吴怀宇，博士，中国科学院副研究员，任职于中国科学院自动化研究所，模式识别国家重点实验室（NLPR），中国-欧洲信息、自动化与应用数学联合实验室（LIAMA）。ICCV/CVPR/ACCV国际程序委员会委员、程序主席秘书，以及北京市科学技术委员会项目评审专家、国家自然科学基金评审专家。

第1章　3D打印与“全球第三次工业革命”

1.1 3D打印：体验造物奇迹

1.2 全球第三次工业革命的导火索

1.2.1 从“第一次工业革命”到“第三次工业革命”

1.2.2 3D打印的显著优势

1.2.3 3D打印的应用现状

1.3 对3D打印的质疑

1.3.1 来自传统制造业大佬的质疑：不看好3D打印

1.3.2 关于“3D打印技术的可实现性”释疑

1.3.3 关于“3D打印技术的经济性”释疑

1.3.4 关于“3D打印产业的成长性”释疑

1.4 3D智能数字化与3D打印：用“虚拟”再造“现实”

1.4.1 3D智能数字化设计技术的发展现状

1.4.2 智能数字化扫描技术的发展现状

1.4.3 智能云网：云端智能服务和云制造

1.4.4 3D打印技术的发展现状

1.5 创客DIY：新工业革命的启蒙运动

1.5.1 以小博大：创客挑战巨头公司

1.5.2 聚沙成塔：改变工业社会的组成结构

1.6 “中国制造”向“中国智造”转变的机遇

1.6.1 “中国制造”需转型升级

1.6.2 来自“德国制造”的启示

1.6.3 “中国智造”的发展机遇

第2章　3D打印机的原理与种类

2.1 3D打印时间简史──源自1860

2.2 3D打印机的工作原理和家族

2.2.1 3D打印机的工作原理与流程

2.2.2 FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造）

2.2.3 3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积）

2.2.4 SLS：选择性激光烧结

2.2.5 SLA：光固化立体成型（立体光刻）

2.2.6 PolyJet：多头喷射技术

2.2.7 DLP：数字光处理

2.2.8 LOM：分层实体制造

2.3 塑料还是石膏？3D打印机的各种耗材

2.4 金属3D打印技术大盘点

2.4.1 SLS、SLM和DMLS技术

2.4.2 LCF：激光熔覆成型

2.4.3 LENS/LNSF：激光近净成型

2.4.4 EBM：电子束熔炼

2.4.5 EBDM：电子束直接制造

2.4.6 金属3D打印技术小结

2.5 两大阵营：工业级打印机与桌面级打印机

2.5.1 工业级打印机：两个巨头的主战场

2.5.2 桌面级打印机：创客们的多样世界

2.6 3D打印与传统手办模型制作

2.7 3D打印机购买指南

第3章　剖析3D打印机：轮子是怎样发明的

3.1 RepRap：开源3D打印机的鼻祖和奠基石

3.2 MakerBot与Ultimaker：桌面双雄

3.3 Ultimaker组装实战

3.3.1 Ultimaker新到货开箱照

3.3.2 搭建框架

3.3.3 X/Y/Z轴电机

3.3.4 X/Y轴承

3.3.5 挤出头

3.3.6 Z轴载物平台

3.3.7 送料机

3.3.8 Ultimaker的大脑：电路板

3.3.9 大功告成：一台完整的打印机

3.3.10 Gcode与前台软件Cura使用指南

3.3.11 Ultimaker打印成果实例

3.4 MakerBot Replicator 2与MakerWare打印实战

3.4.1 MakerWare进行切片和打印

3.4.2 ReplicatorG控制前台的设置：双喷头打印双色模型

3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果实例

3.5 用辅助盘（Helper Disks）解决翘边问题

3.6 3D打印疑问与故障排解小贴士

3.6.1 模型的水密性（Watertight）

3.6.2 模型必须为流形（Manifold）

3.6.3 切片（Slice）与横切面

3.6.4 层厚度（Layer Thickness）

3.6.5 支撑材料（Support Material）

3.6.6 如何开始打印

3.6.7 如何调平打印平台（粗调和精调）

3.6.8 如何更换耗材（上料、退料）

3.6.9 我装不了塑料丝

3.6.10 我取不出塑料丝导管

3.6.11 为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝

3.6.12 喷头堵塞，如何处理

3.6.13 挤出的料无法粘牢打印平台

3.6.14 打印出的东西粘不牢平台

3.6.15 喷头位置偏移，挤出头坐标异常

3.6.16 为什么打印的圆是椭圆

3.6.17 电机不转，像得了帕金森症抖个不停

3.6.18 如何让模型表面更光滑

3.6.19 我的打印机需要日常维护吗

3.6.20 异常情况如何中断打印

3.6.21 如何将金属零件放入我的3D塑料模型中

3.6.22 用CNCSimulator进行打印模拟和打印预览

3.6.23 打印失败后是什么样子

第4章　3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟

4.1 不以规矩，不成方圆——STL数字标准文件解析

4.2 3D智能数字化设计技术

4.2.1 “所想即所得”：3D设计的新境界

4.2.2 商业设计软件：3D设计的重型武器（Maya、UG）

4.2.3 杀鸡焉用牛刀：基于网页的设计软件（Tinkercad、3DTin）

4.3 3D智能数字化扫描技术

4.3.1 光学三维扫描仪的原理和实例（激光、结构白光）

4.3.2 基于Kinect的3D扫描原理和设备（红外光斑、ToF）

4.3.3 房地产行业的新应用：室内3D扫描建模

4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能数字化

4.5 智能云网：云端智能服务和云制造

4.6 大数据和深度学习：3D打印内容的挖掘与推荐

4.6.1 什么是大数据

4.6.2 大数据背景下的个性化推荐系统

4.6.3 深度学习：像人脑一样深层次地思考

第5章　3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合

5.1 那些年，我们一起追过的3D照相馆

5.1.1 细数国内外的3D照相馆

5.1.2 3D照相馆的设备及成本

5.1.3 3D照相馆赢利模式的探讨

5.2 3D照相馆的核心技术：3D智能数字化

5.3 基于图像的3D人脸重建技术

5.3.1 基于单张照片的3D人脸重建及立体浮雕

5.3.2 基于多视角照片的3D人脸重建

5.3.3 人是种视觉动物：如何美化你的照片

5.4 Skanect：使用Kinect实现3D扫描

5.5 头发修补：3D照相馆的头痛问题

5.5.1 使用3D-Coat/ ZBrush软件手工修补发型

5.5.2 基于视觉计算自动修补发型

5.5.3 Geomagic Studio：更通用的任意形状修补

5.6 3D人脸表情形变与编辑

5.7 直接全彩打印，还是单色打印再上色

5.8 3D打印数字化设计技巧

5.8.1 3DS Max建模用于3D打印

5.8.2 Netfabb/Magics：修正你的STL打印文件

5.8.3 使用AccuTrans 3D转换3D文件格式

第6章　视觉计算：构建3D打印的杀手级应用

6.1 视觉计算：计算机视觉与计算机图形学的融合

6.2 3D打印“批量定制”的智能实现

6.2.1 个性特征的描述与检测

6.2.2 个性特征的定位与匹配

6.2.3 个性化形状的编辑与合成

6.3 立体视觉重建：将照片转成3D数字模型

6.3.1 摄像机定标

6.3.2 基于立体视觉、SFM和Visual Hull的三维重建

6.4 众里寻她千百度──海量3D模型的检索

6.4.1 线性分类与感知机模型

6.4.2 支持向量机SVM

6.4.3 基于内容的3D模型检索

6.5 形状拆解：大尺寸物件的自动分块打印

6.6 形状分析：优化桌面3D打印机打印精度的表现力

6.7 形状平衡：如何确保3D物件站立稳当

6.8 形状优化：生成坚固的内部轻质结构使得耗材最省

6.9 基于笔画的3D建模：让新手和孩子轻松设计形状

6.9.1 Doodle3D：3D设计就像涂鸦一样简单

6.9.2 Teddy/FiberMesh：更精准的3D笔画建模

6.9.3 3-Sweep技术：轻松让照片中的2D物体变3D模型

6.9.4 “神笔马良”3Doodler：用笔直接画出3D线框实物

6.10 增强现实：在打印之前看到融入环境的真实效果

6.11 OpenCV与OpenGL：视觉计算入门的两大利器

6.11.1 OpenCV与AdaBoost人脸检测

6.11.2 OpenGL与3D图形绘制

第7章　创客：个人3D打印机的创造者

7.1 创客文化与开源DIY

7.2 五花八门的创客杰作：从玩具到高速跑车

7.3 寓教于乐：3D打印出你的个人数学博物馆

7.4 创客之开源硬件Arduino（阿德伟诺）

7.4.1 Arduino简介

7.4.2 初窥Arduino

7.4.3 牛刀小试：叩开Arduino之门

7.5 创客之开源软件Android（安卓）

7.5.1 Android概述

7.5.2 开发平台搭建

7.5.3 Android之旅起航：Hello, Android!

7.6 靠创意去赚钱：漫谈Kickstarter、Quirky与Shapeways

7.6.1 Kickstarter众筹：靠创意去筹资

7.6.2 Quirky创意加工厂：把创意变成产品

7.6.3 Shapeways在线打印：把个性化产品定制出来

7.7 创客中国：中国版乔布斯和比尔"para" label-module="para">

7.7.1 国外创客为什么纷纷青睐中国

7.7.2 创客中国的背景优势

7.7.3 创客中国的市场细分定位

第8章　创客实战：四轴飞行器

8.1 你准备好了吗：自己制作四轴飞行器

8.2 器件与3D打

8.2.1 四轴飞行器DIY所需的器件汇总

8.2.2 四轴飞行器的遥控器和接收机

8.2.3 四轴飞行器的飞行控制板

8.2.4 四轴飞行器电调的选用

8.2.5 四轴飞行器的无刷电机和螺旋桨

8.2.6 四轴飞行器的电池和充电器

8.2.7 四轴飞行器的连接线选用

8.2.8 四轴飞行器机架的3D打印

8.3 三轴陀螺仪和加速度计的入门与调试

8.4 自制基于Arduino的飞控板

8.4.1 四轴飞行器的基本电控结构

8.4.2 飞行控制板的制作

8.5 遥控开始：Android手机的Wi-Fi通信

8.6 四轴飞行器的智能视觉跟踪

8.6.1 基于粒子滤波的目标跟踪算法

8.6.2 基于Mean Shift（均值漂移）的目标跟踪算法

第9章　3D打印之不远的将来

9.1 3D打印的未来：由创客们决定

9.1.1 几乎为零的设计和制造门槛

9.1.2 创客成就3D打印

9.2 手机应用FabApp、App Store与智能云网

9.3 不再仅仅是看着粗糙的FDM

9.4 生物医疗打印：越来越近的科幻

9.5 美食打印机：“吃货”的钱最好赚

9.6 绿色经济：变沙漠为光影城市

9.7 打印房屋：安得广厦千万间

9.8 混合材料制造：3D打印电路

9.9 枪支打印“让子弹飞”、版权与社会伦理

9.9.1 3D打印引发社会公共安全的忧虑

9.9.2 版权保护的难题

9.9.3 社会伦理的思考及技术层面解决

9.10 3D打印3D打印机自己：遗传与升级

9.11 3D打印的经济模式：利基与长尾效应

9.12 “中国智造”推动“全球第三次工业革命”

9.12.1 新工业革命之“永不枯竭的绿色能源”

9.12.2 新工业革命之“3D打印新材料”

9.12.3 新工业革命之“先进制造及3D打印”

9.12.4 新工业革命之“3D智能数字化创造”

第10章　道：数字智能的最优化及相关数学方法

10.1 最优化理论的基本常识

10.1.1 从凸集和凸函数开始说起

10.1.2 无约束优化与约束优化

10.1.3 线性规划与非线性规划及其对偶（Dual）形式

10.1.4 澄清混淆：二次规划、二次收敛、二阶收敛

10.2 最优化根基之单变量“一维搜索”

10.2.1 初始搜索区域的加步探索法（进退法）

10.2.2 黄金分割搜索法（Golden Section Search）

10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜索法

10.2.4 牛顿法、抛物线法

10.2.5 不精确线搜索的Armijo-Goldstein准则及Wolfe-Powell准则

10.3 多变量的无约束优化

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

10.3.2 牛顿法（Newton）

10.3.3 拟牛顿法（Quasi-Newton）：DFP和BFGS方法

10.3.4 共轭方向法（Conjugate Direction）

10.3.5 共轭梯度法（Conjugate Gradient）

10.3.6 Powell直接法

10.4 最优化根基之“信赖域”

10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法

10.4.2 详解L-M方法的求解过程与步骤

10.5 最小二乘问题的求解

10.5.1 线性最小二乘问题的求解（正规化方法、QR分解、SVD分解）

10.5.2 非线性最小二乘问题（Gauss-Newton方法）

10.6 约束优化问题的求解

10.6.1 等式约束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier）

10.6.2 不等式约束的KKT（KT）条件

10.6.3 惩罚函数法（外点法、内点法）

10.7 最短路径与动态规划（Dynamic Programming）

10.8 “偶然中的必然”──概率与贝叶斯（Bayes）

10.8.1 先验概率、似然函数、后验概率、贝叶斯公式

10.8.2 朴素（Na"_blank" href="/item/贝叶斯分类/4950736" data-lemmaid="4950736">贝叶斯分类

10.8.3 最大似然估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计

10.8.4 贝叶斯学派与频率学派之争论

参考文献

后记

作者简介

本书包含最新创客实践：组装3D打印机，开设3D照相馆，制作四轴飞行器......

拥有众多读者群体：操作实战派、技术方法派、商业运作派、大局宏观派、学院理论派......

操作实战派：面向所有对3D打印感兴趣的读者，包括3D打印操作、3D智能数字化扫描、建模、网格处理（适合章节：除了第10章之外的所有章节）

技术方法派：面向IT软件算法开发人员，包括计算机视觉、3D计算机图形学、模式识别的技术和方法（适合章节：所有章节）

商业运作派：面向准备投资3D行业的人士，包括如何运转一个3D照相馆、3D食品打印、教育服务行业的3D打印、创客新产品发明（适合章节：除了第3、6、10章之外的所有章节）

大局宏观派：面向省市级政府宏观经济政策制定人员，包括3D打印、3D智能数字化的发展现状，未来经济模式展望和预测（适合章节：第1、2、4、5、7、9章）

学院理论派：面向3D打印科研人员和3D智能数字化算法研究人员、高年级本科生和研究生，包括3D打印的原理工艺、3D智能数字化的理论方法、最优化理论及概率数学方法（适合章节：除了第8章之外的所有章节）

《经济学人》等主流媒体称 3D打印将引发“第三次工业革命”。本书从产业经济的宏观视角对 3D打印、 3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命这五者的关系进行了详尽讨论。

D打印：三维智能数字化创造（全彩）》从专业技术的角度对 3D打印的原理、结构和工艺方法做了详细介绍，包括 10多种典型成型工艺的优劣分析和比较，手把手、从无到有地组装一台 3D打印机等。 3D智能数字化是 3D打印的基础和关键，涉及 3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别、机器学习等领域。本书以通俗易懂、娓娓道来的方式对它们进行了详细讲解。

《3D打印：三维智能数字化创造（全彩）》是一本以作者原创观点为指导，融汇众多最新思想，详细讲解 3D打印和 3D智能数字化技术原理方法，手把手实战型教学的综合类技术书籍，对每一个操作步骤都进行了图文并茂的详细描述，包括实际运作一家 3D照相馆的所有技术细节。《3D打印：三维智能数字化创造（全彩）》无论对于国内、国外的广大普通用户及技术爱好者，还是高等院校大学生及研究生、学术界、工业界、政府产业经济决策层，都具有重要的参考价值。

书名：3D打印：三维智能数字化创造（全彩）（全球第一本系统阐述3D打印与3D智能数字化的专业著作）

作者：吴怀宇 编

ISBN： 978-7-121-22063-0

出版时间：2014年1月出版

定价：99.00元

页数：428页

开本：16开

以3D打印为代表的第三次工业革命，以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。

── 英国《经济学人》

3D打印是第三次工业革命重要环节之一。

── 中国工程院院士徐志磊

在我国，3D打印之所以广受关注，是因为它与创新紧密相关。

── 中国工程院院士卢秉恒

3D打印是一种变革性的、短流程的、低成本的数字化制造技术。

── 北京航空航天大学教授王华明

中国有望在近年跃升为全球最大的3D打印市场，国内3D打印产值三年或可达百亿元。

── 中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军

3D打印与传统加工工艺是结合关系。

── 清华大学教授颜永年

3D打印是提升我国创新能力，实现从中国制造走向中国创造的重要途径。

── 华中科技大学教授史玉升

3D打印将无处不在，并让每个人都能够成为创客。

── 3D Systems公司总裁Avi Reichental

广泛的各个行业都受到3D打印的影响，不仅是传统的航空、汽车、医疗等行业，同时也包括珠宝、时装、食品等，还有纺织业，以及生物医疗，比如打印人类的身体组织。

──世界著名3D打印咨询机构Wohlers主席Terry Wohlers

《诗经·小雅·鹤鸣》有云：“它山之石，可以攻玉”。本书取名《3D打印：三维智能数字化创造》，灵感源自于笔者发表在《光明日报》上的一篇3D打印综述文章的标题《3D打印：智能数字化》。其实笔者最初提交的是一个又长又绕口的题目，非常感谢《光明日报》的编辑以金刚钻般的犀利进行了打磨，使3D打印的本质顿时“彰明较著”，也让我那篇文章的条理和纹路立刻清晰了许多！所以本书也受此启发，起了一个相似的名字。

相信大多数读者在拿起这本书的时候，对3D打印或多或少已有耳闻。确实，自从《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等欧美主流媒体声称3D打印将引发第三次工业革命开始，全世界各类媒体都对3D打印做了大量的跟踪报道。那么，为什么欧美这么看好3D打印？3D打印又为什么会引发一场新工业革命？3D打印不是30年前就有了吗？那时只是一种快速成型工具而已，难道一种“新瓶装旧酒”的工具就会引发一场全球范围内的工业变革？这场变革与我们中国的制造业会有关联吗？此外，媒体上经常报道国外“创客”通过3D打印机造出了创意新奇的作品，可当我们也深受鼓舞买回一台，却会发现3D打印远没有2D打印轻松，其中最头疼的事情莫过于要设计和处理所谓的3D数字化模型了。那么，3D数字化和3D打印到底是什么关系？我们又该如何轻松应对呢？

以上这些最基本的问题，实际上已经引出了多个主题，归纳一下：有3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命这5个关键词，而且都互有关联。忽略掉其中任何一个，都无法完整地回答读者的上述诸多问题。这是摆在本书面前的一个艰巨的任务。倘若选择性忽略，只讨论其中的某一个或几个方面，则3D打印机与一般人眼中的2D打印机或一台普通机床又有什么差别呢？3D打印无须模具就可加工任意复杂的中空形状，用户也无须掌握各种复杂的制造工艺和加工技能，这样大幅降低了制造业的技术门槛。3D打印的巨大威力虽然源于技术，但其产生的重要影响力却又远超于此。

依我看来，2007年爆发的全球金融危机，根源在于美国重视房地产、金融、消费等第三产业的发展而将大量的制造业外包给了其他国家，导致自身产业空心化问题日益严重。3D打印这种快速成型制造技术最近几年的突然火爆，有一个重要原因和转折点，那就是2008年创客们发布了第一款完全开源的个人3D打印机RepRap，并把机械设计图纸、电路图纸、智能控制代码无偿放到了网上供人免费下载。几年下来，变得大众化，由此掀起了“个人智造”、“家庭智造”、“网络社区智造”的热潮。欧美正是希望借创客运动和“全民智造”的东风，激发国民的创造精神，上下齐心来实现这次战略大转移。2014年1月，3D打印的激光金属烧结技术也将因专利到期而开源，这将为3D打印的发展注入更大活力。

与此同时，我国政府也非常渴望将原本处于产业链低端的“中国制造”转型为“中国智造”，从加工组装环节升级到上游的设计研发环节。“中国智造”的核心在于智能化和数字化（简称“智能数字化”），不仅要建立数字化工厂提高各种设计制造工艺的精度和效率，同时要使生产系统向着具有感知、决策、执行能力的智能化系统发展，以做大做强“高端制造”。“中国智造”在3D打印产业上的竞争力可以通过发展3D智能数字化来提升。实际上，“当今世界是平的”，在经济全球化的背景下，中国制造业的深度发展离不开全球市场化布局。因此，“中国制造”向“中国智造”转型升级历程，实际上也是共同推动和实现“全球第三次工业革命”的过程，并将在其中扮演越来越重要的角色。

具体来说，第三次工业革命是以智能数字化制造及新型材料应用为代表的一个崭新的时代，具体特点可描述为：智能数字化、分布式网络化、个性定制化、绿色可持续化，典型特征为“智能数字化”。3D打印、智能数字化、新材料以及机器人技术的发展，将极大地改变制造业原有的投入模式，使得依靠较少的自然资源和人力资源投入，就能取得良好的经济效益，并将远离产品千篇一律的大规模制造模式，向更具个性化的定制规模发展。

以上就是全书的基本思路和逻辑线索。下面，具体介绍一下本书的主要内容。

本书首先从产业经济的宏观视角对3D打印的发展现状和未来进行了详尽的讨论。为了能使读者对3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命之间的内在紧密关联有比较深入的理解，我们对这五者的相互作用和关系进行剖析。

3D打印将虚拟的智能数字化技术与实实在在的工业产品桥接在一起，跨越了虚拟的比特世界和实体的原子世界之间的鸿沟。为了让读者对3D打印有透彻的了解，我们从专业技术的角度对3D打印的原理结构、成型工艺和实际操作进行了详细介绍，包括对10多种典型的成型工艺进行优劣分析和比较，乃至手把手地、从无到有地组装一台3D打印机，以便让大家看得清清楚楚、明明白白。本书对每一个操作步骤都进行了图文并茂的详细描述，包括实际运作一家3D照相馆的所有技术细节。

3D智能数字化是3D打印的“孪生兄弟”，通过利用计算机来智能化地设计或获取一个3D数字化模型，以便输出到3D打印机。这是本书要讨论的重点所在：为了让用户“所想即所得”地进行数字化创造，计算机需要知道如何更好地生成形状，即能够智能地理解用户的意图。

我们可以使用智能数字化设计软件，从无到有地设计3D数字化产品。最普通的方法是采用传统的建模工具进行实体建模和曲面建模。而手工建模是一件比较烦琐、费时的工作，研究人员于是推出了参数化建模、直接建模工具来减轻设计负担。更加智能化的是编程式设计，计算机把形状的设计过程描述成一系列有特定顺序的操作步骤，有点像按照食谱而不是最终的外观来制作蛋糕。编程式智能设计可以轻易地在这个蛋糕上绘制几百万个规则的精美图案，而这对于手工设计来说犹如噩梦。

为了生成更加丰富多变的个性图案，还可采用复杂的生长式智能系统，即所谓的过程建模。智能化达到一定层次后，更可让设计的形状根据未知环境实时调整，适应各种物理和美学约束条件。比如，基于算法的智能设计软件能够根据物理环境（如在月球上）调整建筑结构的空间形状，以此来动态获得一个最优的设计形状，从而使建筑结构更加稳定。

当然，并非人人都有能力自己设计3D形状，因此3D智能数字化的另外一种方法就是3D扫描（俗称3D照相），基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建。在获得数字化模型之后，通常还需要进行个性化编辑定制。特别是对于“大批量定制”，如为一万名用户打印定制个性化的眼镜、服装、帽子、鞋子，则需应用智能化数字技术，如采用视觉计算方法，利用摄像头自动采集、分析提取每位用户的体貌个性特征，进行匹配和定位，并自动根据视觉美感进行形状设计、颜色肤色搭配等，可极大地缩减定制周期。

以开办一家3D照相馆为例，这是3D智能数字化的典型案例。首先需要对人体进行3D扫描或根据多视角照片进行立体重建，然后利用数字几何处理的方法对缺失和噪声数据进行修补，并拼接得到一个完整的3D模型。其中头发的快速修复就是一个值得研究的课题，涉及视觉计算技术。此外，用户很可能还希望对3D人体形状或表情进行美化、编辑、修改、迁移等，这涉及图形图像、模式识别、机器学习等多个领域。在输出打印前，还涉及形状的自平衡处理、形状分析以提高表现力、大尺寸形状的自动分块、形状优化生成轻质结构以节省耗材、利用增强现实预览融入环境的效果等。

不像MP3那样可以通过歌名与歌手名这些结构化的文本信息来定位，3D模型的检索要复杂得多，涉及非结构化数据的特征提取、相似度度量以及分类算法的设计。更让人头疼的是，在这个大数据时代，我们将被信息的海洋淹没而变得迷失，以至于都不知道每天应该挑选哪些3D模型打印出来。这时，通过对大数据的挖掘，个性化推荐系统可以对你的个性偏好进行分析，把你可能会感兴趣的3D模型推荐给你。其中，深度学习这种模拟人类大脑进行智能分析学习的方法，将获得越来越广泛的应用。

通过智能感知设备，3D打印机还可控制制造的行为，对打印的过程进行实时监控，然后根据反馈信息随时做出调整。也就是说，这台3D打印机具有学习和控制的能力。将来，通过把人工智能从计算机拓展到现实世界，还可打印具备感知和学习能力的智能物品。此时，3D打印机就是新一代智能机器人，它们能设计、制造、修理、回收其他机器，甚至能够改进和升级机器自身，达到“机器制造机器”的新境界。

可以说，3D智能数字化技术是3D打印实现“规模定制”的基础和关键所在。因此，本书详细讨论了上面提到的各种3D智能数字化理论及其实现方法（如MVS、SVM、AAM、AdaBoost、粒子滤波、Mean Shift、Visual Hull、深度学习），涉及3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别、机器学习。我们面向3D打印和3D数字化行业人士，将这些非常专业化的智能算法理论以通俗易懂的方式娓娓道来，这也是本书的一大特色。

“创客”不仅创造了个人3D打印机，同时也是第三次工业革命的启蒙者。这是任何一本3D打印书籍都绕不开的话题，因此，我们详细介绍了创客，并专门开设一章介绍四轴飞行器的DIY制作，以实例的方式讲解创客们喜爱做的东西，将3D打印、智能数字化技术这些先进的工具融入到创客实践当中。

综上，本书是一本以最新视角阐述新工业经济发展趋势、详细讲解3D打印与3D智能数字化技术原理方法、手把手实战型教学的综合类技术书籍，因此无论对于国内还是国外的广大3D打印爱好者、学术圈、工业界、政府产业经济决策层均具有重要的参考价值。

另外，本书提供丰富的网络资源下载，其中的内容包括：Ultimaker原理图纸、3D模型头发修复视频教程、四轴飞行器完整资料。如有需要，读者可在博文视点官网和作者主页下载。

凭一己之力是无法完成本书的，在此要衷心感谢多年来一直关心和支持我的师长、朋友、同事和学生。本书在写作过程中得到了汪凌峰博士、王颖博士、刘利刚教授、吴毅红研究员、邓小明副研究员、汪国平教授、唐俊副教授、王俊、王润元、张华、隋伟、赵松、沙金正、李成华、吴挺的帮助和支持。此外，参与编写工作的还有李青、王博洋、刘庆芳、刘孟起、吴炳根、丁根秀、文桂绣、魏淑芹、张云铎、国霁、曾杨圆、彭锋、文雨虹、殷海东。感谢电子工业出版社各位老师的辛勤工作，最后特别感谢永远关爱着我的家人。

本书的编写工作得到了国家自然科学基金（No. 61272049）、北京市自然科学基金（No. 4132075）的资助。

由于作者水平有限，书中难免存在纰漏，欢迎广大读者批评指正。在阅读过程中，如果发现问题，请发送E-Mail电子邮件告知，以便今后再版时加以修正。2100433B

《经济学人》等主流媒体称3D 打印将引发新一轮工业革命。《3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)》从产业经济的宏观视角对3D 打印、3D 智能数字化、创客、中国智造、全球第四次工业革命这五者的关系进行了详尽讨论。

《3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)》从专业技术的角度对3D 打印的原理、结构和工艺方法做了详细介绍，包括十多种典型成型工艺的优劣分析和比较，手把手、从无到有地组装一台3D 打印机等。3D 智能数字化是3D 打印的基础和关键，涉及3D 计算机图形学、计算机视觉、模式识别、机器学习等领域。《3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)》以通俗易懂、娓娓道来的方式对它们进行了详细讲解。

《3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)》是一本以作者原创观点为指导，融汇众多最新思想，详细讲解3D 打印和3D 智能数字化技术原理方法，手把手实战型教学的综合类技术书籍，对每一个操作步骤都进行了图文并茂的详细描述，包括实际运作一家3D 照相馆的所有技术细节。《3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)》无论对国内、国外的广大普通用户及技术爱好者，还是高等院校大学生及研究生，学术界、工业界、政府产业经济决策层，都具有重要的参考价值。

第1章 3D打印与“全球第四次工业革命” 1

1.1 3D 打印 ：体验造物奇迹 1

1.2 全球第四次工业革命的导火索 11

1.2.1 从“第一次工业革命”到“第四次工业革命” 11

1.2.2 3D 打印的显著优势 12

1.2.3 3D 打印的应用现状 14

1.3 对 3D 打印的质疑 16

1.3.1 来自传统制造业大佬的质疑 ：不看好 3D 打印 16

1.3.2 关于“3D 打印技术的可实现性”释疑 17

1.3.3 关于“3D 打印技术的经济性”释疑 17

1.3.4 关于“3D 打印产业的成长性”释疑 19

1.4 3D 智能数字化与 3D 打印 ：用“虚拟”再造“现实” 20

1.4.1 3D 智能数字化设计技术的发展现状 21

1.4.2 智能数字化扫描技术的发展现状 22

1.4.3 智能云网 ：云端智能服务和云制造 23

1.4.4 3D 打印技术的发展现状 24

1.5 创客 DIY ：新工业革命的启蒙运动 26

1.5.1 以小博大 ：创客挑战巨头公司 27

1.5.2 聚沙成塔 ：改变工业社会的组成结构 28

1.6 “中国制造”向“中国智造”转变的机遇 29

1.6.1 “中国制造”须转型升级 29

1.6.2 来自“德国制造”的启示 30

1.6.3 “中国智造”的发展机遇 31

第2章 3D打印机的原理与种类 37

2.1 3D 打印时间简史──源自 1860 年 37

2.2 3D 打印机的工作原理和家族 41

2.2.1 3D 打印机的工作原理与流程 41

2.2.2 FDM ：熔融沉积成型（FFF ：熔丝制造） 42

2.2.3 3DP ：三维打印黏结成型（喷墨沉积） 44

2.2.4 SLS ：选择性激光烧结 46

2.2.5 SLA ：光固化立体成型（立体光刻） 48

2.2.6 PolyJet ：多头喷射技术（Material Jetting ：材料喷射） 50

2.2.7 DLP ：数字光处理 51

2.2.8 LOM ：分层实体制造 53

2.3 塑料还是石膏？ 3D 打印机的各种耗材 55

2.3.1 ABS ：应用最广泛的工程塑料 56

2.3.2 EP（弹性塑料） 57

2.3.3 PA（尼龙） 57

2.3.4 PC（聚碳酸酯） 58

2.3.5 PEEK（聚醚醚酮） 58

2.3.6 PPSF（聚纤维酯） 59

2.3.7 PLA ：绿色环保的生物塑料 59

2.3.8 PETG（共聚酯） 60

2.3.9 PCL（聚己内酯） 61

2.3.10 光敏树脂 ：精细成型的液态材料 62

2.3.11 金属材料 ：不锈钢、钛合金、镁铝合金、金银 62

2.3.12 更多 3D 打印材料 ：石膏、蜡、陶瓷、木质 65

2.4 金属 3D 打印技术大盘点 72

2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技术 72

2.4.2 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF ：激光近净成型 76

2.4.3 EBM ：电子束熔炼 78

2.4.4 EBDM ：电子束直接制造 80

2.4.5 金属 3D 打印技术小结 80

2.5 两大阵营 ：工业级打印机与桌面级打印机 81

2.5.1 工业级打印机 ：两个巨头的主战场 82

2.5.2 桌面级打印机 ：创客们的多样世界 87

2.6 3D 打印与传统手办模型制作 92

2.7 3D 打印机购买指南 93

第3章 剖析3D打印机：轮子是怎样发明的 98

3.1 RepRap ：开源 3D 打印机的鼻祖和奠基石 98

3.2 MakerBot 与 Ultimaker ：桌面双雄 99

3.3 Ultimaker 组装实战 101

3.3.1 Ultimaker 新到货开箱照 102

3.3.2 搭建框架 102

3.3.3 X/Y/Z 轴电机 105

3.3.4 X/Y 轴承 107

3.3.5 挤出头 109

3.3.6 Z 轴载物平台 112

3.3.7 送料机 116

3.3.8 Ultimaker 的大脑 ：电路板 117

3.3.9 大功告成 ：一台完整的打印机 121

3.3.10 Gcode 与前台软件 Cura 使用指南 123

3.3.11 Ultimaker 打印成果实例 128

3.4 MakerBot Replicator 2 与 MakerWare 打印实战 129

3.4.1 MakerWare 进行切片和打印 129

3.4.2 ReplicatorG 控制前台的设置 ：双喷头打印双色模型 135

3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果实例 137

3.5 3D 打印疑问与故障排解小贴士 138

3.5.1 模型的水密性（Watertight） 138

3.5.2 模型必须为流形（Manifold） 139

3.5.3 切片（Slice）与横切面 140

3.5.4 层厚度（Layer Thickness） 140

3.5.5 支撑材料（Support Material） 140

3.5.6 如何开始打印 141

3.5.7 如何调平打印平台（粗调和精调） 141

3.5.8 如何更换耗材（上料、退料） 142

3.5.9 我装不了塑料丝 142

3.5.10 我取不出塑料丝导管 142

3.5.11 为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝 142

3.5.12 喷头堵塞，如何处理 143

3.5.13 挤出的料无法粘牢打印平台 143

3.5.14 打印出的东西粘不牢平台 143

3.5.15 用辅助盘（Helper Disk）解决翘边问题 143

3.5.16 喷头位置偏移，挤出头坐标异常 144

3.5.17 为什么打印的圆是椭圆 145

3.5.18 电机不转，像得了帕金森症抖个不停 145

3.5.19 为需要连接的零件选择合适的容许公差 145

3.5.20 我的打印机需要日常维护吗 145

3.5.21 异常情况如何中断打印 145

3.5.22 如何将金属零件放入我的 3D 塑料模型中 146

3.5.23 用 CNCSimulator 进行打印模拟和打印预览 146

3.5.24 打印失败后是什么样子 146

3.6 如何设计和设置一台高精度的 3D 打印机 147

3.6.1 影响打印精度的软硬件因素 147

3.6.2 如何让模型表面看起来更光滑 150

第4章 3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟 153

4.1 不以规矩，不成方圆——STL 数字标准文件解析 153

4.2 3D 智能数字化设计技术 156

4.2.1 “所想即所得”：3D 设计的新境界 156

4.2.2 商业设计软件 ：3D 设计的重型武器（Maya、UG） 161

4.2.3 杀鸡焉用牛刀 ：基于网页的设计软件（Tinkercad、3DTin） 167

4.3 3D 智能数字化扫描技术 169

4.3.1 光学三维扫描仪的原理和实例（激光、结构白光） 172

4.3.2 基于 Kinect 的 3D 扫描原理和设备（红外光斑、ToF） 177

4.3.3 房地产行业的新应用 ：室内 3D 扫描建模 183

4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能数字化 184

4.5 智能云网 ：云端智能服务和云制造 185

4.6 大数据和深度学习 ：3D 打印内容的挖掘与推荐 186

4.6.1 什么是大数据 187

4.6.2 大数据背景下的个性化推荐系统 189

4.6.3 深度学习 ：像人脑一样深层次地思考 192

第5章 3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合 200

5.1 那些年，我们一起追过的 3D 照相馆 201

5.1.1 细数国内外的 3D 照相馆 201

5.1.2 3D 照相馆的设备及成本 202

5.1.3 3D 照相馆赢利模式的探讨 205

5.2 3D 照相馆的核心技术 ：3D 智能数字化 206

5.3 基于图像的 3D 人脸重建技术 209

5.3.1 基于单张照片的 3D 人脸重建及立体浮雕 210

5.3.2 基于多视角照片的 3D 人脸重建 213

5.3.3 人是一种视觉动物 ：如何美化你的照片 219

5.4 Skanect ：使用 Kinect 实现 3D 扫描 223

5.5 头发修补 ：3D 照相馆的头痛问题 225

5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 软件手工修补发型 226

5.5.2 基于视觉计算自动修补发型 230

5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形状修补 234

5.6 3D 人脸表情形变与编辑 241

5.7 直接全彩打印，还是单色打印再上色 245

5.8 3D 打印数字化设计技巧 247

5.8.1 3DS Max 建模用于 3D 打印 247

5.8.2 Rhino（犀牛软件）进行 3D 复杂曲面建模 251

5.8.3 SketchUp 进行草图 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 转换 3D 文件格式 262

第6章 视觉计算：构建3D打印的杀手级应用 264

6.1 视觉计算 ：计算机视觉与计算机图形学的融合 264

6.2 3D 打印“批量定制”的智能实现 266

6.2.1 个性特征的描述与检测 267

6.2.2 个性特征的定位与匹配 271

6.2.3 个性化形状的编辑与合成 276

6.3 立体视觉重建 ：将照片转成 3D 数字模型 281

6.3.1 摄像机定标 281

6.3.2 基于立体视觉、SFM 和 Visual Hull 的三维重建 288

6.4 众里寻她千百度──海量 3D 模型的形状检索 291

6.4.1 线性分类与感知机模型 291

6.4.2 支持向量机 SVM 与逻辑回归 LR 294

6.4.3 基于内容的 3D 模型检索 297

6.5 形状拆解 ：大尺寸物件的自动分块打印 301

6.6 形状分析 ：优化 3D 打印形状的表现力 303

6.7 形状平衡 ：如何确保 3D 物件站立稳当 309

6.8 形状优化 ：生成坚固的内部轻质结构使得耗材最省 311

6.9 基于笔画的 3D 建模 ：让新手和孩子轻松设计形状 315

6.9.1 Doodle3D ：3D 设计就像涂鸦一样简单 316

6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精准的 3D 笔画建模 318

6.9.3 3-Sweep 技术 ：轻松让照片中的 2D 物体变 3D 模型 319

6.9.4 “神笔马良”3Doodler ：用笔直接画出 3D 线框实物 321

6.10 增强现实 ：在打印之前看到融入环境的真实效果 322

6.11 3D 网格上的艺术──数字几何处理 323

6.11.1 3D 模型的获取、配准与重建 324

6.11.2 3D 网格的几何拓扑修复 325

6.11.3 3D 网格平滑与去噪 326

6.11.4 重网格化和子分网格 329

6.11.5 3D 网格压缩 330

6.11.6 3D 网格分割 331

6.11.7 3D 网格的参数化 332

6.11.8 3D 网格的交叉参数化（一致对应） 335

6.11.9 3D 网格形变、编辑与动画 336

6.11.10 3D 数据重定向技术 337

6.11.11 数字几何处理框架 338

6.12 OpenCV 与 OpenGL ：视觉计算入门的两大利器 339

6.12.1 OpenCV 与 AdaBoost 人脸检测 339

6.12.2 OpenGL 与 3D 图形绘制 344

6.12.3 再论 ：向量 / 矩阵、欧拉角与四元数（Quaternion） 348

第7章 创客：个人3D打印机的创造者 353

7.1 创客文化与开源 DIY 353

7.2 五花八门的创客杰作 ：从玩具到高速跑车 355

7.3 寓教于乐 ：3D 打印出你的个人数学博物馆 359

7.4 创客之开源硬件 Arduino（阿德伟诺） 363

7.4.1 Arduino 简介 363

7.4.2 初窥 Arduino 364

7.4.3 牛刀小试 ：叩开 Arduino 之门 366

7.5 创客之开源软件 Android（安卓） 367

7.5.1 Android 概述 367

7.5.2 开发平台搭建 368

7.5.3 Android 之旅起航 ：Hello, Android! 370

7.6 靠创意去赚钱 ：漫谈 Kickstarter、Quirky 与 Shapeways 373

7.6.1 Kickstarter 众筹 ：靠创意去筹资 373

7.6.2 Quirky 创意加工厂 ：把创意变成产品 375

7.6.3 Shapeways 在线打印 ：把个性化产品定制出来 377

7.7 创客中国 ：中国版乔布斯和比尔 · 盖茨的诞生地 378

7.7.1 国外创客为什么纷纷青睐中国 378

7.7.2 创客中国的背景优势 379

7.7.3 创客中国的市场细分定位 379

第8章 创客实战：四轴飞行器 381

8.1 你准备好了吗 ：自己制作四轴飞行器 381

8.2 器件与 3D 打印 382

8.2.1 四轴飞行器 DIY 所需的器件汇总 383

8.2.2 四轴飞行器的遥控器和接收机 384

8.2.3 四轴飞行器的飞行控制板 385

8.2.4 四轴飞行器电调的选用 386

8.2.5 四轴飞行器的无刷电机和螺旋桨 387

8.2.6 四轴飞行器的电池和充电器 388

8.2.7 四轴飞行器的连接线选用 389

8.2.8 四轴飞行器机架的 3D 打印 389

8.3 三轴陀螺仪和加速度计的入门与调试 390

8.4 自制基于 Arduino 的飞控板 393

8.4.1 四轴飞行器的基本电控结构 393

8.4.2 飞行控制板的制作 395

8.5 遥控开始 ：Android 手机的 Wi-Fi 通信 397

8.6 四轴飞行器的智能视觉跟踪 399

8.6.1 基于粒子滤波的目标跟踪算法 400

8.6.2 基于 Mean Shift（均值漂移）的目标跟踪算法 403

第9章 3D打印之不远的将来 406

9.1 3D 打印的未来 ：由创客们决定 406

9.1.1 几乎为零的设计和制造门槛 407

9.1.2 创客成就 3D 打印 407

9.2 手机应用 FabApp、App Store 与智能云网 409

9.3 不再仅仅是看着粗糙小型的 FDM 411

9.4 生物医疗打印 ：越来越近的科幻 412

9.5 美食打印机 ：“吃货”的钱最好赚 416

9.6 绿色经济 ：变沙漠为光影城市 419

9.7 安得广厦千万间 ：3D 打印房屋与陶瓷打印机 420

9.8 混合材料制造 ：3D 打印电路 424

9.9 枪支打印“让子弹飞”、版权与社会伦理 427

9.9.1 3D 打印引发社会公共安全的忧虑 427

9.9.2 版权保护的难题 429

9.9.3 社会伦理的思考及技术层面解决 431

9.10 3D 打印 3D 打印机自己 ：遗传与升级 432

9.11 3D 打印的经济模式 ：利基与长尾效应 433

9.12 “中国智造”推动“全球第四次工业革命” 436

9.12.1 新工业革命之“永不枯竭的绿色能源” 436

9.12.2 新工业革命之“3D 打印新材料” 437

9.12.3 新工业革命之“先进制造及 3D 打印” 438

9.12.4 新工业革命之“3D 智能数字化创造” 439

第10章 道：数字智能的最优化及相关数学方法 442

10.1 最优化理论的基本常识 443

10.1.1 从凸集和凸函数开始说起 443

10.1.2 无约束优化与约束优化 446

10.1.3 线性规划与非线性规划及其对偶（Dual）形式 447

10.1.4 澄清混淆 ：二次规划、二次收敛、二阶收敛 448

10.2 最优化根基之单变量“一维搜索” 449

10.2.1 初始搜索区域的加步探索法（进退法） 449

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

10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜索法 451

10.2.4 牛顿法、抛物线法 451

10.2.5 不精确线搜索的 Armijo-Goldstein 准则及 Wolfe-Powell 准则 452

10.3 多变量的无约束优化 455

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

10.3.2 牛顿法（Newton） 455

10.3.3 拟牛顿法（Quasi-Newton）：DFP 和 BFGS 方法 456

10.3.4 共轭方向法（Conjugate Direction） 458

10.3.5 共轭梯度法（Conjugate Gradient） 459

10.3.6 Powell 直接法 459

10.4 最优化根基之“信赖域”460

10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法 461

10.4.2 详解 L-M 方法的求解过程与步骤 462

10.5 最小二乘问题的求解 .462

10.5.1 线性最小二乘问题的求解（正规化方法、QR 分解、SVD 分解） 463

10.5.2 非线性最小二乘问题（Gauss-Newton 方法） 464

10.6 约束优化问题的求解 .464

10.6.1 等式约束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier） 464

10.6.2 不等式约束的 KKT（KT）条件 .465

10.6.3 惩罚函数法（外点法、内点法） 466

10.7 最短路径与动态规划（Dynamic Programming） 467

10.8 “偶然中的必然”──概率与贝叶斯（Bayes） 468

10.8.1 先验概率、似然函数、后验概率、贝叶斯公式 468

10.8.2 朴素（Naïve）贝叶斯分类 469

10.8.3 最大似然估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计、EM 算法 471

10.8.4 贝叶斯学派与频率学派之争论 475

参考文献 477

跋 488

作者简介 490 2100433B

适读人群 ：本书适合从事产品设计的设计师、设计专业的学生及所有对智能产品感兴趣的人士阅读。

2017年被称为智能应用元年，亦是人工智能发展的拐点。如何设计智能产品呢"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]