三维物体730的进一步的示例性实施例。与图7a中的散射防护区716相同，可替代散射防护区732布置在第五材料区域714的背对第三材料区域710并且朝向第一材料区域706和第二材料区域708的侧面上。可替代散射防护区732另外朝向第一材料区域706和第二材料区域708延伸并且特别地与第一材料区域706和第二材料区域708接触。在该实施例中，可替代散射防护区732由大致t状形状限定，但在其他实施例中也可预期其他形状。可替代散射防护区732构造成可见地分离第一材料区域706和第二材料区域708，使得观察表面区域704的观察者不具有第一材料区域706和第二材料区域708两者的视野。确保第一材料区域706和第二材料区域708中的仅一个对于观察者每次可见可以减少不同材料区域的不同颜色的混和。在该实施例中，可替代散射防护区432是灰色，但也可预期其他着色和着色组合。利用用于可替代散射防护区的灰色材料可以限制从可替代散射防护区432可见的视角看的表面区域704的着色的加深效果。

图8示出根据本公开的三维物体800的另一个示例性实施例。物体800与图7a中示出的物体700相似，但第三材料区域710以及第一材料区域706和第二材料区域708在布置818中的位置已经相对于其在图7的布置718中的位置调换。因此，第一观察者802观察表面区域804为青色和黄色的混合色，即绿色。沿面向右侧的方向观察的第二观察者806视表面区域为青色和品红色的混合色，即蓝色。沿面向左侧的方向观察的第三观察者808将表面区域视为黄色和品红色的混合色，即红色。

在另外的实施例(未示出)中，物体800另外可以包括位于第一材料区域706与第二材料区域708之间的类似于图4b中的缓冲区域430的缓冲区域，并且还可以包括位于布置818之间的类似于图4b中的散射防护区432的散射防护区。在另外的实施例中，对以上各个实施例中描述的不同布置和结构进行组合、修改或再取向以便形成用于三维打印物体的不同着色特性。基于不同地着色的材料区域的上述布置，表面区域可以形成为看起来对于各种观察角度、观察方向和照明角度具有不同的着色。

虽然图1-8中示出的物体看起来具有大致规则形状，但是也可预期不规则的三维物体。图9a示出根据本公开的结合上述实施例的各个特征的不规则三维物体900的示例性实施例的横截面图。读者应该理解物体900也可以在第三维中以不规则方式延伸。这样，可以形成具有复杂着色特性的表面区域。

图9b是示出不同的图像902和904如何用于形成根据本公开的三维打印物体910的示例性实施例的示意图，该示例性实施例具有基于观察物体910的视角在不同图像902和904之间变化的着色。图9c示出物体910的细节区域906的侧视截面图。读者应该理解在图9b和图9c中对物体910的描绘是象征性的，并且不是根据本公开的三维打印物体的表面着色的精确表示。除未按比例绘制之外，图9b和9c是二维图像，因此是象征根据本公开打印的物体的三维观察特性的二维附图。

如图9c所示，物体910由包括第一子组材料区域914和第二子组材料区域916的多个不同地着色的材料区域912形成。第一子组材料区域914对应于第一图像902。换句话说，如果第一子组材料区域914被隔离地观察，则材料区域将具有形成第一图像902的着色。类似地，如果以隔离方式观察将具有形成第二图像904的着色，则第二子组材料区域916对应于第二图像904。

多个材料区域912布置成使得当从第一观察角度观察物体910时，例如从大致直角观察物体910时，第一子组材料区域914以及由此的第一图像902是主要可见的。多个材料区域912还布置成使得当从第二观察角度观察物体910时，例如从大致斜角观察物体910时，第二子组材料区域916并且因此第二图像904是主要可见的。在该实施例中，多个材料区域912的布置包括白色的基层918、布置在基层918上的第一子组材料914和第二子组材料916的交织布置920、布置在布置920的顶部上的透明材料区域922以及通过透明材料区域922与布置920间隔开的非透明区域924。在该实施例中，非透明材料区域924是黑色的，但是在其他实施例在也可预期其他着色和着色组合。黑色材料区域924布置成以便沿垂直方向至少部分地覆盖第二子组材料区域916。因此，对于从大致垂直方向观察物体910的观察者来说，黑色材料区域924至少部分地使第二子组材料区域916从视野中变模糊，同时能够获得第一子组材料区域914的至少一部分的可见性以使第一图像902基本可见。相反地，对于从倾斜方向观察物体910的观察者来说，黑色材料区域922上第一子组材料区域914的至少一部分模糊，并且能够实现第二子组材料区域916的至少一部分的可见性以使第二图像904基本可见。

尽管图像902和904示出为不同的图像，例如分别为笑脸和心脏，但是在其他实施例中，第二图像904可以是第一图像902的变型。例如，第一图像902可以是笑脸，第二图像904可以是皱眉的脸。在其他例子中，第二图像904可以说明以不同位置或视角来自第一图像902的物体，其具有不同的颜色、亮度、强度或具有额外的光幻觉。本文中所使用的“光幻觉”指的是当被人类观察者感知时看起来包括物理上不一致或实际存在于可视图像中的特征的可视图像。

另外，虽然利用如上所述的多个材料区域912的布置形成了物体910的着色特性，但是结合本公开中说明的技术的其他布置可被用于形成其他实施例中的相似着色特性。此外，虽然物体910采用两个不同的图像902和904，但是根据本公开的三维打印物体可以采用从任意数量的观察角度、观察方向和照明方向可见的任何数量的图像。

能够实现三维物体的表面区域上的不同着色的不同地着色的材料区域的布置可能是复杂的。当三维物体的表面区域具有不规则形状时以及当着色具有高水平细节或颜色变化时上述复杂性可被加重。因此，用于将三维物体修改成具有形成具有所需虹彩着色特性的表面区域的多个不同地着色的材料区域的技术将是有益的。如本文中所使用的，“修改”指的是至少部分地改变或替换，以便展现不同的结构或特性，特别是关于不同材料区域在三维物体内的布置。

图10b示出构造成执行图10a所示出的方法1000的系统1050的示例性实施例，以便通过修改用于打印三维物体的三维数据产生虹彩三维物体，以使三维物体包括具有对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及通过以不同的角度照亮表面区域的照明观察表面区域的观察者来说可见的不同颜色布置的表面区域。如图10b所示，系统1050包括通过系统总线1060互连的存储器1052、输入装置1054、处理器1056和输出装置1058。

用于操作三维打印机的三维数据存储在存储器1052上。例如，三维数据可以包括描述待打印物体的三维几何形状的数据、打印层数据、物体材料数据或使三维打印机能够打印三维物体的其他数据。

输入装置1054被构造成接收对应于用于三维物体的表面区域的至少两个不同颜色布置的数据以及对应于指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度和照射角度中的至少一者的数据。在另一个实施例中，输入装置1054还构造成接收三维数据以及将三维数据存储在存储器1052中。输入装置还可被构造成接收其他信息，比如与例如用于测量不同的颜色布置的着色和所形成的修改的三维物体之间的相似度的预定阈值相关的用户指令。

处理器1056配置有存储在存储器1052中的程序指令，这些程序指令使得处理器1056能够修改三维数据，以使三维物体形成有对于从不同的观察方向、不同的观察角度以及以不同角度照亮表面区域的照明观察表面区域的观察者可见的不同的颜色布置。处理器1056由此构造成执行图10a中示出的以下动作，输出装置1058被构造成向三维物体打印机输出修改的三维数据。

产生用于三维物体的表面区域的颜色变化映射图(块1004)。如本文中所使用的，“生成”指的是利用输入信息经由算法、预定指令或经由数学处理产生。颜色变化映射图描述了表面区域从各个观察方向、观察角度和照明角度的表面区域的着色，并且根据三维数据的对应于三维物体的表面区域的几何形状的部分、通过输入装置接收的对应于用于表面区域的至少两个不同的颜色布置的数据、由输入装置接收的对应于指定给每个不同的颜色布置的观察方向、观察角度以及照明角度中的至少一个的数据进行确定。表面区域的几何形状描述了物体的表面区域的三维形状。例如，几何形状可以限定立方体、球体或任何其他规则或不规则三维形状的表面区域。颜色布置指的是表面区域的从用于所产生映射图的所指定的观察角度、观察方向或照射角度可见的特定着色。例如，用于物体的颜色布置可以包括具有来自左侧的绿色背景的蓝色文本和具有来自右侧的红色背景的黄色文本。用于颜色布置的其他示例包括图像、光幻觉、立体图像、在不同的观察点处具有不同部件图像的动画或任何其他可接受类型的着色。每个颜色布置被指定特定观察方向、观察角度和照射角度。几何形状、颜色布置、观察角度、观察方向和照射角度一起描述用于物体的表面区域的所需着色特性。

处理1000继续根据映射图生成物体的模型(块1008)。如本文中所使用的，“模型”指的是可被用于检查元件的特性的三维元件的仿真或示意表示。模型包括对应于一起限定模型的模型表面区域的多个不同的材料区域的数据。多个不同的材料区域从不同方向来看重叠不同的量，使得来自不同的材料区域的不同比例的光对于从不同的观察角度、不同的观察方向以及以不同的角度照亮模型表面区域的照明观察模型表面区域的观察者来说是可见的。模型表面区域大致对应于三维物体的表面区域。换句话说，虽然模型内的多个材料区域的内部几何形状与三维物体的几何形状不同，但是限定模型的形状的模型的外部几何形状与三维物体的形状大致对应。模型内的多个材料区域可以随机地布置，或者可以根据颜色布置中的至少一个布置。

仿真从对于指定给各个颜色布置的每个指定观察角度、观察方向和照射角度的观察者来看的模型的表面区域的视角(块1012)。如本文中所使用的，“仿真”指的是为了预测系统的特性或性能，执行特别是模型的表面区域的系统的表示。

基于该仿真，识别来自对于观察者来说以每个指定观察方向、观察角度和照射角度可见的多个材料区域中的每一个的光的比例(块1016)。如本文中所使用的，“识别”指的是经由根据特征或特性提供数值结果的算法、预定指令或数学处理确定具有某个特性或特征。由于来自在表面区域的部分处可见的不同地着色的材料区域的不同比例的光限定表面区域的该部分的显色，因此来自材料区域的仿真比例的可见光则可被用于形成用于模型的表面区域的颜色变化映射图(块1020)。

模型的表面区域的颜色变化映射图与所需三维物体的表面区域的颜色变化映射图相比，以测量所产生的模型的颜色映射图与所产生的三维物体的颜色映射图之间的色度(colorhue)和色位(colorlocation)中至少一者的相似度(块1024)。如果其匹配，即，如果测量的相似度大于指定观察方向、观察角度和照射角度中至少一者处的预定阈值，则模型已经获得能够实现所需着色特性的材料区域的布置(块1028)。所测量的相似度的阈值能够描述例如预定百分比的模型表面区域，当沿指定观察角度、观察方向和照射角度中的每一者观察时，预定百分比的模型表面区域具有对应于表面区域的所需着色的着色。阈值也可以描述在模型表面区域和所需物体的表面区域上可见的颜色之间的预定色度相似度。如果模型表面区域的颜色变化映射图不匹配所需三维物体的表面区域的颜色变化映射图，即位于相似度的预定阈值以外，则重复视野的模型和仿真中的材料区域的布置(块1008–1020)，直到表面区域的映射图和模型的映射图充分地匹配为止(块1024)。在示例中，需要物体从垂直于表面区域的视角呈现蓝色并且从表面区域的左侧的视角为绿色。初始模型形成为从左侧以及从仿真视野中的垂直视野两者看起来是蓝色。材料区域在模型中的布置然后可被调整，直到在相似度(度)的预定阈值内获得所需外观为止。

读者应该理解，不同的材料具有在不同的观察角度、观察方向和照射角度处限制材料的着色特性的不同的光学性质。例如，材料的透明度、散射性、吸收作用或其他特性的量可以在一定的观察角度、观察方向和照射角度上限制对于材料的着色范围。另外，这些特性可以影响当彼此邻近定位时不同的材料如何相互作用。这种相互作用可能加重实现模型的表面区域的颜色变化映射图与所需三维物体的颜色变化映射图的相似度在阈值内的困难。在一个实施例中，调整所需的三维物体的颜色映射图以便限制于预定选择的颜色。在另一个实施例中，对于相似度的阈值响应于对所需颜色映射图位于通过可用于打印的材料能够实现的着色范围之外的判定而增大。在另外的实施例中，用于所需物体的颜色映射图被调整为在即使所产生的着色颜色不相匹配时优先考虑在不同的视角上的着色变化。例如，所需物体包括在两个不同的视角上从粉红色变成绿色的着色。给定可用材料，从橙色向绿色的变化可能不在两个指定视角上。所需物体的颜色变化模型改变成从红色到绿色而非橙色到绿色的颜色变化，使得即使在精确的颜色变化不同时，发生所需数值的着色变化。在又一个实施例中，所需物体的颜色变化映射图被调整以优先考虑特定着色特性，比如在特定观察角度或观察方向上的变化。在一个实施例中，所需物体的颜色变化映射图的着色特性中的颜色被调整为通过可获得材料实现的颜色范围内的最接近匹配颜色。

在模型的颜色变化映射图的迭代的示例中，初始模型可能包括类似于图1中的布置116的布置。在交互作用中，布置116可以利用比如为图4中的布置414的不同的布置替换。利用迭代的调节还可以包括调节材料区域的颜色、调节材料区域的尺寸、调节相邻材料区域之间的间距、基体区域、缓冲区域或散射防护区的形状的调节、或者任何其他可接受的调节。模型的视野然后可被重新仿真以确定是否获得所需着色特性。一旦模型准确地描述了材料区域的能够获得所需着色特性的布置，则模型被用于修改用于打印三维物体的三维数据(块1026)。所修改的三维数据则被传输到三维物体打印机(块1028)，利用修改的数据打印物体以便具有包括由不同的颜色布置以指定观察角度、观察方向和照射角度限定的着色特性的表面区域(块1030)。

在一个实施例中，系统1050与三维物体打印机的控制器集成。在另一个实施例中，系统1050与三维物体打印机分离，并且可被构造成经由例如电子信号、经由磁盘、驱动器或其他便携式计算机可读存储器、经由通信至用户的指令等与打印机通信，电子信号比如为经由网络或信号线传输的信号。另外，虽然图10a示出单个处理器1056，但是读者应该理解的是系统1050可以实施为具有一个以上的处理器和相关电路和部件，处理器和相关电路和部件中的每一个构造成形成本文中说明的一个或更多个任务或功能。

图11示出根据本公开的用于打印三维物体1102的三维物体打印机1100的示例性实施例。打印机1100包括第一组多个喷射器1104、第二组多个喷射器1106和控制器1108。第一组多个喷射器1104可操作为喷射具有第一颜色的材料液滴，第二组多个喷射器可操作为喷射具有不同于第一颜色的第二颜色的材料液滴。控制器1108被构造成(i)使第一组多个喷射器1104和第二组多个喷射器1106运动，以及(ii)使物体1102相对于彼此运动。控制器1108还被构造成操作第一组多个喷射器1104和第二组多个喷射器1106以喷射材料并且分别形成第一材料区域1110和第二材料区域1112，以便形成物体1102。为了清晰起见未详细包括打印机1100的其他部件和方面。物体1102和打印机1100未按比例绘制，图11中未示出本领域技术人员已知的比如为三维物体打印机的支承结构、致动器以及其他部件的附加元件。

在一个实施例中，控制器1108操作第一组多个喷射器1104和第二组多个喷射器1106以喷射材料液滴，从而形成在一起逐渐地建造以形成三维物体的层。换句话说，第一组多个喷射器1104和第二组多个喷射器1106中的每一个在开始形成随后的层之前形成当前层中的任意第一材料区域1110和1112。这样，喷射连续的材料层以逐层形成三维物体。

在另一个实施例中，控制器1108操作第一组多个喷射器1104以完全地形成第一材料区域1110，以及然后第二组多个喷射器1106被操作以形成第二材料区域1112。换句话说，物体1102逐个区域形成，而非逐层形成，在此每个单独的区域逐层形成。