3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）

第1章 3D打印與“全球第四次工業(yè)革命” 1

1.1 3D 打印 ：體驗(yàn)造物奇跡 1

1.2 全球第四次工業(yè)革命的導(dǎo)火索 11

1.2.1 從“第一次工業(yè)革命”到“第四次工業(yè)革命” 11

1.2.2 3D 打印的顯著優(yōu)勢 12

1.2.3 3D 打印的應(yīng)用現(xiàn)狀 14

1.3 對 3D 打印的質(zhì)疑 16

1.3.1 來自傳統(tǒng)制造業(yè)大佬的質(zhì)疑 ：不看好 3D 打印 16

1.3.2 關(guān)于“3D 打印技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性”釋疑 17

1.3.3 關(guān)于“3D 打印技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性”釋疑 17

1.3.4 關(guān)于“3D 打印產(chǎn)業(yè)的成長性”釋疑 19

1.4 3D 智能數(shù)字化與 3D 打印 ：用“虛擬”再造“現(xiàn)實(shí)” 20

1.4.1 3D 智能數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 21

1.4.2 智能數(shù)字化掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 22

1.4.3 智能云網(wǎng) ：云端智能服務(wù)和云制造 23

1.4.4 3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 24

1.5 創(chuàng)客 DIY ：新工業(yè)革命的啟蒙運(yùn)動(dòng) 26

1.5.1 以小博大 ：創(chuàng)客挑戰(zhàn)巨頭公司 27

1.5.2 聚沙成塔 ：改變工業(yè)社會的組成結(jié)構(gòu) 28

1.6 “中國制造”向“中國智造”轉(zhuǎn)變的機(jī)遇 29

1.6.1 “中國制造”須轉(zhuǎn)型升級 29

1.6.2 來自“德國制造”的啟示 30

1.6.3 “中國智造”的發(fā)展機(jī)遇 31

第2章 3D打印機(jī)的原理與種類 37

2.1 3D 打印時(shí)間簡史──源自 1860 年 37

2.2 3D 打印機(jī)的工作原理和家族 41

2.2.1 3D 打印機(jī)的工作原理與流程 41

2.2.2 FDM ：熔融沉積成型（FFF ：熔絲制造） 42

2.2.3 3DP ：三維打印黏結(jié)成型（噴墨沉積） 44

2.2.4 SLS ：選擇性激光燒結(jié) 46

2.2.5 SLA ：光固化立體成型（立體光刻） 48

2.2.6 PolyJet ：多頭噴射技術(shù)（Material Jetting ：材料噴射） 50

2.2.7 DLP ：數(shù)字光處理 51

2.2.8 LOM ：分層實(shí)體制造 53

2.3 塑料還是石膏？ 3D 打印機(jī)的各種耗材 55

2.3.1 ABS ：應(yīng)用最廣泛的工程塑料 56

2.3.2 EP（彈性塑料） 57

2.3.3 PA（尼龍） 57

2.3.4 PC（聚碳酸酯） 58

2.3.5 PEEK（聚醚醚酮） 58

2.3.6 PPSF（聚纖維酯） 59

2.3.7 PLA ：綠色環(huán)保的生物塑料 59

2.3.8 PETG（共聚酯） 60

2.3.9 PCL（聚己內(nèi)酯） 61

2.3.10 光敏樹脂 ：精細(xì)成型的液態(tài)材料 62

2.3.11 金屬材料 ：不銹鋼、鈦合金、鎂鋁合金、金銀 62

2.3.12 更多 3D 打印材料 ：石膏、蠟、陶瓷、木質(zhì) 65

2.4 金屬 3D 打印技術(shù)大盤點(diǎn) 72

2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技術(shù) 72

2.4.2 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF ：激光近凈成型 76

2.4.3 EBM ：電子束熔煉 78

2.4.4 EBDM ：電子束直接制造 80

2.4.5 金屬 3D 打印技術(shù)小結(jié) 80

2.5 兩大陣營 ：工業(yè)級打印機(jī)與桌面級打印機(jī) 81

2.5.1 工業(yè)級打印機(jī) ：兩個(gè)巨頭的主戰(zhàn)場 82

2.5.2 桌面級打印機(jī) ：創(chuàng)客們的多樣世界 87

2.6 3D 打印與傳統(tǒng)手辦模型制作 92

2.7 3D 打印機(jī)購買指南 93

第3章 剖析3D打印機(jī)：輪子是怎樣發(fā)明的 98

3.1 RepRap ：開源 3D 打印機(jī)的鼻祖和奠基石 98

3.2 MakerBot 與 Ultimaker ：桌面雙雄 99

3.3 Ultimaker 組裝實(shí)戰(zhàn) 101

3.3.1 Ultimaker 新到貨開箱照 102

3.3.2 搭建框架 102

3.3.3 X/Y/Z 軸電機(jī) 105

3.3.4 X/Y 軸承 107

3.3.5 擠出頭 109

3.3.6 Z 軸載物平臺 112

3.3.7 送料機(jī) 116

3.3.8 Ultimaker 的大腦 ：電路板 117

3.3.9 大功告成 ：一臺完整的打印機(jī) 121

3.3.10 Gcode 與前臺軟件 Cura 使用指南 123

3.3.11 Ultimaker 打印成果實(shí)例 128

3.4 MakerBot Replicator 2 與 MakerWare 打印實(shí)戰(zhàn) 129

3.4.1 MakerWare 進(jìn)行切片和打印 129

3.4.2 ReplicatorG 控制前臺的設(shè)置 ：雙噴頭打印雙色模型 135

3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果實(shí)例 137

3.5 3D 打印疑問與故障排解小貼士 138

3.5.1 模型的水密性（Watertight） 138

3.5.2 模型必須為流形（Manifold） 139

3.5.3 切片（Slice）與橫切面 140

3.5.4 層厚度（Layer Thickness） 140

3.5.5 支撐材料（Support Material） 140

3.5.6 如何開始打印 141

3.5.7 如何調(diào)平打印平臺（粗調(diào)和精調(diào)） 141

3.5.8 如何更換耗材（上料、退料） 142

3.5.9 我裝不了塑料絲 142

3.5.10 我取不出塑料絲導(dǎo)管 142

3.5.11 為什么我的送料機(jī)挖坑，但就是不吐絲 142

3.5.12 噴頭堵塞，如何處理 143

3.5.13 擠出的料無法粘牢打印平臺 143

3.5.14 打印出的東西粘不牢平臺 143

3.5.15 用輔助盤（Helper Disk）解決翹邊問題 143

3.5.16 噴頭位置偏移，擠出頭坐標(biāo)異常 144

3.5.17 為什么打印的圓是橢圓 145

3.5.18 電機(jī)不轉(zhuǎn)，像得了帕金森癥抖個(gè)不停 145

3.5.19 為需要連接的零件選擇合適的容許公差 145

3.5.20 我的打印機(jī)需要日常維護(hù)嗎 145

3.5.21 異常情況如何中斷打印 145

3.5.22 如何將金屬零件放入我的 3D 塑料模型中 146

3.5.23 用 CNCSimulator 進(jìn)行打印模擬和打印預(yù)覽 146

3.5.24 打印失敗后是什么樣子 146

3.6 如何設(shè)計(jì)和設(shè)置一臺高精度的 3D 打印機(jī) 147

3.6.1 影響打印精度的軟硬件因素 147

3.6.2 如何讓模型表面看起來更光滑 150

第4章 3D智能數(shù)字化：3D打印的孿生兄弟 153

4.1 不以規(guī)矩，不成方圓——STL 數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)文件解析 153

4.2 3D 智能數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù) 156

4.2.1 “所想即所得”：3D 設(shè)計(jì)的新境界 156

4.2.2 商業(yè)設(shè)計(jì)軟件 ：3D 設(shè)計(jì)的重型武器（Maya、UG） 161

4.2.3 殺雞焉用牛刀 ：基于網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)軟件（Tinkercad、3DTin） 167

4.3 3D 智能數(shù)字化掃描技術(shù) 169

4.3.1 光學(xué)三維掃描儀的原理和實(shí)例（激光、結(jié)構(gòu)白光） 172

4.3.2 基于 Kinect 的 3D 掃描原理和設(shè)備（紅外光斑、ToF） 177

4.3.3 房地產(chǎn)行業(yè)的新應(yīng)用 ：室內(nèi) 3D 掃描建模 183

4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能數(shù)字化 184

4.5 智能云網(wǎng) ：云端智能服務(wù)和云制造 185

4.6 大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí) ：3D 打印內(nèi)容的挖掘與推薦 186

4.6.1 什么是大數(shù)據(jù) 187

4.6.2 大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化推薦系統(tǒng) 189

4.6.3 深度學(xué)習(xí) ：像人腦一樣深層次地思考 192

第5章 3D智能數(shù)字化與3D照相館：科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合 200

5.1 那些年，我們一起追過的 3D 照相館 201

5.1.1 細(xì)數(shù)國內(nèi)外的 3D 照相館 201

5.1.2 3D 照相館的設(shè)備及成本 202

5.1.3 3D 照相館贏利模式的探討 205

5.2 3D 照相館的核心技術(shù) ：3D 智能數(shù)字化 206

5.3 基于圖像的 3D 人臉重建技術(shù) 209

5.3.1 基于單張照片的 3D 人臉重建及立體浮雕 210

5.3.2 基于多視角照片的 3D 人臉重建 213

5.3.3 人是一種視覺動(dòng)物 ：如何美化你的照片 219

5.4 Skanect ：使用 Kinect 實(shí)現(xiàn) 3D 掃描 223

5.5 頭發(fā)修補(bǔ) ：3D 照相館的頭痛問題 225

5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 軟件手工修補(bǔ)發(fā)型 226

5.5.2 基于視覺計(jì)算自動(dòng)修補(bǔ)發(fā)型 230

5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形狀修補(bǔ) 234

5.6 3D 人臉表情形變與編輯 241

5.7 直接全彩打印，還是單色打印再上色 245

5.8 3D 打印數(shù)字化設(shè)計(jì)技巧 247

5.8.1 3DS Max 建模用于 3D 打印 247

5.8.2 Rhino（犀牛軟件）進(jìn)行 3D 復(fù)雜曲面建模 251

5.8.3 SketchUp 進(jìn)行草圖 3D 快速建模 255

5.8.4 Netfabb/Magics ：修正你的 STL 打印文件 259

5.8.5 使用 AccuTrans 3D 轉(zhuǎn)換 3D 文件格式 262

第6章 視覺計(jì)算：構(gòu)建3D打印的殺手級應(yīng)用 264

6.1 視覺計(jì)算 ：計(jì)算機(jī)視覺與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的融合 264

6.2 3D 打印“批量定制”的智能實(shí)現(xiàn) 266

6.2.1 個(gè)性特征的描述與檢測 267

6.2.2 個(gè)性特征的定位與匹配 271

6.2.3 個(gè)性化形狀的編輯與合成 276

6.3 立體視覺重建 ：將照片轉(zhuǎn)成 3D 數(shù)字模型 281

6.3.1 攝像機(jī)定標(biāo) 281

6.3.2 基于立體視覺、SFM 和 Visual Hull 的三維重建 288

6.4 眾里尋她千百度──海量 3D 模型的形狀檢索 291

6.4.1 線性分類與感知機(jī)模型 291

6.4.2 支持向量機(jī) SVM 與邏輯回歸 LR 294

6.4.3 基于內(nèi)容的 3D 模型檢索 297

6.5 形狀拆解 ：大尺寸物件的自動(dòng)分塊打印 301

6.6 形狀分析 ：優(yōu)化 3D 打印形狀的表現(xiàn)力 303

6.7 形狀平衡 ：如何確保 3D 物件站立穩(wěn)當(dāng) 309

6.8 形狀優(yōu)化 ：生成堅(jiān)固的內(nèi)部輕質(zhì)結(jié)構(gòu)使得耗材最省 311

6.9 基于筆畫的 3D 建模 ：讓新手和孩子輕松設(shè)計(jì)形狀 315

6.9.1 Doodle3D ：3D 設(shè)計(jì)就像涂鴉一樣簡單 316

6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精準(zhǔn)的 3D 筆畫建模 318

6.9.3 3-Sweep 技術(shù) ：輕松讓照片中的 2D 物體變 3D 模型 319

6.9.4 “神筆馬良”3Doodler ：用筆直接畫出 3D 線框?qū)嵨?321

6.10 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) ：在打印之前看到融入環(huán)境的真實(shí)效果 322

6.11 3D 網(wǎng)格上的藝術(shù)──數(shù)字幾何處理 323

6.11.1 3D 模型的獲取、配準(zhǔn)與重建 324

6.11.2 3D 網(wǎng)格的幾何拓?fù)湫迯?fù) 325

6.11.3 3D 網(wǎng)格平滑與去噪 326

6.11.4 重網(wǎng)格化和子分網(wǎng)格 329

6.11.5 3D 網(wǎng)格壓縮 330

6.11.6 3D 網(wǎng)格分割 331

6.11.7 3D 網(wǎng)格的參數(shù)化 332

6.11.8 3D 網(wǎng)格的交叉參數(shù)化（一致對應(yīng)） 335

6.11.9 3D 網(wǎng)格形變、編輯與動(dòng)畫 336

6.11.10 3D 數(shù)據(jù)重定向技術(shù) 337

6.11.11 數(shù)字幾何處理框架 338

6.12 OpenCV 與 OpenGL ：視覺計(jì)算入門的兩大利器 339

6.12.1 OpenCV 與 AdaBoost 人臉檢測 339

6.12.2 OpenGL 與 3D 圖形繪制 344

6.12.3 再論 ：向量 / 矩陣、歐拉角與四元數(shù)（Quaternion） 348

第7章 創(chuàng)客：個(gè)人3D打印機(jī)的創(chuàng)造者 353

7.1 創(chuàng)客文化與開源 DIY 353

7.2 五花八門的創(chuàng)客杰作 ：從玩具到高速跑車 355

7.3 寓教于樂 ：3D 打印出你的個(gè)人數(shù)學(xué)博物館 359

7.4 創(chuàng)客之開源硬件 Arduino（阿德偉諾） 363

7.4.1 Arduino 簡介 363

7.4.2 初窺 Arduino 364

7.4.3 牛刀小試 ：叩開 Arduino 之門 366

7.5 創(chuàng)客之開源軟件 Android（安卓） 367

7.5.1 Android 概述 367

7.5.2 開發(fā)平臺搭建 368

7.5.3 Android 之旅起航 ：Hello, Android! 370

7.6 靠創(chuàng)意去賺錢 ：漫談 Kickstarter、Quirky 與 Shapeways 373

7.6.1 Kickstarter 眾籌 ：靠創(chuàng)意去籌資 373

7.6.2 Quirky 創(chuàng)意加工廠 ：把創(chuàng)意變成產(chǎn)品 375

7.6.3 Shapeways 在線打印 ：把個(gè)性化產(chǎn)品定制出來 377

7.7 創(chuàng)客中國 ：中國版喬布斯和比爾 · 蓋茨的誕生地 378

7.7.1 國外創(chuàng)客為什么紛紛青睞中國 378

7.7.2 創(chuàng)客中國的背景優(yōu)勢 379

7.7.3 創(chuàng)客中國的市場細(xì)分定位 379

第8章 創(chuàng)客實(shí)戰(zhàn)：四軸飛行器 381

8.1 你準(zhǔn)備好了嗎 ：自己制作四軸飛行器 381

8.2 器件與 3D 打印 382

8.2.1 四軸飛行器 DIY 所需的器件匯總 383

8.2.2 四軸飛行器的遙控器和接收機(jī) 384

8.2.3 四軸飛行器的飛行控制板 385

8.2.4 四軸飛行器電調(diào)的選用 386

8.2.5 四軸飛行器的無刷電機(jī)和螺旋槳 387

8.2.6 四軸飛行器的電池和充電器 388

8.2.7 四軸飛行器的連接線選用 389

8.2.8 四軸飛行器機(jī)架的 3D 打印 389

8.3 三軸陀螺儀和加速度計(jì)的入門與調(diào)試 390

8.4 自制基于 Arduino 的飛控板 393

8.4.1 四軸飛行器的基本電控結(jié)構(gòu) 393

8.4.2 飛行控制板的制作 395

8.5 遙控開始 ：Android 手機(jī)的 Wi-Fi 通信 397

8.6 四軸飛行器的智能視覺跟蹤 399

8.6.1 基于粒子濾波的目標(biāo)跟蹤算法 400

8.6.2 基于 Mean Shift（均值漂移）的目標(biāo)跟蹤算法 403

第9章 3D打印之不遠(yuǎn)的將來 406

9.1 3D 打印的未來 ：由創(chuàng)客們決定 406

9.1.1 幾乎為零的設(shè)計(jì)和制造門檻 407

9.1.2 創(chuàng)客成就 3D 打印 407

9.2 手機(jī)應(yīng)用 FabApp、App Store 與智能云網(wǎng) 409

9.3 不再僅僅是看著粗糙小型的 FDM 411

9.4 生物醫(yī)療打印 ：越來越近的科幻 412

9.5 美食打印機(jī) ：“吃貨”的錢最好賺 416

9.6 綠色經(jīng)濟(jì) ：變沙漠為光影城市 419

9.7 安得廣廈千萬間 ：3D 打印房屋與陶瓷打印機(jī) 420

9.8 混合材料制造 ：3D 打印電路 424

9.9 槍支打印“讓子彈飛”、版權(quán)與社會倫理 427

9.9.1 3D 打印引發(fā)社會公共安全的憂慮 427

9.9.2 版權(quán)保護(hù)的難題 429

9.9.3 社會倫理的思考及技術(shù)層面解決 431

9.10 3D 打印 3D 打印機(jī)自己 ：遺傳與升級 432

9.11 3D 打印的經(jīng)濟(jì)模式 ：利基與長尾效應(yīng) 433

9.12 “中國智造”推動(dòng)“全球第四次工業(yè)革命” 436

9.12.1 新工業(yè)革命之“永不枯竭的綠色能源” 436

9.12.2 新工業(yè)革命之“3D 打印新材料” 437

9.12.3 新工業(yè)革命之“先進(jìn)制造及 3D 打印” 438

9.12.4 新工業(yè)革命之“3D 智能數(shù)字化創(chuàng)造” 439

第10章 道：數(shù)字智能的最優(yōu)化及相關(guān)數(shù)學(xué)方法 442

10.1 最優(yōu)化理論的基本常識 443

10.1.1 從凸集和凸函數(shù)開始說起 443

10.1.2 無約束優(yōu)化與約束優(yōu)化 446

10.1.3 線性規(guī)劃與非線性規(guī)劃及其對偶（Dual）形式 447

10.1.4 澄清混淆 ：二次規(guī)劃、二次收斂、二階收斂 448

10.2 最優(yōu)化根基之單變量“一維搜索” 449

10.2.1 初始搜索區(qū)域的加步探索法（進(jìn)退法） 449

10.2.2 黃金分割搜索法（Golden Section Search） 450

10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜索法 451

10.2.4 牛頓法、拋物線法 451

10.2.5 不精確線搜索的 Armijo-Goldstein 準(zhǔn)則及 Wolfe-Powell 準(zhǔn)則 452

10.3 多變量的無約束優(yōu)化 455

10.3.1 最速下降法（Steepest Descent，梯度下降法 Gradient Descent） 455

10.3.2 牛頓法（Newton） 455

10.3.3 擬牛頓法（Quasi-Newton）：DFP 和 BFGS 方法 456

10.3.4 共軛方向法（Conjugate Direction） 458

10.3.5 共軛梯度法（Conjugate Gradient） 459

10.3.6 Powell 直接法 459

10.4 最優(yōu)化根基之“信賴域”460

10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法 461

10.4.2 詳解 L-M 方法的求解過程與步驟 462

10.5 最小二乘問題的求解 .462

10.5.1 線性最小二乘問題的求解（正規(guī)化方法、QR 分解、SVD 分解） 463

10.5.2 非線性最小二乘問題（Gauss-Newton 方法） 464

10.6 約束優(yōu)化問題的求解 .464

10.6.1 等式約束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier） 464

10.6.2 不等式約束的 KKT（KT）條件 .465

10.6.3 懲罰函數(shù)法（外點(diǎn)法、內(nèi)點(diǎn)法） 466

10.7 最短路徑與動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Dynamic Programming） 467

10.8 “偶然中的必然”──概率與貝葉斯（Bayes） 468

10.8.1 先驗(yàn)概率、似然函數(shù)、后驗(yàn)概率、貝葉斯公式 468

10.8.2 樸素（Na?ve）貝葉斯分類 469

10.8.3 最大似然估計(jì)、最大后驗(yàn)概率估計(jì)、貝葉斯估計(jì)、EM 算法 471

10.8.4 貝葉斯學(xué)派與頻率學(xué)派之爭論 475

參考文獻(xiàn) 477

跋 488

作者簡介 490 2100433B

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》等主流媒體稱3D 打印將引發(fā)新一輪工業(yè)革命?！?D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）(全彩)》從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的宏觀視角對3D 打印、3D 智能數(shù)字化、創(chuàng)客、中國智造、全球第四次工業(yè)革命這五者的關(guān)系進(jìn)行了詳盡討論。

《3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）(全彩)》從專業(yè)技術(shù)的角度對3D 打印的原理、結(jié)構(gòu)和工藝方法做了詳細(xì)介紹，包括十多種典型成型工藝的優(yōu)劣分析和比較，手把手、從無到有地組裝一臺3D 打印機(jī)等。3D 智能數(shù)字化是3D 打印的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，涉及3D 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。《3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）(全彩)》以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進(jìn)行了詳細(xì)講解。

《3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）(全彩)》是一本以作者原創(chuàng)觀點(diǎn)為指導(dǎo)，融匯眾多最新思想，詳細(xì)講解3D 打印和3D 智能數(shù)字化技術(shù)原理方法，手把手實(shí)戰(zhàn)型教學(xué)的綜合類技術(shù)書籍，對每一個(gè)操作步驟都進(jìn)行了圖文并茂的詳細(xì)描述，包括實(shí)際運(yùn)作一家3D 照相館的所有技術(shù)細(xì)節(jié)?！?D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版）(全彩)》無論對國內(nèi)、國外的廣大普通用戶及技術(shù)愛好者，還是高等院校大學(xué)生及研究生，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、政府產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)決策層，都具有重要的參考價(jià)值。

書名：3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造（全彩）（全球第一本系統(tǒng)闡述3D打印與3D智能數(shù)字化的專業(yè)著作）

作者：吳懷宇 編

ISBN： 978-7-121-22063-0

出版時(shí)間：2014年1月出版

定價(jià)：99.00元

頁數(shù)：428頁

開本：16開

《詩經(jīng)·小雅·鶴鳴》有云：“它山之石，可以攻玉”。本書取名《3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造》，靈感源自于筆者發(fā)表在《光明日報(bào)》上的一篇3D打印綜述文章的標(biāo)題《3D打?。褐悄軘?shù)字化》。其實(shí)筆者最初提交的是一個(gè)又長又繞口的題目，非常感謝《光明日報(bào)》的編輯以金剛鉆般的犀利進(jìn)行了打磨，使3D打印的本質(zhì)頓時(shí)“彰明較著”，也讓我那篇文章的條理和紋路立刻清晰了許多！所以本書也受此啟發(fā)，起了一個(gè)相似的名字。

相信大多數(shù)讀者在拿起這本書的時(shí)候，對3D打印或多或少已有耳聞。確實(shí)，自從《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》、《福布斯》、《紐約時(shí)報(bào)》等歐美主流媒體聲稱3D打印將引發(fā)第三次工業(yè)革命開始，全世界各類媒體都對3D打印做了大量的跟蹤報(bào)道。那么，為什么歐美這么看好3D打??？3D打印又為什么會引發(fā)一場新工業(yè)革命？3D打印不是30年前就有了嗎？那時(shí)只是一種快速成型工具而已，難道一種“新瓶裝舊酒”的工具就會引發(fā)一場全球范圍內(nèi)的工業(yè)變革？這場變革與我們中國的制造業(yè)會有關(guān)聯(lián)嗎？此外，媒體上經(jīng)常報(bào)道國外“創(chuàng)客”通過3D打印機(jī)造出了創(chuàng)意新奇的作品，可當(dāng)我們也深受鼓舞買回一臺，卻會發(fā)現(xiàn)3D打印遠(yuǎn)沒有2D打印輕松，其中最頭疼的事情莫過于要設(shè)計(jì)和處理所謂的3D數(shù)字化模型了。那么，3D數(shù)字化和3D打印到底是什么關(guān)系？我們又該如何輕松應(yīng)對呢？

以上這些最基本的問題，實(shí)際上已經(jīng)引出了多個(gè)主題，歸納一下：有3D打印、3D智能數(shù)字化、創(chuàng)客、中國智造、全球第三次工業(yè)革命這5個(gè)關(guān)鍵詞，而且都互有關(guān)聯(lián)。忽略掉其中任何一個(gè)，都無法完整地回答讀者的上述諸多問題。這是擺在本書面前的一個(gè)艱巨的任務(wù)。倘若選擇性忽略，只討論其中的某一個(gè)或幾個(gè)方面，則3D打印機(jī)與一般人眼中的2D打印機(jī)或一臺普通機(jī)床又有什么差別呢？3D打印無須模具就可加工任意復(fù)雜的中空形狀，用戶也無須掌握各種復(fù)雜的制造工藝和加工技能，這樣大幅降低了制造業(yè)的技術(shù)門檻。3D打印的巨大威力雖然源于技術(shù)，但其產(chǎn)生的重要影響力卻又遠(yuǎn)超于此。

依我看來，2007年爆發(fā)的全球金融危機(jī)，根源在于美國重視房地產(chǎn)、金融、消費(fèi)等第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而將大量的制造業(yè)外包給了其他國家，導(dǎo)致自身產(chǎn)業(yè)空心化問題日益嚴(yán)重。3D打印這種快速成型制造技術(shù)最近幾年的突然火爆，有一個(gè)重要原因和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，那就是2008年創(chuàng)客們發(fā)布了第一款完全開源的個(gè)人3D打印機(jī)RepRap，并把機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙、電路圖紙、智能控制代碼無償放到了網(wǎng)上供人免費(fèi)下載。幾年下來，變得大眾化，由此掀起了“個(gè)人智造”、“家庭智造”、“網(wǎng)絡(luò)社區(qū)智造”的熱潮。歐美正是希望借創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)和“全民智造”的東風(fēng)，激發(fā)國民的創(chuàng)造精神，上下齊心來實(shí)現(xiàn)這次戰(zhàn)略大轉(zhuǎn)移。2014年1月，3D打印的激光金屬燒結(jié)技術(shù)也將因?qū)＠狡诙_源，這將為3D打印的發(fā)展注入更大活力。

與此同時(shí)，我國政府也非?？释麑⒃咎幱诋a(chǎn)業(yè)鏈低端的“中國制造”轉(zhuǎn)型為“中國智造”，從加工組裝環(huán)節(jié)升級到上游的設(shè)計(jì)研發(fā)環(huán)節(jié)?！爸袊窃臁钡暮诵脑谟谥悄芑蛿?shù)字化（簡稱“智能數(shù)字化”），不僅要建立數(shù)字化工廠提高各種設(shè)計(jì)制造工藝的精度和效率，同時(shí)要使生產(chǎn)系統(tǒng)向著具有感知、決策、執(zhí)行能力的智能化系統(tǒng)發(fā)展，以做大做強(qiáng)“高端制造”。“中國智造”在3D打印產(chǎn)業(yè)上的競爭力可以通過發(fā)展3D智能數(shù)字化來提升。實(shí)際上，“當(dāng)今世界是平的”，在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，中國制造業(yè)的深度發(fā)展離不開全球市場化布局。因此，“中國制造”向“中國智造”轉(zhuǎn)型升級歷程，實(shí)際上也是共同推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)“全球第三次工業(yè)革命”的過程，并將在其中扮演越來越重要的角色。

具體來說，第三次工業(yè)革命是以智能數(shù)字化制造及新型材料應(yīng)用為代表的一個(gè)嶄新的時(shí)代，具體特點(diǎn)可描述為：智能數(shù)字化、分布式網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性定制化、綠色可持續(xù)化，典型特征為“智能數(shù)字化”。3D打印、智能數(shù)字化、新材料以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將極大地改變制造業(yè)原有的投入模式，使得依靠較少的自然資源和人力資源投入，就能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，并將遠(yuǎn)離產(chǎn)品千篇一律的大規(guī)模制造模式，向更具個(gè)性化的定制規(guī)模發(fā)展。

以上就是全書的基本思路和邏輯線索。下面，具體介紹一下本書的主要內(nèi)容。

本書首先從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的宏觀視角對3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀和未來進(jìn)行了詳盡的討論。為了能使讀者對3D打印、3D智能數(shù)字化、創(chuàng)客、中國智造、全球第三次工業(yè)革命之間的內(nèi)在緊密關(guān)聯(lián)有比較深入的理解，我們對這五者的相互作用和關(guān)系進(jìn)行剖析。

3D打印將虛擬的智能數(shù)字化技術(shù)與實(shí)實(shí)在在的工業(yè)產(chǎn)品橋接在一起，跨越了虛擬的比特世界和實(shí)體的原子世界之間的鴻溝。為了讓讀者對3D打印有透徹的了解，我們從專業(yè)技術(shù)的角度對3D打印的原理結(jié)構(gòu)、成型工藝和實(shí)際操作進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括對10多種典型的成型工藝進(jìn)行優(yōu)劣分析和比較，乃至手把手地、從無到有地組裝一臺3D打印機(jī)，以便讓大家看得清清楚楚、明明白白。本書對每一個(gè)操作步驟都進(jìn)行了圖文并茂的詳細(xì)描述，包括實(shí)際運(yùn)作一家3D照相館的所有技術(shù)細(xì)節(jié)。

3D智能數(shù)字化是3D打印的“孿生兄弟”，通過利用計(jì)算機(jī)來智能化地設(shè)計(jì)或獲取一個(gè)3D數(shù)字化模型，以便輸出到3D打印機(jī)。這是本書要討論的重點(diǎn)所在：為了讓用戶“所想即所得”地進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)造，計(jì)算機(jī)需要知道如何更好地生成形狀，即能夠智能地理解用戶的意圖。

我們可以使用智能數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，從無到有地設(shè)計(jì)3D數(shù)字化產(chǎn)品。最普通的方法是采用傳統(tǒng)的建模工具進(jìn)行實(shí)體建模和曲面建模。而手工建模是一件比較煩瑣、費(fèi)時(shí)的工作，研究人員于是推出了參數(shù)化建模、直接建模工具來減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。更加智能化的是編程式設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)把形狀的設(shè)計(jì)過程描述成一系列有特定順序的操作步驟，有點(diǎn)像按照食譜而不是最終的外觀來制作蛋糕。編程式智能設(shè)計(jì)可以輕易地在這個(gè)蛋糕上繪制幾百萬個(gè)規(guī)則的精美圖案，而這對于手工設(shè)計(jì)來說猶如噩夢。

為了生成更加豐富多變的個(gè)性圖案，還可采用復(fù)雜的生長式智能系統(tǒng)，即所謂的過程建模。智能化達(dá)到一定層次后，更可讓設(shè)計(jì)的形狀根據(jù)未知環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整，適應(yīng)各種物理和美學(xué)約束條件。比如，基于算法的智能設(shè)計(jì)軟件能夠根據(jù)物理環(huán)境（如在月球上）調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的空間形狀，以此來動(dòng)態(tài)獲得一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)形狀，從而使建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

當(dāng)然，并非人人都有能力自己設(shè)計(jì)3D形狀，因此3D智能數(shù)字化的另外一種方法就是3D掃描（俗稱3D照相），基于計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識別與智能系統(tǒng)、光機(jī)電一體化控制等技術(shù)對現(xiàn)實(shí)存在的3D物體進(jìn)行掃描采集，以獲得逼真的數(shù)字化重建。在獲得數(shù)字化模型之后，通常還需要進(jìn)行個(gè)性化編輯定制。特別是對于“大批量定制”，如為一萬名用戶打印定制個(gè)性化的眼鏡、服裝、帽子、鞋子，則需應(yīng)用智能化數(shù)字技術(shù)，如采用視覺計(jì)算方法，利用攝像頭自動(dòng)采集、分析提取每位用戶的體貌個(gè)性特征，進(jìn)行匹配和定位，并自動(dòng)根據(jù)視覺美感進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)、顏色膚色搭配等，可極大地縮減定制周期。

以開辦一家3D照相館為例，這是3D智能數(shù)字化的典型案例。首先需要對人體進(jìn)行3D掃描或根據(jù)多視角照片進(jìn)行立體重建，然后利用數(shù)字幾何處理的方法對缺失和噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，并拼接得到一個(gè)完整的3D模型。其中頭發(fā)的快速修復(fù)就是一個(gè)值得研究的課題，涉及視覺計(jì)算技術(shù)。此外，用戶很可能還希望對3D人體形狀或表情進(jìn)行美化、編輯、修改、遷移等，這涉及圖形圖像、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域。在輸出打印前，還涉及形狀的自平衡處理、形狀分析以提高表現(xiàn)力、大尺寸形狀的自動(dòng)分塊、形狀優(yōu)化生成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以節(jié)省耗材、利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)預(yù)覽融入環(huán)境的效果等。

不像MP3那樣可以通過歌名與歌手名這些結(jié)構(gòu)化的文本信息來定位，3D模型的檢索要復(fù)雜得多，涉及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的特征提取、相似度度量以及分類算法的設(shè)計(jì)。更讓人頭疼的是，在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們將被信息的海洋淹沒而變得迷失，以至于都不知道每天應(yīng)該挑選哪些3D模型打印出來。這時(shí)，通過對大數(shù)據(jù)的挖掘，個(gè)性化推薦系統(tǒng)可以對你的個(gè)性偏好進(jìn)行分析，把你可能會感興趣的3D模型推薦給你。其中，深度學(xué)習(xí)這種模擬人類大腦進(jìn)行智能分析學(xué)習(xí)的方法，將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

通過智能感知設(shè)備，3D打印機(jī)還可控制制造的行為，對打印的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后根據(jù)反饋信息隨時(shí)做出調(diào)整。也就是說，這臺3D打印機(jī)具有學(xué)習(xí)和控制的能力。將來，通過把人工智能從計(jì)算機(jī)拓展到現(xiàn)實(shí)世界，還可打印具備感知和學(xué)習(xí)能力的智能物品。此時(shí)，3D打印機(jī)就是新一代智能機(jī)器人，它們能設(shè)計(jì)、制造、修理、回收其他機(jī)器，甚至能夠改進(jìn)和升級機(jī)器自身，達(dá)到“機(jī)器制造機(jī)器”的新境界。

可以說，3D智能數(shù)字化技術(shù)是3D打印實(shí)現(xiàn)“規(guī)模定制”的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。因此，本書詳細(xì)討論了上面提到的各種3D智能數(shù)字化理論及其實(shí)現(xiàn)方法（如MVS、SVM、AAM、AdaBoost、粒子濾波、Mean Shift、Visual Hull、深度學(xué)習(xí)），涉及3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)。我們面向3D打印和3D數(shù)字化行業(yè)人士，將這些非常專業(yè)化的智能算法理論以通俗易懂的方式娓娓道來，這也是本書的一大特色。

“創(chuàng)客”不僅創(chuàng)造了個(gè)人3D打印機(jī)，同時(shí)也是第三次工業(yè)革命的啟蒙者。這是任何一本3D打印書籍都繞不開的話題，因此，我們詳細(xì)介紹了創(chuàng)客，并專門開設(shè)一章介紹四軸飛行器的DIY制作，以實(shí)例的方式講解創(chuàng)客們喜愛做的東西，將3D打印、智能數(shù)字化技術(shù)這些先進(jìn)的工具融入到創(chuàng)客實(shí)踐當(dāng)中。

綜上，本書是一本以最新視角闡述新工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢、詳細(xì)講解3D打印與3D智能數(shù)字化技術(shù)原理方法、手把手實(shí)戰(zhàn)型教學(xué)的綜合類技術(shù)書籍，因此無論對于國內(nèi)還是國外的廣大3D打印愛好者、學(xué)術(shù)圈、工業(yè)界、政府產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)決策層均具有重要的參考價(jià)值。

另外，本書提供豐富的網(wǎng)絡(luò)資源下載，其中的內(nèi)容包括：Ultimaker原理圖紙、3D模型頭發(fā)修復(fù)視頻教程、四軸飛行器完整資料。如有需要，讀者可在博文視點(diǎn)官網(wǎng)和作者主頁下載。

憑一己之力是無法完成本書的，在此要衷心感謝多年來一直關(guān)心和支持我的師長、朋友、同事和學(xué)生。本書在寫作過程中得到了汪凌峰博士、王穎博士、劉利剛教授、吳毅紅研究員、鄧小明副研究員、汪國平教授、唐俊副教授、王俊、王潤元、張華、隋偉、趙松、沙金正、李成華、吳挺的幫助和支持。此外，參與編寫工作的還有李青、王博洋、劉慶芳、劉孟起、吳炳根、丁根秀、文桂繡、魏淑芹、張?jiān)畦I、國霽、曾楊圓、彭鋒、文雨虹、殷海東。感謝電子工業(yè)出版社各位老師的辛勤工作，最后特別感謝永遠(yuǎn)關(guān)愛著我的家人。

本書的編寫工作得到了國家自然科學(xué)基金（No. 61272049）、北京市自然科學(xué)基金（No. 4132075）的資助。

由于作者水平有限，書中難免存在紕漏，歡迎廣大讀者批評指正。在閱讀過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題，請發(fā)送E-Mail電子郵件告知，以便今后再版時(shí)加以修正。2100433B

以3D打印為代表的第三次工業(yè)革命，以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志。

── 英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》

3D打印是第三次工業(yè)革命重要環(huán)節(jié)之一。

── 中國工程院院士徐志磊

在我國，3D打印之所以廣受關(guān)注，是因?yàn)樗c創(chuàng)新緊密相關(guān)。

── 中國工程院院士盧秉恒

3D打印是一種變革性的、短流程的、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)。

── 北京航空航天大學(xué)教授王華明

中國有望在近年躍升為全球最大的3D打印市場，國內(nèi)3D打印產(chǎn)值三年或可達(dá)百億元。

── 中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長羅軍

3D打印與傳統(tǒng)加工工藝是結(jié)合關(guān)系。

── 清華大學(xué)教授顏永年

3D打印是提升我國創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)從中國制造走向中國創(chuàng)造的重要途徑。

── 華中科技大學(xué)教授史玉升

3D打印將無處不在，并讓每個(gè)人都能夠成為創(chuàng)客。

── 3D Systems公司總裁Avi Reichental

廣泛的各個(gè)行業(yè)都受到3D打印的影響，不僅是傳統(tǒng)的航空、汽車、醫(yī)療等行業(yè)，同時(shí)也包括珠寶、時(shí)裝、食品等，還有紡織業(yè)，以及生物醫(yī)療，比如打印人類的身體組織。

──世界著名3D打印咨詢機(jī)構(gòu)Wohlers主席Terry Wohlers