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3D打印：三維智能數字化創造（第3版） ( 簡體 字) |
| 作者：吳懷宇 | 類別：1. -> 程式設計 -> 3D列印 |
| 譯者： |
| 出版社：電子工業出版社 |  3dWoo書號： 46743
詢問書籍請說出此書號！【缺書】
NT售價： 695 元 |
| 出版日：4/1/2017 |
| 頁數：516 |
| 光碟數：0 |
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站長推薦：  |
| 印刷：全彩印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
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| ISBN：9787121310638 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：推薦序一
2013 年 4 月看過吳懷宇博士給《中國科學報》撰寫的關于 3D 打印的技術評論專欄，感覺寫得十分順暢。現在很高興得知他的《3D 打印 ：三維智能數字化創造》一書也即將出版了，更是神速！
3D 打印近年來在國內外受到廣泛關注，網絡、報刊、媒體上都有鋪天蓋地的密集報道。新聞報道雖然可以及時反映 3D 打印技術的最新進展，但呈現給普通讀者的觀感難免有些碎片化，不便于獲得系統化的了解和認識，尤其是 3D 打印機幾乎“無所不能”地被應用到各個領域，從航空航天、汽車、醫療，到時裝、食品、武器等，給人一種眼花繚亂的感覺。《3D 打印 ：三維智能數字化創造》出版得非常及時，是一本很值得讀的書。該書不僅對 3D 打印的來龍去脈、原理結構、各種工藝方法做了系統闡述，而且還對 3D 智能數字化的理論方法、應用技術以及最新進展也做了詳盡的介紹。將這兩個密切相關的新興學科關聯起來進行表述，使得讀者能夠從整體上把握 3D 數字化打印的脈絡框架。此外，難能可貴的是，吳懷宇博士非常耐心地以通俗易懂的文字解釋書中出現的每一個術語和技術細節，輔以圖文并茂的形式，使得本書能夠被廣大普通讀者所接受。
近些年來，我也非常關注 3D 打印和社會制造方面的研究進展，并曾于 2012 年在《中國科學院院刊》上發表過一篇題為“從社會計算到社會制造 ：一場即將來臨的產業革命”的文章。借懷宇的新著，我對 3D 打印和社會制造談一點自己的體會和看法，拋磚引玉，同大家一起探討。
具體說來，源自快速成型和快速制造，以 3D 打印技術為核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被許多人認為是一項將要改變世界的“破壞性”新技術，已引起全球性的關注。加式制造是相對于減式制造而言的，兩者過去都不是嚴格意義下的制造專業術語。所謂減式制造，即通過模具、車銑等機械加工技術與工具將原材料轉化成產品的工藝過程與設備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來生產部件。而近十年來，隨著快速成型、快速制造、3D 打印等技術的成熟與普及，加式制造已成為日益風行的制造專業術語。與減式制造相反，加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產各種產品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術（Freeform Fabrication，簡稱 FF 或 FFF）。
2012 年 3 月，英國《經濟學人》雜志以新一輪工業革命為主題，聲稱 3D 打印技術即將引發新的“工業革命”浪潮，并認為生產制造將從大型、復雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠 ；人類將以新的方式合作進行生產制造，制造過程與管理模式將發生深刻變革，目前的制造格局必將被打破。
然而，正如蒸汽機促成第一次工業革命是通過引發人類理念的變革來達成的，3D 打印機要催生新的產業革命，也必須通過誘發新的人類理念轉化來實現。問題是 ：新的理念是什么？
我們認為，這一新的理念即便不直接是社會制造，也一定與社會制造直接相關。社會制造可使傳統企業轉變為能夠主動感知并且響應用戶大規模定制需求的智能企業，其核心就是主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化。為此，我們必須把社會搜索、社會計算、社會制造等相關的新興領域有機地結合起來，將互聯網、物聯網和物流網與 3D 打印機組成的社會制造網無縫地連接，通過眾包等方式使社會民眾充分參與產品各個環節的全生命制造過程，促成個性化、實時化、經濟化的生產和消費模式，形成新的產業革命。
正如 Google 依靠大規模的計算機服務器陣列滿足人們信息搜索的需求，從而改變人類生活與工作方式一樣，我們可以設想未來的 3D 打印機也將組成大規模的社會制造陣列，實時方便地滿足人類對各種個性化產品的物質需求，使生活和產業中的“長尾效應”常態化，進而更加深刻地改變我們生活的社會。這就是為什么 3D 打印將改變我們的世界，社會制造將帶來一場產業革命的真正原因。
中國作為今日世界制造業大國之地位正面臨著嚴峻的挑戰，西方媒體甚至直白地宣稱 ：“天將變了”，“未來的制造業將再次回流到先進發達國家”，“美國制造，出口中國”的新時代即將來臨！就連美國前總統奧巴馬也在 2013 年 11 月的國情咨詢講話里特別強調 3D 打印技術，全美國上下要將其視為拯救美國制造業的希望之光。
參照信息行業的發展歷程，我們認為，快速成型相當于 20 世紀 60 年代的專用和大型計算機，3D 打印機則相當于 20 世紀 70 年代的個人 PC 和蘋果臺式計算機。令人擔憂的是，我們在這一新興領域目前所處的地位，差不多就是半個世紀前我國在世界信息行業所處的地位！
顯然，我們必須盡快補上 3D 打印這一課，但我們切不可忘記信息行業在個人計算機出現之后浪潮般的發展進程 ：Microsoft 的快速崛起，還有隨之而來的 Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，國內的百度、阿里巴巴、QQ 和微博等。以目前的情況判斷，3D 打印的核心價值將完整體現于社會制造的發展與成熟的過程當中。社會制造對于制造行業而言，就是信息行業中從 Microsoft 至 Amazon，再到 Google 和 Twitter 的一體化合成，可視為虛擬網絡世界與真實物理世界的首次完美結合。因此，在關于 3D 打印機之大量媒體渲染的背后，社會制造才應當是我們關注的要點，否則，我們可能錯失良機，一誤再誤，代價將難以估量。
在社會制造的環境中，大批 3D 打印機形成制造網絡，并與互聯網、物聯網和物流網無縫連接，形成復雜的社會制造網絡系統，實時地滿足人們的各種需求。消費者與企業通過網絡世界能夠隨時隨地參與到生產流程之中，社會需求與社會生產能力將實時有效地結合在一起，“想法到產品（Mind to Product）”，“需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消費”將成為現實。因此，社會制造必將極大地刺激社會需求，同時有效地提升整個社會的參與程度，其直接結果就是社會就業率的大幅度提高。而且，加速發展社會制造產業，不但能夠解除我國長期在模具和材料工業落后受制于人的不利局面，還可以使我國蓬勃發展的社會媒體和網絡文化得到進一步的升華，使其成為促進社會經濟科學發展的有力工具 ：從被動到主動，從消極到積極。
另一方面，社會計算也將發揮關鍵性的作用，從專注社會輿情分析到滿足社會經濟需求，為社會制造的發展與成功提供有力保障。首先，社會計算為社會制造提供了主動及時地掌握社會需求的必要手段，從而能夠在大數據時代環境下直接用數據考察、研究各類問題。其次，社會制造涉及人的行為與需求，對許多問題由于時間、經濟、法律和道德上的原因無法進行傳統的實驗，而社會計算則能夠以計算實驗的方式彌補這一缺陷。最后，社會計算的平行管理與控制為落實社會制造的運營和支持各種決策提供了一個有效的操作平臺。
一言蔽之，社會制造的關鍵就是通過社會計算，主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化過程。由于存在于社會媒體上的大數據具有動態性、多樣性、虛實交互性、復雜性和不確定性等特點，如何計算獲得有用的信息，并從中挖掘出一般規律是一個極其具有挑戰性的問題。我們必須以物聯網、云計算為手段，采用機器學習、數據挖掘、模式識別、人工智能等領域的理論、技術和方法，研發可計算的智能社會媒體數據信息處理機制。為此，必須把社會計算和社會制造這兩個密切相關的新興領域有機地結合起來，這將對于提高我國制造業的競爭力、加速產業升級和轉型、擴大社會內需、繁榮國家經濟，具有至關重要的戰略意義。
2007 年，在參加編寫《中國至 2050 年先進制造科技發展路線圖》的過程中，加式制造引起了我們的注意，但當時由于專家意見不一致，特別是人力、物力和時間的缺乏，只能將加式制造作為實驗室的一個跟蹤課題予以關注。然而，3D 打印技術和社會制造的發展速度卻大大超過我們的預期。很明顯，社會制造是計算機和互聯網引發的信息革命之后的又一場產業革命，而且是一場虛實結合的革命，其規模和速度都將是前所未有的，意義重大，并更具挑戰性。這場革命對從業人員的素質與專業水平，以及運營環境的要求都與我們現行的教育科研和產業管理體制有明顯的沖突。如不認真應對，輕則可能發生西方國家所期望的制造業從中國等發展中國家向發達國家回流的現象，重則嚴重影響中華民族復興的偉業。
希望像蒸汽機一樣，3D 打印機能夠通過社會制造的理念和實踐，使人類社會再一次從以開發“地下”資源為主的“工業”社會，一步躍入以開發“地上”數據和智力資源為特征的“智業”社會，充分發揮人類共有的智力，使數據真正成為驅動和支撐大數據時代社會發展的“石油”和“黃金”礦藏。
正如懷宇博士在書中提到的，3D 打印是個技術密集型的行業，需要依托包括信息技術、精密機械和材料科學等多個學科領域的共同發展，才能加速“中國制造”轉型升級為“中國智造”的過程，并以此推動“全球第四次工業革命”。在此衷心期望各界人士能夠齊心協力、攜手并進，共同抓住這次偉大技術變革的歷史機遇，一起實現我國科技的跨越式發展。
王飛躍 研究員
中國科學院自動化研究所
復雜系統管理與控制國家重點實驗室 主任
IEEE Transactions on ITS 主編、中國自動化學會秘書長
推薦序二
3D 打印火了。
實際上，作為技術本身，3D 打印并不新鮮。30 年前，3D 打印就已出現在大公司和科研院所的實驗室里，業界稱之為快速成型或增材制造。
成名似乎是在一夜間。2012 年，英國著名經濟學雜志《經濟學人》發表封面文章，聲稱 3D打印將引發全球新一輪工業革命。2013 年，“3D 打印”隨即成為各大媒體的“寵兒”。
隨著探討的深入，亦有一些不同的聲音 ：如果它真是一項突破性技術，為什么直到 30 年后的今天才開始引發第四次工業革命呢？
從一位公眾的角度看，我也是帶著這個疑問，對本書進行了閱讀，希望能從中找到一些答案或線索。
身為這一領域的專業人士，吳懷宇博士用文字還原了真實的 3D 打印及其未來愿景。所謂“第四次工業革命”，其實是“一盤很大的棋”，并不能僅靠一項技術來支撐，而是需要信息技術、先進制造技術、新能源技術、新材料技術、生物技術等眾多領域共同發力。當 3D 打印以這些新興技術為基礎，經過 30 年的歷練，形成了一個新興的交叉學科和豐富的技術集群，其對社會產生的影響將足以引發一場綜合性變革。
在作者看來，第四次工業革命是以“智能數字化制造及新型材料應用”為代表的一個嶄新的時代，其典型特征概括成一個詞就是“智能數字化”。智能數字化技術提高了設計制造工藝的精度和效率 ；隨著數字化車間乃至數字化工廠的出現，生產系統將向著具有感知、決策、執行能力的智能化系統發展。在這一過程中，制造業原有的發展模式將被改變。3D 打印、智能數字化、新材料以及機器人技術的發展，將使得制造業依靠較少的自然資源和人力資源投入，也能取得良好的經濟效益。其中，3D 智能數字化利用計算機來智能地生成數字化的 3D 模型，使得低成本的大規模個性化定制成為可能。3D 智能數字化與 3D 打印技術的完美結合，讓設計師和工程師從產品制造工藝的束縛中解放出來，更加專注于產品本身的智力創造，即所謂“想法到產品（Mind to Product）”及“所想即所得”的全新智造時代。
對我而言，最感興趣的是這本書從產業經濟的宏觀視角和技術方法的微觀視角對 3D 打印、3D 智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命這五者的關系進行了翔實的討論，并以此為邏輯主線將各章節貫穿在一起。
而誰又是 3D 打印直接的推手呢？本書給出了回答——創客（Maker）。
實際上，創客運動在全球已如火如荼。美國《連線》雜志前主編克里斯 ? 安德森在《創客：新工業革命》一書中已做了詳細介紹。創客指喜歡動手制作，努力把各種創意轉變為現實產品的人。他們會使用 3D 打印機、數控機器、電子電路、激光切割機、3D 智能數字化技術等功能強大的數字桌面工具進行創造。創客既是工具的發明者，也是工具的使用者。
2008 年，英國一名叫 Adrian Bowyer 的創客發布了第一款開源的桌面級 3D 打印機RepRap，并把機械設計圖紙、電路圖紙、控制源代碼等無償放到了網上供人免費下載。這使得原本動輒幾十萬元的 3D 打印機降價到現在幾千元即可買到，從此走入了普通用戶家庭。如果沒有創客，沒有他們的開源共享精神，現在的 3D 打印機還會這么便宜嗎？為此，將創客運動稱作第四次工業革命的啟蒙運動非常貼切。
公眾需要這樣一本書，能夠將看似高深的 3D 打印深入淺出，又不失專業性地展示出來。懷宇的這本新書語言易懂、圖文并茂，根據讀者群的不同訴求，劃分出了五大派別 ：操作實戰派、技術方法派、商業運作派、大局宏觀派、學院理論派，從而增加了這本書的可讀性和趣味性。
正如克里斯?安德森所說： “所有重要的科技都是在短時間內被過度炒熱，其功能性也被高估；但從長期來看，它們造成的影響卻遠被低估”。或許不久，“上千元買臺 3D 打印機”能被更多的人所接受 ；也或許，“根據自己的個性化需求打印”遍地開花尚需時日。
但毋庸置疑的是，第四次工業革命已“山雨欲來”，那么中國將在其中扮演一個什么角色呢？面對這一次歷史新機遇，中國會依舊只是個追隨者嗎？這是這本書所引發的更重要的思考之所在。
黃明明
《中國科學報》 技術經濟周刊 主編
推薦序三
吳懷宇博士請我給他這本關于 3D 打印的書寫個序，可能是因為我做了 25 年多的三維計算機視覺研究，而三維視覺和 3D 打印有緊密聯系之故。剛好我對 3D 打印很有興趣，苦于沒有系統跟蹤，就欣然答應。我利用圣誕和元旦假期，對本書原稿從頭到尾讀了一遍。吳博士用筆風趣幽默，對三維智能數字化創造充滿激情，對 3D 打印看似龐大的生態系統提綱挈領，對深奧的理論和技術細節能深入淺出，對這項新工業的經濟技術發展的現狀和趨勢娓娓道來、引人入勝。他對 3D 打印、三維智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命之間的內在緊密關聯有著深入的研究。我從讀前言開始就被吸引，愛不釋手，在此強烈推薦。你們不會失望的。
3D 打印早已從理論變為現實。3D 打印機近幾年變得越來越便宜，1000 美元就能買到一臺三維桌面打印機。微軟推出的 Windows 8.1 操作系統也開始支持 3D 打印，其操作簡單，能和打印文本一樣輕松實現 3D 打印。另一方面，除了日常物品，在高端商業物品和部件制造領域，比如燃氣輪機，3D 打印技術也都在發生日新月異的進展，而且很有可能在不遠的將來為了醫療目的對人類器官進行生物打印。
盡管 3D 打印技術有了長足發展，但仍有很多需要改進和完善的地方，期待著我們去創新，去發現商機。我們可從 3 個層次考慮 ：打印技術、內容創造和生態系統。
打印技術 ：從設備角度來看，目前，3D 打印是一個添加式制造過程，而傳統制造是一個削減式生產過程，能否將兩者整合？在材料上，目前還基本停留在“黑白”，什么時候能打印出栩栩如生的物件？從軟件支持方面，能否在保質的基礎上自動編輯打印內容以減少耗材？
內容創造 ：沒有豐富的、吸引人的、有用的 3D 數字化產品，3D 打印不可能產生巨大的消費市場，也就不可能推動全球第四次工業革命。要想使產品設計大眾化，離不開一個簡單易用的三維數字化設計軟件。能否用類似 Kinect 的傳感器，開發一種自然用戶界面（NUI），讓用戶像創作雕塑一樣在數字空間里自然直觀地設計產品？能否輕松地將現實世界的物體轉換成數字模型？如何在現實物體上增加虛擬成分？這些都有賴于計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習等交叉學科的知識，而本書也通俗易懂地介紹了這些技術。
生態系統 ：一個新興行業的生態系統需要精心呵護，既不能扼殺創客們的熱情和創造性，也不能完全放任自由。隨著越來越多的創新產品和個人信息數字化及商業行為云端化，如何保護知識產權？如何保護信息安全？如何保護隱私？……這里既需要政策的支持，也需要研究和創新，還有很多的商業機遇。
本書講 3D 打印，不光對 3D 打印機的原理和結構有一個系統的描述，更強調三維智能數字化技術對推動全球第四次工業革命的核心作用。只要我們抓住機遇，轉換思維，從傳統制造的束縛中解放出來，學習、研究并牢牢掌握三維智能數字化的核心技術，發揮我們的想象力和創造力，在多學科的碰撞中產生靈感和火花，我們一定能超越“中國制造”的成就，創造出更大的“中國智造”的輝煌。
張正友
微軟研究院首席研究員，研究經理
國際電氣電子工程師學會院士（IEEE Fellow）
美國計算機協會院士（ACM Fellow）
推薦序四
3D printing is an emerging technology that has attracted much attention in recent years. The profound applications of this technology are likely to revolutionize many aspects of our life, ranging from rapid manufacturing, mass customization to health care devices. As discussed anddemonstrated by the author, it is likely to make the third wave of industrial revolution.
The timely topics covered in this book provide an excellent introduction of topics related to3D printing and the involved techniques. The author first gives a thorough review of the latestdevelopment of 3D printing and draw connections to the future of manufacturing in China. All the important techniques in 3D printing are then discussed and explained in the following chapters. In particular, the author uses 3D photography as an example to discuss it relevance to 3D printing. In addition, the author explains several computer vision algorithms on how to recover 3D model from images. The future of 3D printing is then discussed with numerous examples to motivate research problems for readers to ponder. For completeness, the author also discusses the underlying mathematics and algorithms related to 3D reconstruction.
In summary, this book provides an excellent introduction of the emerging and important topics of 3D printing. The discussed material not only cover topics of great interest to all readers but also algorithms for practitioners in computer vision. I highly recommend this book to readers interested in 3D printing or computer vision.
Ming-Hsuan Yang
Associate Professor
Electrical Engineering and Computer Science
University of California at Merced, USA
楊明玄
美國加州大學 終身教授
IEEE Transactions on PAMI、IJCV 副主編，ICCV/CVPR/AAAI 領域主席
推薦序五
3D Printing, proclaimed by some as a symbol for the third industrial revolution, has been a very hot topic in recent years. While there are literally over one thousand books about 3D printing that are currently available for sale on Amazon.com, what sets this book apart, I believe, is its comprehensiveness. It covers a broad range of topics from 3D printing principles, hardware, digitization/modeling, to practices. In particular, it emphasizes the software aspect of 3D printing, which is 3D digitalization and modeling. There is no 3D printer that can produce a 3D object without a digital 3D model. This software, i.e., modeling, aspect is somehow overlooked by many 3D printing literatures. I am very happy to see a book that gives a comprehensive and balance treatment of all aspects involved in the 3D printing pipeline.
This book is well suited for both beginners and intermediate practitioners. Beginners can learn the basic principles of 3D printing involving both hardware and software. For intermediate practitioners, who already know the basics, this book provides an under-the-hood view of 3D printing hardware and modeling software. In this regard, this book is particularly useful for innovators who want to develop the next kill-app for 3D printing. The various modeling tools and optimization algorithms introduced in this book are the building blocks for 3D printing applications, such as 3D photography, which is used as the driving example.
The author of this book, Dr. Wu, is an expert in 3D modeling and its applications to 3D printing. The writing style is easy to follow, with many examples and references to related literatures. It is a joy for me to read this book. I highly recommend this book for anyone who is interested in learning 3D printing and applications.
Ruigang Yang
Professor, University of Kentucky
3D 打印被稱為是第四次工業革命的象征。它一直是近年來非常熱門的話題。目前在Amazon.com 有很多有關 3D 打印的書籍。本書的最大特點，我認為是它的全面性。它涵蓋了3D 打印的全部過程，從打印原理、硬件、數字化造型，到以 3D 照相為例子的實踐，特別的是它對三維數字化建模軟件的強調。三維數字模型是任何 3D 打印的源泉，沒有數字模型的 3D 打印只能是緣木求魚。3D 打印硬件對建模軟件的依賴性是被市面上很多 3D 打印書籍或多或少忽視的一個問題，我很高興地看到本書對 3D 打印的整個流程給出了一個全面、平衡的闡述。
本書非常適合初學者和中級從業人員。初學者可以全面地學習 3D 打印的基本原理，其中包括硬件的和軟件的。對于已了解基本知識的中級從業者，本書提供了對 3D 打印硬件和數字化建模軟件的深入分析。在這方面，本書對開發應用程序的 3D 打印創新者特別有用。另外，本書對各種建模工具和優化算法進行了詳細介紹和分析，這些是開發新的 3D 打印應用的必備知識。
本書的作者吳博士是在三維數字化建模及其在 3D 打印上應用的專家。他的文風深入淺出、通俗易懂。書中有很多示例并詳細列出了大量相關參考文獻。我強烈地向任何有興趣學習 3D 打印及其應用的人士推薦本書。
楊睿剛
美國肯塔基大學 終身教授
推薦序六
計算機發展到今天，其最成功的應用集中在信息的處理、存儲和傳遞。這些應用極大地改變了人們的生活。然而，隨著計算機功能的逐步增強和計算技術的進一步發展，越來越多的應用已經不局限于從信息到信息，而是將信息用于改變客觀世界以及人與客觀世界的交互。3D 打印就是這樣的技術。這樣的技術無疑將會對我們的生活產生更大的影響。
3D 打印一反傳統的切削去除材料加工方法，采用增材制造技術，可以加工出任意復雜形狀的物體。這項技術經過 30 年的發展，從材料的性能到加工的精度都有了很大的改進。另一方面，人工智能的研究經過幾十年的波折，終于有了新的突破，給 3D 打印提供了強有力的軟件支持。正是這兩方面的發展匯聚在一起才使得人們相信一個全新的設計和制造方式正在形成，并將徹底地改變現有的工業結構。
要想弄懂 3D 打印的過程并有效地解決實際問題，需要掌握硬件和軟件兩方面的知識，而軟件方面所涉及的范圍則尤其廣泛。吳懷宇博士的這本書的獨到之處是綜合了這兩方面的知識，并且用通俗易懂的語言解釋出來。這正是當前大多數想要了解這個新興領域的讀者所需要的。作者抓住了“三維智能數字化”這個關鍵的要素，詳細地介紹了基于當前最新研究成果所提供的工具。書中既有概念和算法的描述，又有編程和軟件的指導，還有關于具體操作的問題解答。
三維智能數字化的核心目標是為客觀世界的物體建立計算模型。這樣的模型為 3D 打印提供了理想的工具。近年來，這個處于計算機視覺、計算機圖形學和模式識別交叉處的學科取得了令人興奮的成果，也吸引了一大批有才華的研究人員。吳懷宇博士在這個領域做了廣泛的工作并取得了出色的成績。本書體現了他對這個學科的深入理解。
如果你想了解 3D 打印并自己動手制作模型，或者想進一步學習 3D 算法和相關的數學方法，就請閱讀本書吧！
Shu Chang（舒暢）
Senior Research Scientist （資深科學家）
National Research Council of Canada （加拿大國家研究委員會）
前言
《詩經 ? 小雅 ? 鶴鳴》有云 ：“它山之石，可以攻玉”。本書取名《3D 打印 ：三維智能數字化創造》，靈感源自于筆者發表在《光明日報》上的一篇 3D 打印綜述文章的標題《3D 打印 ：智能數字化》。其實筆者最初提交的是一個又長又繞口的題目，非常感謝《光明日報》的編輯以金剛鉆般的犀利進行了打磨，使 3D 打印的本質頓時“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，起了一個相似的名字。
相信大多數讀者在拿起這本書的時候，對 3D 打印或多或少已有耳聞。確實，自從《經濟學人》、《福布斯》、《紐約時報》等歐美主流媒體聲稱 3D 打印將引發新一輪工業革命開始，全世界各類媒體都對 3D 打印做了大量的跟蹤報道。那么，為什么歐美這么看好 3D 打印？ 3D 打印又為什么會引發一場新工業革命？ 3D 打印不是 30 年前就有了嗎？那時只是一種快速成型工具而已，難道一種“新瓶裝舊酒”的工具就會引發一場全球范圍內的工業變革？這場變革與我們中國的制造業會有關聯嗎？此外，媒體上經常報道國外“創客”通過 3D 打印機造出了創意新奇的作品，可當我們也深受鼓舞買回一臺時，卻會發現 3D 打印遠沒有 2D 打印輕松，其中最頭疼的事情莫過于要設計和處理所謂的3D數字化模型了。那么，3D數字化和3D打印到底是什么關系？我們又該如何輕松應對呢？
以上這些最基本的問題，實際上已經引出了多個主題，歸納一下：有 3D 打印、3D 智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命這 5 個關鍵詞，而且都互有關聯。忽略掉其中任何一個，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艱巨的任務。倘若選擇性忽略，只討論其中的某一個或幾個方面，則 3D 打印機與一般人眼中的 2D 打印機或一臺普通機床又有什么差別呢？ 3D 打印無須模具就可加工任意復雜的中空形狀，用戶也無須掌握各種復雜的制造工藝和加工技能，這樣大幅降低了制造業的技術門檻。3D 打印的巨大威力雖然源于技術，但其產生的重要影響力卻又遠超于此。
依我看來，歐美現在之所以看好 3D 打印，主要是希望將制造業回流到歐美，而不是繼續轉移到中國和印度。2007 年爆發的全球金融危機，根源在于美國重視房地產、金融、消費等第三產業的發展而將大量的制造業外包給了其他國家，導致自身產業空心化問題日益嚴重。3D 打印這種快速成型制造技術最近幾年的突然火爆有一個重要原因和轉折點，那就是 2008 年創客們發布了第一款完全開源的個人 3D 打印機 RepRap，并把機械設計圖紙、電路圖紙、智能控制代碼無償放到了網上供人免費下載。幾年下來，原本極其昂貴（幾十萬元起價）的 3D 打印機降到現在幾千元即可買到，變得大眾化，由此掀起了“個人智造”、 “家庭智造”、 “網絡社區智造”的熱潮。歐美正是希望借創客運動和“全民智造”的東風，激發國民的創造精神，上下齊心來實現這次戰略大轉移。2014 年 1 月，3D 打印的激光金屬燒結技術也因專利到期而開源，這為 3D 打印的發展注入更大活力。
與此同時，我國政府也非常渴望將原本處于產業鏈低端的“中國制造”轉型為“中國智造”，從加工組裝環節升級到上游的設計研發環節。“中國智造”的核心在于智能化和數字化（簡稱“智能數字化”），不僅要建立數字化工廠提高各種設計制造工藝的精度和效率，同時要使生產系統向著具有感知、決策、執行能力的智能化系統發展，以做大做強“高端制造”。“中國智造”在 3D打印產業上的競爭力可以通過發展 3D 智能數字化來提升。實際上，“當今世界是平的”，在經濟全球化的背景下，中國制造業的深度發展離不開全球市場化布局。因此， “中國制造”向“中國智造”轉型升級的歷程，實際上也是共同推動和實現“全球第四次工業革命”的過程，并將在其中扮演越來越重要的角色。
具體來說，第四次工業革命是以智能數字化制造及新型材料應用為代表的一個嶄新的時代，具體特點可描述為 ：智能數字化、分布式網絡化、個性定制化、綠色可持續化，典型特征為“智能數字化”。3D 打印、智能數字化、新材料以及機器人技術的發展，將極大地改變制造業原有的投入模式，使得依靠較少的自然資源和人力資源投入，就能取得良好的經濟效益，并將遠離產品千篇一律的大規模制造模式，向更具個性化的定制規模發展。
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容。
本書首先從產業經濟的宏觀視角對 3D 打印的發展現狀和未來進行了詳盡的討論。為了能使讀者對 3D 打印、3D 智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命之間的內在緊密關聯有比較深入的理解，我們對這五者的相互作用和關系進行剖析。
3D 打印將虛擬的智能數字化技術與實實在在的工業產品橋接在一起，跨越了虛擬的比特世界和實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，我們從專業技術的角度對 3D 打印的原理結構、成型工藝和實際操作進行了詳細介紹，包括對 10 多種典型的成型工藝進行優劣分析和比較，乃至手把手地、從無到有地組裝一臺 3D 打印機，以便讓大家看得清清楚楚、明明白白。本書對每一個操作步驟都進行了圖文并茂的詳細描述，包括實際運作一家 3D 照相館的所有技術細節。
3D 智能數字化是 3D 打印的“孿生兄弟”，通過利用計算機來智能化地設計或獲取一個 3D數字化模型，以便輸出到 3D 打印機。這是本書要討論的重點所在 ：為了讓用戶“所想即所得”地進行數字化創造，計算機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字化設計軟件，從無到有地設計 3D 數字化產品。最普通的方法是采用傳統的建模工具進行實體建模和曲面建模。而手工建模是一件比較煩瑣、費時的工作，研究人員于是推出了參數化建模、直接建模工具來減輕設計負擔。更加智能化的是編程式設計，計算機把形狀的設計過程描述成一系列有特定順序的操作步驟，有點像按照食譜而不是最終的外觀來制作蛋糕。編程式智能設計可以輕易地在這個蛋糕上繪制幾百萬個規則的精美圖案，而這對于手工設計來說猶如噩夢。
為了生成更加豐富多變的個性圖案，還可采用復雜的生長式智能系統，即所謂的過程建模。智能化達到一定層次后，更可讓設計的形狀根據未知環境實時調整，適應各種物理和美學約束條件。比如，基于算法的智能設計軟件能夠根據物理環境（如在月球上）調整建筑結構的空間形狀，以此來動態獲得一個最優的設計形狀，從而使建筑結構更加穩定。
當然，并非人人都有能力自己設計 3D 形狀，因此 3D 智能數字化的另外一種方法就是 3D掃描（俗稱 3D 照相），基于計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智能系統、光機電一體化控制等技術對現實存在的 3D 物體進行掃描采集，以獲得逼真的數字化重建。在獲得數字化模型之后，通常還需要進行個性化編輯定制。特別是對于“大批量定制”，如為一萬名用戶打印定制個性化的眼鏡、服裝、帽子、鞋子，則需應用智能化數字技術，如采用視覺計算方法，利用攝像頭自動采集、分析提取每位用戶的體貌個性特征，進行匹配和定位，并自動根據視覺美感進行形狀設計、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 智能數字化的典型案例。首先需要對人體進行 3D 掃描或根據多視角照片進行立體重建，然后利用數字幾何處理的方法對缺失和噪聲數據進行修補，并拼接得到一個完整的 3D 模型。其中頭發的快速修復就是一個值得研究的課題，涉及視覺計算技術。此外，用戶很可能還希望對 3D 人體形狀或表情進行美化、編輯、修改、遷移等，這涉及圖形圖像、模式識別、機器學習等多個領域。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力、大尺寸形狀的自動分塊、形狀優化生成輕質結構以節省耗材、利用增強現實預覽融入環境的效果等。
當 3D 數字化模型變得跟目前的 MP3 歌曲一樣普及甚至泛濫時，又會遇到如何快速檢索的難題。不像 MP3 那樣可以通過歌名與歌手名這些結構化的文本信息來定位，3D 模型的檢索要復雜得多，涉及非結構化數據的特征提取、相似度度量以及分類算法的設計。更讓人頭疼的是，在這個大數據時代，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該挑選哪些 3D模型打印出來。這時，通過對大數據的挖掘，個性化推薦系統可以對你的個性偏好進行分析，把你可能會感興趣的 3D 模型推薦給你。其中，深度學習這種模擬人類大腦進行智能分析學習的方法，將獲得越來越廣泛的應用。
通過智能感知設備，3D 打印機還可控制制造的行為，對打印的過程進行實時監控，然后根據反饋信息隨時做出調整。也就是說，這臺 3D 打印機具有學習和控制的能力。將來，通過把人工智能從計算機拓展到現實世界，還可打印具備感知和學習能力的智能物品。此時，3D 打印機就是新一代智能機器人，它們能設計、制造、修理、回收其他機器，甚至能夠改進和升級機器自身，達到“機器制造機器”的新境界。
可以說，3D 智能數字化技術是 3D 打印實現“規模定制”的基礎和關鍵所在。因此，本書詳細討論了上面提到的各種 3D 智能數字化理論及其實現方法（如 MVS、SVM、AAM、AdaBoost、粒子濾波、Mean Shift、Visual Hull、深度學習），涉及 3D 計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習。我們面向 3D 打印和 3D 數字化行業人士，將這些非常專業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。
“創客”不僅創造了個人 3D 打印機，同時也是第四次工業革命的啟蒙者。這是任何一本 3D打印書籍都繞不開的話題，因此，我們詳細介紹了創客，并專門開設一章介紹四軸飛行器的 DIY制作，以實例的方式講解創客們喜愛做的東西，將 3D 打印、智能數字化技術這些先進的工具融入到創客實踐中。
綜上，本書是一本以最新視角闡述新工業經濟發展趨勢、詳細講解 3D 打印與 3D 智能數字化技術原理方法、手把手實戰型教學的綜合類技術書籍，因此無論對于國內還是國外的廣大 3D打印愛好者，學術界、工業界、政府產業經濟決策層均具有重要的參考價值。
另外，本書提供豐富的網絡資源下載，其中的內容包括 ：Ultimaker 原理圖紙、3D 模型頭發修復視頻教程、四軸飛行器完整資料。如有需要，讀者可在 www.broadview.com.cn/31063（博文視點官網）和 http://www.sigvc.org/why/book/（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心和支持我的師長、朋友、同事和學生。本書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、趙輝博士、汪國平教授、唐俊副教授、朱紅強、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劉慶芳、劉孟起、吳炳根、丁根秀、文桂繡、魏淑芹、張云鐸、王銘東、黃文論、王真龍、劉倩、達其雙、陳鑫、滕音。感謝電子工業出版社各位老師的辛勤工作。最后特別感謝永遠關愛著我的家人。
本書的編寫工作得到了國家自然科學基金（No. 61272049）、北京市自然科學基金（No.4132075）、中國科學院大學與中國科學院校部與科研院所合作研究基金（Y55201TY00）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，如果發現問題，請發送 E-Mail 電子郵件告知，以便今后再版時加以修正。
吳懷宇
中國科學院
于 北京中關村 |
內容簡介：《經濟學人》等主流媒體稱3D打印將引發新一輪工業革命。本書從產業經濟的宏觀視角對3D打印、3D智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命這五者的關系進行了詳盡討論。本書從專業技術的角度對3D打印的原理、結構和工藝方法做了詳細介紹，包括10多種典型成型工藝的優劣分析和比較，手把手、從無到有地組裝一臺3D打印機等。3D智能數字化是3D打印的基礎和關鍵，涉及3D計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習等領域。本書以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進行了詳細講解。 |
目錄：第1章 3D打印與“全球第四次工業革命” 1
1.1 3D 打印 ：體驗造物奇跡 1
1.2 全球第四次工業革命的導火索 11
1.2.1 從“第一次工業革命”到“第四次工業革命” 11
1.2.2 3D 打印的顯著優勢 12
1.2.3 3D 打印的應用現狀 14
1.3 對 3D 打印的質疑 16
1.3.1 來自傳統制造業大佬的質疑 ：不看好 3D 打印 16
1.3.2 關于“3D 打印技術的可實現性”釋疑 17
1.3.3 關于“3D 打印技術的經濟性”釋疑 17
1.3.4 關于“3D 打印產業的成長性”釋疑 19
1.4 3D 智能數字化與 3D 打印 ：用“虛擬”再造“現實” 20
1.4.1 3D 智能數字化設計技術的發展現狀 21
1.4.2 智能數字化掃描技術的發展現狀 22
1.4.3 智能云網 ：云端智能服務和云制造 23
1.4.4 3D 打印技術的發展現狀 24
1.5 創客 DIY ：新工業革命的啟蒙運動 26
1.5.1 以小博大 ：創客挑戰巨頭公司 27
1.5.2 聚沙成塔 ：改變工業社會的組成結構 28
1.6 “中國制造”向“中國智造”轉變的機遇 29
1.6.1 “中國制造”須轉型升級 29
1.6.2 來自“德國制造”的啟示 30
1.6.3 “中國智造”的發展機遇 31
第2章 3D打印機的原理與種類 37
2.1 3D 打印時間簡史──源自 1860 年 37
2.2 3D 打印機的工作原理和家族 41
2.2.1 3D 打印機的工作原理與流程 41
2.2.2 FDM ：熔融沉積成型（FFF ：熔絲制造） 42
2.2.3 3DP ：三維打印黏結成型（噴墨沉積） 44
2.2.4 SLS ：選擇性激光燒結 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（Material Jetting ：材料噴射） 50
2.2.7 DLP ：數字光處理 51
2.2.8 LOM ：分層實體制造 53
2.3 塑料還是石膏？ 3D 打印機的各種耗材 55
2.3.1 ABS ：應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 ：綠色環保的生物塑料 59
2.3.8 PETG（共聚酯） 60
2.3.9 PCL（聚己內酯） 61
2.3.10 光敏樹脂 ：精細成型的液態材料 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 65
2.4 金屬 3D 打印技術大盤點 72
2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技術 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 打印技術小結 80
2.5 兩大陣營 ：工業級打印機與桌面級打印機 81
2.5.1 工業級打印機 ：兩個巨頭的主戰場 82
2.5.2 桌面級打印機 ：創客們的多樣世界 87
2.6 3D 打印與傳統手辦模型制作 92
2.7 3D 打印機購買指南 93
第3章 剖析3D打印機：輪子是怎樣發明的 98
3.1 RepRap ：開源 3D 打印機的鼻祖和奠基石 98
3.2 MakerBot 與 Ultimaker ：桌面雙雄 99
3.3 Ultimaker 組裝實戰 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 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 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 121
3.3.10 Gcode 與前臺軟件 Cura 使用指南 123
3.3.11 Ultimaker 打印成果實例 128
3.4 MakerBot Replicator 2 與 MakerWare 打印實戰 129
3.4.1 MakerWare 進行切片和打印 129
3.4.2 ReplicatorG 控制前臺的設置 ：雙噴頭打印雙色模型 135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果實例 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 如何調平打印平臺（粗調和精調） 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 我取不出塑料絲導管 142
3.5.11 為什么我的送料機挖坑，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，擠出頭坐標異常 144
3.5.17 為什么打印的圓是橢圓 145
3.5.18 電機不轉，像得了帕金森癥抖個不停 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 我的打印機需要日常維護嗎 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 進行打印模擬和打印預覽 146
3.5.24 打印失敗后是什么樣子 146
3.6 如何設計和設置一臺高精度的 3D 打印機 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智能數字化：3D打印的孿生兄弟 153
4.1 不以規矩，不成方圓——STL 數字標準文件解析 153
4.2 3D 智能數字化設計技術 156
4.2.1 “所想即所得”：3D 設計的新境界 156
4.2.2 商業設計軟件 ：3D 設計的重型武器（Maya、UG） 161
4.2.3 殺雞焉用牛刀 ：基于網頁的設計軟件（Tinkercad、3DTin） 167
4.3 3D 智能數字化掃描技術 169
4.3.1 光學三維掃描儀的原理和實例（激光、結構白光） 172
4.3.2 基于 Kinect 的 3D 掃描原理和設備（紅外光斑、ToF） 177
4.3.3 房地產行業的新應用 ：室內 3D 掃描建模 183
4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能數字化 184
4.5 智能云網 ：云端智能服務和云制造 185
4.6 大數據和深度學習 ：3D 打印內容的挖掘與推薦 186
4.6.1 什么是大數據 187
4.6.2 大數據背景下的個性化推薦系統 189
4.6.3 深度學習 ：像人腦一樣深層次地思考 192
第5章 3D智能數字化與3D照相館：科學與藝術的結合 200
5.1 那些年，我們一起追過的 3D 照相館 201
5.1.1 細數國內外的 3D 照相館 201
5.1.2 3D 照相館的設備及成本 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 ：3D 智能數字化 206
5.3 基于圖像的 3D 人臉重建技術 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 人是一種視覺動物 ：如何美化你的照片 219
5.4 Skanect ：使用 Kinect 實現 3D 掃描 223
5.5 頭發修補 ：3D 照相館的頭痛問題 225
5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 軟件手工修補發型 226
5.5.2 基于視覺計算自動修補發型 230
5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形狀修補 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 打印數字化設計技巧 247
5.8.1 3DS Max 建模用于 3D 打印 247
5.8.2 Rhino（犀牛軟件）進行 3D 復雜曲面建模 251
5.8.3 SketchUp 進行草圖 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 轉換 3D 文件格式 262
第6章 視覺計算：構建3D打印的殺手級應用 264
6.1 視覺計算 ：計算機視覺與計算機圖形學的融合 264
6.2 3D 打印“批量定制”的智能實現 266
6.2.1 個性特征的描述與檢測 267
6.2.2 個性特征的定位與匹配 271
6.2.3 個性化形狀的編輯與合成 276
6.3 立體視覺重建 ：將照片轉成 3D 數字模型 281
6.3.1 攝像機定標 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 線性分類與感知機模型 291
6.4.2 支持向量機 SVM 與邏輯回歸 LR 294
6.4.3 基于內容的 3D 模型檢索 297
6.5 形狀拆解 ：大尺寸物件的自動分塊打印 301
6.6 形狀分析 ：優化 3D 打印形狀的表現力 303
6.7 形狀平衡 ：如何確保 3D 物件站立穩當 309
6.8 形狀優化 ：生成堅固的內部輕質結構使得耗材最省 311
6.9 基于筆畫的 3D 建模 ：讓新手和孩子輕松設計形狀 315
6.9.1 Doodle3D ：3D 設計就像涂鴉一樣簡單 316
6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精準的 3D 筆畫建模 318
6.9.3 3-Sweep 技術 ：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 線框實物 321
6.10 增強現實 ：在打印之前看到融入環境的真實效果 322
6.11 3D 網格上的藝術──數字幾何處理 323
6.11.1 3D 模型的獲取、配準與重建 324
6.11.2 3D 網格的幾何拓撲修復 325
6.11.3 3D 網格平滑與去噪 326
6.11.4 重網格化和子分網格 329
6.11.5 3D 網格壓縮 330
6.11.6 3D 網格分割 331
6.11.7 3D 網格的參數化 332
6.11.8 3D 網格的交叉參數化（一致對應） 335
6.11.9 3D 網格形變、編輯與動畫 336
6.11.10 3D 數據重定向技術 337
6.11.11 數字幾何處理框架 338
6.12 OpenCV 與 OpenGL ：視覺計算入門的兩大利器 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（Quaternion） 348
第7章 創客：個人3D打印機的創造者 353
7.1 創客文化與開源 DIY 353
7.2 五花八門的創客杰作 ：從玩具到高速跑車 355
7.3 寓教于樂 ：3D 打印出你的個人數學博物館 359
7.4 創客之開源硬件 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 創客之開源軟件 Android（安卓） 367
7.5.1 Android 概述 367
7.5.2 開發平臺搭建 368
7.5.3 Android 之旅起航 ：Hello, Android! 370
7.6 靠創意去賺錢 ：漫談 Kickstarter、Quirky 與 Shapeways 373
7.6.1 Kickstarter 眾籌 ：靠創意去籌資 373
7.6.2 Quirky 創意加工廠 ：把創意變成產品 375
7.6.3 Shapeways 在線打印 ：把個性化產品定制出來 377
7.7 創客中國 ：中國版喬布斯和比爾 ? 蓋茨的誕生地 378
7.7.1 國外創客為什么紛紛青睞中國 378
7.7.2 創客中國的背景優勢 379
7.7.3 創客中國的市場細分定位 379
第8章 創客實戰：四軸飛行器 381
8.1 你準備好了嗎 ：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 384
8.2.3 四軸飛行器的飛行控制板 385
8.2.4 四軸飛行器電調的選用 386
8.2.5 四軸飛行器的無刷電機和螺旋槳 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 四軸飛行器機架的 3D 打印 389
8.3 三軸陀螺儀和加速度計的入門與調試 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構 393
8.4.2 飛行控制板的制作 395
8.5 遙控開始 ：Android 手機的 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跟蹤算法 400
8.6.2 基于 Mean Shift（均值漂移）的目標跟蹤算法 403
第9章 3D打印之不遠的將來 406
9.1 3D 打印的未來 ：由創客們決定 406
9.1.1 幾乎為零的設計和制造門檻 407
9.1.2 創客成就 3D 打印 407
9.2 手機應用 FabApp、App Store 與智能云網 409
9.3 不再僅僅是看著粗糙小型的 FDM 411
9.4 生物醫療打印 ：越來越近的科幻 412
9.5 美食打印機 ：“吃貨”的錢最好賺 416
9.6 綠色經濟 ：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 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”、版權與社會倫理 427
9.9.1 3D 打印引發社會公共安全的憂慮 427
9.9.2 版權保護的難題 429
9.9.3 社會倫理的思考及技術層面解決 431
9.10 3D 打印 3D 打印機自己 ：遺傳與升級 432
9.11 3D 打印的經濟模式 ：利基與長尾效應 433
9.12 “中國智造”推動“全球第四次工業革命” 436
9.12.1 新工業革命之“永不枯竭的綠色能源” 436
9.12.2 新工業革命之“3D 打印新材料” 437
9.12.3 新工業革命之“先進制造及 3D 打印” 438
9.12.4 新工業革命之“3D 智能數字化創造” 439
第10章 道：數字智能的最優化及相關數學方法 442
10.1 最優化理論的基本常識 443
10.1.1 從凸集和凸函數開始說起 443
10.1.2 無約束優化與約束優化 446
10.1.3 線性規劃與非線性規劃及其對偶（Dual）形式 447
10.1.4 澄清混淆 ：二次規劃、二次收斂、二階收斂 448
10.2 最優化根基之單變量“一維搜索” 449
10.2.1 初始搜索區域的加步探索法（進退法） 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 準則及 Wolfe-Powell 準則 452
10.3 多變量的無約束優化 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 懲罰函數法（外點法、內點法） 466
10.7 最短路徑與動態規劃（Dynamic Programming） 467
10.8 “偶然中的必然”──概率與貝葉斯（Bayes） 468
10.8.1 先驗概率、似然函數、后驗概率、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、最大后驗概率估計、貝葉斯估計、EM 算法 471
10.8.4 貝葉斯學派與頻率學派之爭論 475
參考文獻 477
跋 488
作者簡介 490 |
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