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3D プリンタと VRJVRSJ Vol.20 No.1 March, 201545

特集 ■ 3D プリンタと VR

3D プリンタによる質感・現象の立体表現

藤木淳

科学技術振興機構 / 東京藝術大学

Fujiki Jun

1．はじめにい写真イメージの伝達を可能とし，生産コストを抑え

現在，著者は様々なアプローチで現実の質感・現象つつも表現の幅を広げている．3D プリンタにおいてを対象とした立体表現研究を進めている．単一素材でも，単一素材で様々な質感や現象を表現可能とするこ

様々な質感・現象を鑑賞者に想起させることができれとで，身近で豊かな立体情報提示環境に繋がると考えば，表現の幅が広がり立体を用いた豊かなコミュニられる．もし将来的に低価格で高性能なマルチマテリケーションが展開されることを期待している．

アル造形可能な 3D プリンタが登場したとしても，単3D プリンタの登場により，手作業もしくは他の機一素材で様々な質感や現象を創出するプロセス，言い械では膨大な時間を要す立体表現が短時間で造形可能換えれば，「そうでないもの（本来の構成要素とは異となった．もちろん，3D プリンタでも難しい表現はなる要素）」で「そうである（特定の材質や状態にあある．3D プリンタの造形法や材料にもよるが，例える）」ように人間の頭の中に「現実」を作り出すプロ

ば，繊細な構造を持つ立体物は，サポート材（中空にセスを探ることは，人間の認知特性を探ることとして位置する部材を造形するための支えとなる部材）を，も意味がある．

造形完了後に除去する際に，最終的に得られる造形物

本稿では，著者の 3D プリンタによる質感・現象表が破損したり変形したり，このサポート材が細部に詰

現の初期試みからこれまでに至るまでを俯瞰して紹介まったりすることがある．しかし，そのような欠点をする．単発で完成した表現のみを紹介するのではな

差し引いても，立体の内部の造形を 1 回の施行で出力く，その過程を見せることで，3D プリンタを使ったできることは他の造形機械ではできなかったことであ立体表現のノウハウを共有したいと考えた．

り，3D プリンタによって立体表現の幅が広がったことは間違いない．

2．表現における条件

著者は，現在，3D プリンタを主な造形ツールとし立体表現を行うにあたり研究開始時から意識していて，単一の素材からプログラムにより，モデルの内部た項目として，重力と視線方向への考慮がある．重力構造や表面色を組み替えて立体物を出力することで，への考慮とは，当然ながら現状の 3D プリンタの材料

様々な質感や現象を鑑賞者に想起させる立体表現の研のみでは立体物を宙に浮かせることはできず，全体が究を行っている．ここでは，「質感」とは透明や反射接続している形状であっても部分の重みで変形したりといった材質特性，「現象」とは柔らかさや動きといっ破損したりすることに対する対策である．視線方向へた，時間軸を伴う変化・変形している状態と定義しての考慮とは，見る方向で質感が異なって見えるのは好いる．

ましくなく，また，反射のような材質特性において，近年はネット化に押されつつも重要な情報メディア

視線方向に依存して立体物の表面色が変化することはとしての役目を担っている新聞は，黒一色で，文字情重要となる．

報のみならず，ディザと呼ばれる点の密度変化によるこれらの考慮を踏まえ，まず，透明や濃淡といった濃淡表現で，白黒という単一素材ながらも視認性の高質感を対象に表現を模索した．

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

3D プリンタと VR

図 1 透明 （口絵にカラー版掲載）

3．記号的アプローチ

図 2 グリッド（口絵にカラー版掲載）

Wikipedia によると透明は「その先にあるものが透けて見えること．極端な場合には，そのものが存在しないかのように感じられること．」としている [1]．
本研究ではモデルの質感を鑑賞者に伝えることが目的であるので，立体の存在感は残しながら，先にあるものが透けて見えるようにする必要がある．そこで，対象を最小限の構成要素で構成することで最低限の存在感は残しつつ，透けているような効果が生まれないかと考えた．
ここでは，図 1 のように，全体が一つに接続されたワイヤーフレーム形状にモデルを変形することでこれを透明とした．現実には立体物に輪郭は存在しない．

図 3 ディザ

つまり，構成要素を輪郭で提示することは，漫画における記号表現に近いアプローチと言えるだろう．このアプローチは，視点や距離に依存せず一定の質感を表現しやすい反面，世代や文化によってはこちらの期待する質感とは異なる質感に捉えられ，特定の質感を表していることに対する学習を要す場合があるかもしれない．あらゆる鑑賞者に等しく対象の質感を認識できるようにすべく，次に知覚的な表現を試みた．
4．知覚的アプローチ「濃淡」の質感表現である．濃淡はモデルの部分毎に濃度が変化しているようである．まずはじめに，モデ

図 4 クリスタル彫刻（口絵にカラー版掲載）

ルをグリッド単位で区切り，場所毎にグリッドの厚みを変えることで濃淡とならないかを試みた（図 2）．
ところが，想定はしていたが，視線方向で濃淡の見え特性を考慮した手法である．新聞内のイメージもこのが大きく異なった．一度 2 次元に立ち返った．

ディザにより白黒の 2 値で濃淡を表現している．ディ2 次元イメージにおいて，2 値で濃淡を表現する手ザを立体的に拡張し，クリスタル彫刻内に微小の球形法にディザがある（図 3）．ディザは点の分布密度に状を点在させ見え方を確認したところ，立体においてよって濃度が変化しているように見える人間の知覚も点の分散具合で視線方向に依存しない濃淡が表現で

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図 5 濃淡 （口絵にカラー版掲載）

図6 金属 （口絵にカラー版掲載）

きることがわかった（図 4）．しかし，3D プリンタでることを確認した．ただし，現状では解像度が乏しいは宙に浮く点群は造形できない．そこで，点群を母点ため色変化は弱く，本来の反射のようにダイナミックとしてボロノイ分割を行い，ボロノイの境界線を線形な色変化は作り出せないため，ここでは，金属の光沢状として立体化することでも同様に立体的な濃淡を表のような質感を作りだし，鏡面反射のような質感とし現できることを確認した（図 5）．

た（図 6）．色変化の質の向上は今後の課題である．

次に「反射」の質感表現を試みた．反射において視一方で CG においても環境マップと呼ばれるテクス線方向に依存した立体物の表面色の変化は重要であ

チャ画像から視線方向とモデルの法線方向に位置対応

る．視線方向に応じて立体物の表面色が変化するようした色を着色する簡易表現で反射を表現できるような構造が，特殊なデバイス等を用いることなく物質のに，厳密にモデルの表面に周囲環境が写り込まなくとみで作れないか思案した．ここでもやはり一度，2 次も，視線方向に応じてモデル表面が変化するような構元平面に立ち返った．2 次元平面において，各視線方造を持たせることで反射の質感を想起させられるかも

向の色情報を短冊状単位で敷き詰め，その上にレンしれない．これらを考慮した反射表現は現在考案中でティキュラ [2] と呼ばれるかまぼこ状のレンズシートある．

をかぶせることで，解像度を犠牲にする代わりに視線方向に応じてイメージが変化して見える表現手法があ5．認知的アプローチ

る．レンティキュラの立体版であるレンズアレイを立反射についての別のアプローチを考えた．以前，体物の表面上に作りだし，これの立体化を試みるのもNTT コミュニケーション科学基礎研に客員研究員と効果は期待できそうである．実際，レンズアレイとデして滞在していた際，円柱状の 3D モデルに貼られたバイス装置を用いた立体ディスプレイの研究開発 [3]テクスチャマップが視線と同じ向きに回転移動するとも存在する．しかし，3D プリンタの材料の現状を踏き，テクスチャマップが表面に着色された色だと鑑賞

まえても，不透明の単一素材で同様な効果を作りだし者は認識し，逆方向に回転するときは反射しているよたかった．

うに認識する，という研究 [5] を見たことがある．こ

平面立体視の手法にパララックスバリア [4] がある．のように，視線方向に応じて逆方向に色変化が生じて左目用と右目用のイメージを交互に結合したイメージいるように鑑賞者に感じさせる構造を作れば反射を認の前にスリットを置くことで，鑑賞者の左右の眼にそ知させることができると考えた．

れぞれ眼に対応するイメージが見え，それにより立体一方，ホロウマスク錯視と呼ばれる，凹面の顔が通を知覚させる表現手法である．スリッドの概念を用

常の凸面の顔として認識される錯視 [6] がある．このい，遮蔽により視線方向によって見える色を制限させ錯視を応用した，凹んだ構造に凸でいるような画像をることで，鑑賞者にモデルの表面色が変化しているよ描写することで，視線に応じて動いて見えるようなだうに見せることができないかと考えた．視線方向を考まし絵表現 [7] がある．この人間の認知特性を質感に慮して彫られた溝先に着色が施された単位ユニットで用いて，凹んだ部分に膨らんで見えるような着色を施モデルを構成することで，ある程度の色変化が起こせすことで，鑑賞者に凸と凹を錯覚させ，視線方向に応47

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

図 7 反射( 口絵にカラー版掲載）

3D プリンタと VR

図 10 動きの伝達（口絵にカラー版掲載）

7．動きの伝達
静的な立体物に少ない外部エネルギーを与え，複雑な動きを提示することができないかと考えた．電子デバイス等を駆使した動きの表現はエネルギー消費量が多いが，少ないエネルギーで同様の動きの伝達ができれば運用コストの低減に繋がる．また，現実の動きの物理的な模倣ではなく，鑑賞者に動きを想起させる認
知的なアプローチは，動きに対する人間の認知の解明に繋がる．アニメーションとはもともと「生命を与える」という意味があるが，命のないものに実際に命を与えるのではなく，命を持っているように鑑賞者に認図8 リング構造( 口絵にカラー版掲載）識させる，ということにおいて，本研究は本来のアニ

図9 バネ構造（口絵にカラー版掲載）メーションの延長上にあると言えるだろう．
鑑賞者に動きを想起させる様々な立体構造を模索しじて色が変化しているように見えることで反射していた．ここでは，その一つの，先の反射表現で用いた技法るような質感が生まれないかと考えた．具体的には，を応用したものを紹介する．溝を用いた反射表現は，溝モデルを構成する球形状の一部分が窪んでいて，窪ん底が見える方向を制限することで，視線方向に応じて異だ部分に周囲と逆の陰影を着色した（図 7）．

なる像が提示される．回転方向順にアニメーションのフレームイメージを適用しこれを回転させることで，連続

6．触覚的アプローチ

したイメージを鑑賞者に提示しアニメーション効果を作

3D プリンタによる立体造形は，視覚以外の感覚要り出すものである（図 10）．上下視線方向により，異素のデザインも可能とする．例えば，触感である．

なるアニメーションを提示させることも可能である．

ここでは，モデルの表面と内部をリング構造（図 8）

初期アニメーション用装置にゾートロープ [9]，動やバネ構造（図 9）で構成することで，単一素材でもく絵本としてスリットアニメーション [10] がある．前

柔らかさが変更可能となったことを確認した．場所

者は残像現象，後者は補間作用を活用したものである

毎にリングやバネの大きさや太さを変えることで，が，本手法はこれら両者の効果を引き出す立体的な構部分で柔らかさを変えることができる．ユーザに柔造となっている．なお，その他の動きの伝達表現の試

らかさを伝える手段としては，近年登場している食みは，著者の HP[11] で鑑賞できる．

べられる立体物を造形するフード 3D プリンタ [8] を用いて，飲食者に応じて異なる触感を提供する応用

8．おわりにが考えられる．

将来的に，回路やセンサ，アクチュエータ等もいっ

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3D プリンタと VRJVRSJ Vol.20 No.1 March, 2015

しょに造形できるような 3D プリンタが登場するかも参考文献しれない．それによって実現時間が短くなることは大［1］wikipedia「透明」：

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http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%80%8F%E6%98%8E

きな利点である．そこに人間の特性を加えて時間軸を［2］レンティキュラ方式の原理：持った立体物をデザインすることで，これまでなかった立体表現が生まれるかもしれない．今回の動きの伝

http://panda.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/oyl/3D/lenti.html

達表現では静止した立体に少しのエネルギーを与えて［3］吉田俊介，Roberto Lopez-Gulliver, 矢野澄男，井時間軸を持つ立体へと拡張した．同様に，時間軸を持ノ上直己，インタラクション 2009，情報処理学会，

つ立体物にそれ以外の要素を与えることで，新しい概IPSJ Symposium Series Vol.2009, No.4, pp.1-8, 学術念を創出するのではないかと考えている．

総合センター，2009.3.5-6.
［4］パララックスバリア方式の原理：

現在，著者は様々なアプローチで現実の質感・現象を対象とした立体表現研究を進めている．単一素材でhttp://panda.ecs.cst.nihon-u.ac.jp/oyl/3D/parab.html

様々な質感・現象を鑑賞者に想起させることができれ［5］竹井成和，藤崎和香、西田眞也 （2009 年 1 月）

ば，表現の幅が広がり立体を用いた豊かなコミュニ「回転三次元シリンダーを用いた知覚的曖昧性のケーションが展開されることを期待している．一方

知覚潜時に与える影響の検討」視覚学会冬季大会

で，著者は，現実にある質感・現象のみならず，「新( 東京 )［6］ホロウマスク錯視：

しい質感・現象」，「現実には有り得ない質感・現象」

http://www.kecl.ntt.co.jp/IllusionForum/v/hollowMask/ja/の表現を行うことを予定している．それは，単なる［7］YouTube「首振りドラゴン」：アート表現としてではなく，それにより，人間の感覚を拡張させる可能性があると考えている．将来，4 次

https://www.youtube.com/watch?v=ax4yS9JIeJQ

元以上を自然に知覚可能とするような立体物が生まれ［8］砂糖菓子を出力できる 3D プリンタ「ChefJet」：る可能性があるかもしれない．時間軸を 1 次元と考え

http://the-sugar-lab.com/

れば，ある意味，それはすでに始まっていると言える［9］wikipedia「ゾートロープ」：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9E%E8%BB%A2

かもしれない．
3D プリンタにより表現の幅が広まった今，考案し%E3%81%AE%E3%81%9E%E3%81%8D%E7%B5%B5た個々の表現の有用性の検証に時間を要すことより［10］Slit Animation.com「スリットアニメーション」：

も，まず表現の可能性を探求することが先決ではない

http://slitanimation.com/%E3%82%B9%E3%83%AAだろうか．最終的に表現を利用するのはユーザであ%E3%83%83%E3%83%88%E3%82%A2%E3%83%

り，結局ユーザによって必要な表現であるのであれば8B%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%8

残る．それがどうして必要とされたのか，検証はその3%A7%E3%83%B3%E3%81%A8%E3%81%AF/［11］著者 HP：

後でも間に合うのではないだろうか．

http://jun-fujiki.com/monumations/

プログラミングを介した 3D プリンタによる造形は，実体のない自分の捉え方を実空間内に万遍なく物質に還元する機会を提供してくれる．それによって出力さ【略歴】

れた立体物は，同一実空間で自身の考えと他者の考え藤木 淳 (FUJIKI Jun)を照らし合わせる機会であると共に，客観的に自分自2007 年九州大学大学院芸術工学府芸術工学専攻博士課

身と向き合うインタフェースであるとも考えている．

程後期修了．2008 年日本学術振興会特別研究員 (PD)，

そのような意味で，3D プリンタによる造形はそれ自NTT コミュニケーション科学基礎研究所客員研究員，体が人間の認知活動の検証を含んでいると言ってもいソニーコンピュータサイエンス研究所訪問研究員，いのではないだろうか．

2011 年国際メディア研究財団研究員を経て，現在，科

本研究は科学技術振興機構さきがけの研究助成によ

学技術振興機構さきがけ専任研究者，東京藝術大学 Ｊる委託研究である．本稿執筆にあたり多くの助言等をＳＴ研究員，武蔵野美術大学非常勤講師．博士（芸術頂いた東京藝術大学芸術情報センター助教の松井茂氏

工学）．に感謝いたします．

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