分享 詳解CHITUBOX抗鋸齒、灰度級別及圖像模糊組合功能
在新版的CHITUBOX Free 1.6.5版本中，上線了灰度級別及圖像模糊功能，有一部分具有探索精神的用戶，已經開始實測這部分功能，並且分享在Facebook中（https://www.facebook.com/groups/104983723495672/）。
但是大部分的用戶對於這兩個功能，還是一頭霧水，我們將把這部分內容分為下面幾個板塊來講解。
DLP/ MSLA(LCD) 3D印表機最小成像精度/圖元尺寸
DLP使用數位投影儀在整個平臺上一次性地投影每一層的單個圖像。由於每一層的圖像都是數字顯示，因此它是由許多正方體素組成的。
MSLA(LCD)和DLP幾乎一樣，但是MSLA(LCD)是LED光源而不是投影儀光源。螢幕充當掩膜，只顯示當前層所需的圖元。
因為DLP/ MSLA(LCD)系統XY軸解析度是固定的，這裡就有一個公式可以用來計算：
寬度/X軸=長度/Y軸=圖元精度
以ELEGOO SATURN為例，它在X軸方向的成型寬度就是192mm。把192mm（X軸）分成3840解析度（寬）的圖元）份，就是0.05mm（50µm）。Y軸也是同樣的，把120 mm分成2400解析度（長）的圖元。也就是說這台機器在XY方向的最小成像精度是50微米。
因為成型平臺的移動方式，Z軸解析度與XY軸完全不同，需要分開來看。Z軸解析度（垂直解析度）是在層面列印時的最小層厚，直接影響模型的表明光潔度。一般來說，層厚越小，表明光潔度越高。
層厚0.05mm（左）、層厚0.1mm（中）、層厚0.2mm（右）
可以在CHITUBOX中，切片設置——列印——層厚參數中，設置層厚，但是最小層厚受機器硬體限制，一般在規格裡有說明機器的最小Z軸成像精度。市面上，常見的DLP/ MSLA(LCD)最小層厚為0.05mm（50µm）。ELEGOO SATURN的規格表中的最小Z軸成像精度為0.00125 mm（1.25µm）。
那麼如果按上述的最小成像精度來計算，ELEGOO SATURN可以生成的最小正方體素就是50µm*50µm*1.25µm（X*Y*Z）。
DLP/ MSLA(LCD) 3D印表機的成像
瞭解了光固化3D印表機可以生成的最小正方體素，那麼現在就來說明DLP/ MSLA(LCD) 3D印表機是如何成像的。首先，我們需要知道的是，LCD螢幕在XY方向上，被分成了50µm*50µm的一個個小方塊體素。
光源在LCD螢幕上生成圖像，這個一個個正方體素如果是白色的，那麼這個位置的光源就會固化液體樹脂，形成一個固體正方體素。如果這個正方體素是黑色的，那麼這個位置就沒有光源透過，樹脂不進行固化反應。
現在，我們有4個50µm*50µm*50µm的正方體素組成一個模型，在它旁邊間隔一定位置，有一個相同的由4個50µm*50µm*50µm的正方體素組成的模型。
他們相隔的距離可以是50µm，100µm，或者200µm，甚至更多。但是它們相隔的距離必須是50µm的倍數，比如我們就無法使他們間隔175µm，這是為什麼呢？因為如果我們的成像是由純白或者純黑的圖元組成的，在LCD螢幕被劃分好的固定最小方格裡，要不就曝光，要不就不曝光，沒有辦法一半曝光一半不曝光。
那麼如果是介於白和黑之前的灰呢，是否可以實現一半曝光一半不曝光？那麼曝光的一半是那一半呢？左半邊，右半邊，前半邊，後半邊，上半邊，還是下半邊呢？
Ember團隊分享過一個研究：一個體素是怎樣生成的。他們把圖元排成了一排，從深灰（接近純黑）到純白，然後用這個光源強度固化樹脂。
研究表明，圖元灰度低於一定值，也不會發生固化反應，但是從深灰上到到某個臨界亮度，就開始有半圓形的氣泡開始在上一層生成，隨著亮度增加，氣泡越來越大，隨後高度開始增加的很緩慢，橫向發展迅速。這說明，體素的大小是可以通過每個圖元的亮度控制的。
在實際中，一個灰色圖元或半體素會向鄰近的體素合併。因此，如果從左到右是2個白色體素+1個灰色圖元（半體素）+1個黑色體素，就會靠著左邊2個體素，生成個半體素。通過控制圖元的亮度，同樣可以生成1/4或者1/8甚至各種尺寸的體素。
那麼這個研究是否真的能運用在實際的列印中？我們再看下面這個實驗。在兩條分割線之間，從左到右等距地擺放5個由10*10個最小正方體素組成的方塊，即500µm*500µm（0.5mm*0.5mm）。從左到右，每個方塊的最上方一排圖元，光源從純白到純黑遞減，最下麵加一排圖元，光源從純黑到純白遞增。
從下圖的列印結果可以看到，每個方塊的最上方一排圖元從左到右，因光源變暗，分別缺失的距離約為0µm，12.5µm，25µm，37.5µm，50µm。說明，完全可以通過控制光源強度，打破最小成像精度的限制，實現更精准的尺寸控制。
如何用灰度值補償圖元紋
假設現在要列印一個如上圖所示灰色區域的倒字母T（最小正方體素是50µm*50µm*25µm（X*Y*Z）），因為橫豎都是由可以均分的最小正方體素組成，那麼理論上列印出來將不存在階狀紋。
但是如果在倒字母T的右側，加上了一列黃色區域顯示的3.6°斜坡，那麼在黑白曝光的影響下，就會出現如圖所示，明顯的階狀紋。
黑白光源
灰度光源
通過控制斜坡的灰度值，使得每一層比上一層窄1.5µm，就可以遞減出一個較為平整斜面。
如果將角度改為75°，這個對比將更加明顯。因為每隔7-8層25µm的層面，在X方向就會有一個50µm的臺階。但如果用灰度值補償，這個斜坡就會相對平滑。
灰度級別及圖像模糊功能實測
首先，我們來看些球體側面在顯微鏡下的實際表現，即CHITUBOX預覽效果中如下圖的位置。
如上圖所示，從表面水波紋的嚴重狀況來看，無抗鋸齒 > 抗鋸齒+灰度等級8 > 抗鋸齒+灰度等級4 > 抗鋸齒+灰度等級0（>表示嚴重性）。即抗鋸齒+灰度等級0表面品質最好。
接著，開啟圖像模糊後，從表面水波紋的嚴重狀況來看，抗鋸齒+灰度等級4 > 抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間2s。即抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2表面品質更好。 同時在開啟圖像模糊後表面出現一些水準方向的橫紋，為確定是否是曝光時間對其產生的影響，我們把2s的曝光時間提升為3s後，水準方向的橫紋消失。但從表面水波紋的嚴重狀況來看，開啟圖像模糊後，曝光時間2s和3s區別不大。
下面，我們在對比下帶有斜坡的T形模型側邊在顯微鏡下的實際表現，即CHITUBOX預覽效果中如下圖的位置。
從鋸齒的嚴重狀況來看，無抗鋸齒 > 抗鋸齒+灰度等級8 > 抗鋸齒+灰度等級0 > 抗鋸齒+灰度等級4（>表示嚴重性）。即抗鋸齒+灰度等級4表面品質最好。
接著，開啟圖像模糊後，曝光時間2s的斜坡的T形同樣出現不明橫紋，曝光時間提升為3s後，橫紋消失。從鋸齒的嚴重狀況來看，抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間3s > 抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間2s > 抗鋸齒+灰度等級4。即抗鋸齒+灰度等級4表面品質最好。
最後，我們在對比下三角錐模型側邊在顯微鏡下的實際表現，即CHITUBOX預覽效果中如下圖的位置。
從鋸齒的嚴重狀況來看，無抗鋸齒 > 抗鋸齒+灰度等級8 >抗鋸齒+灰度等級4 >抗鋸齒+灰度等級0。（>表示嚴重性）即抗鋸齒+灰度等級0表面品質最好。
接著，開啟圖像模糊後，曝光時間2s的三角錐同樣出現不明橫紋，曝光時間提升為3s後，橫紋消失。從鋸齒的嚴重狀況來看，抗鋸齒+灰度等級4 > 抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間2s > 抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間3s。即抗鋸齒+灰度等級4+圖像模糊2+曝光時間3s表面品質最好。
本次測試結果適用於測試所用褐紅色剛性樹脂，此外，後處理同樣可能影響到真實的表面情況。在實際應用中，需要根據機器特別是光源的實際情況，以及樹脂材料的特性來進行設置，組合搭配使用抗鋸齒、灰度級別以及圖像模糊，不同的實際情況，最佳參數也會不同。
抗鋸齒、灰度級別及圖像模糊理論分析
在對比實物測試後，我們進一步來對切片檔進行分析。為了方便說明，我們以一個0.3*0.3*0.3mm的圓柱為例，從直徑計算，這個圓柱被分為6份50µm（0.05mm）。設置層厚為0.025mm，那麼層面總數即為12層。
雖然12層圖像都應該是相同的圓形，但由於DLP/ MSLA(LCD)只能生成方塊的體素原理限制，因此，在實際列印中，每一層的圖像其實是略有變化的，為了控制變數，我們統一取第6層的圖像就行對比。
無抗鋸齒
2級抗鋸齒
4級抗鋸齒
8級抗鋸齒
首先對比無抗鋸齒、2級抗鋸齒、4級抗鋸齒、以及8級抗鋸齒在切片預覽下的區別（開啟抗鋸齒會同步開啟灰度級別，這裡灰度級別統一設置為0）。從圖元分佈來看，無抗鋸齒在Y軸最長有6個圖元點，而其他抗鋸齒皆為8個圖元點。從圖元密度來看，無抗鋸齒僅有28個圖元點，而其他抗鋸齒皆為36個圖元點。從灰度值看（不計算黑白），無抗鋸齒無灰度值，2級抗鋸齒有1個灰度值（127），4級抗鋸齒有2個灰度值（127、191），而8級抗鋸齒也是2個灰度值（127、223）。
這裡補充一個知識點：
灰度級別就是灰度值，是亮度的概念，0~為黑色，255~白色，依據顏色深淺範圍為0~255。（一定介於0-255之間）。CHITUBOX將這個顏色深淺範圍分為從0-8九個等級，0位元黑色，8為白色，1-7為中間的灰色。
抗鋸齒+灰度等級0
抗鋸齒+灰度等級4
抗鋸齒+灰度等級8
再來對比抗鋸齒+灰度等級0、抗鋸齒+灰度等級4、以及抗鋸齒+灰度等級8在切片預覽下的區別。從圖元分佈來看，三者Y軸最長圖元分佈均有8個圖元點。從圖元密度來看，灰度等級0有36個圖元點，而灰度等級4/8均有40個圖元點。從灰度值看（不計算黑白），灰度等級0有6個灰度值（124、126、128、220、222、224），灰度等級4有6個灰度值（126、128、188、190、236、238），灰度等級8無灰度值。
此外，還要注意灰度等級問題，灰度等級為8時，所有圖元點均為灰度值255的純白（這裡演算法的灰度值是254）。可以看出，開啟灰度等級後，影響的不僅是Y軸圖元分佈、圖元密度以及灰度值，還有圖元亮度。當在選擇灰度等級時，在選擇較高等級時需謹慎。
圖像模糊類似PS裡面的羽化功能（令選區內外銜接部分虛化，起到漸變的作用從而達到自然銜接的效果）。簡單來理解就是，用手或者橡皮擦去輕輕的擦拭鉛筆線條，會導致線條變模糊並且進行渲染，圖像模糊就是進行類似的操作，級別越高，模糊程度越高。
抗鋸齒+灰度等級4+圖片模糊等級2
抗鋸齒+灰度等級4+圖片模糊等級4
最後對比抗鋸齒+灰度等級4+圖片模糊等級2（以下簡化為“圖片模糊等級2”），以及抗鋸齒+灰度等級4+圖片模糊等級4以下簡化為“圖片模糊等級4”）在切片預覽下的區別。從圖元分佈來看，圖片模糊等級2在Y軸最長圖元分佈有9個圖元點，而圖片模糊等級4多達11個圖元點。從圖元密度來看，圖片模糊等級2有54個圖元點，而圖片模糊等級4有93個圖元點。從灰度值看（不計算黑白），圖片模糊等級2有11個灰度值（126、142、170、186、190、198、202、234、238、246、250），圖片模糊等級4有20個灰度值（130、138、140、142、148、150、152、156、158、160、162、176、180、184、188、206、208、216、234、244）。
要注意的是，當圖片模糊等級較高時，灰度同時開始向內渲染，導致中心區域原本純白的圖元點也開始變灰，很可能會導致中心光源不足，出現固化問題。當在選擇圖片模糊等級時，在選擇較高等級時需謹慎。
CHITUBOX演算法中，進行計算的依次優先順序是，圖像模糊——灰度級別——抗鋸齒。圖像模糊控制的是羽化的程度（即邊緣過渡圖元個數），灰度級別控制圖元亮度，抗鋸齒控制的過渡的灰度值數量，三者組合使用，來補償圖元紋。
參考文獻：
https://www.youtube.com/watch?v=5qTAmPrHLow
https://www.instructables.com/id/Ember-Printer-How-a-Voxel-Grows/