3D列印：三維智慧型數位化創造（第2版）（全彩）:《3D列印：三維智慧型 -百科知識中文網

內容簡介

《經濟學人》等主流媒體稱3D 列印將引發“第三次工業革命”。本書從產業經濟的巨觀視角對3D 列印、3D 智慧型數位化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這五者的關係進行了詳盡討論。

《3D列印：三維智慧型數位化創造（第2版）》從專業技術的角度對3D 列印的原理、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、從無到有地組裝一台3D 印表機等。3D 智慧型數位化是3D 列印的基礎和關鍵，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。《3D列印：三維智慧型數位化創造（第2版）》以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進行了詳細講解。

《3D列印：三維智慧型數位化創造（第2版）》是一本以作者原創觀點為指導，融匯眾多最新思想，詳細講解3D 列印和3D 智慧型數位化技術原理方法，手把手實戰型教學的綜合類技術書籍，對每一個操作步驟都進行了圖文並茂的詳細描述，包括實際運作一家3D 照相館的所有技術細節。本書無論對於國內、國外的廣大普通用戶及技術愛好者，還是高等院校大學生及研究生、學術界、工業界、政府產業經濟決策層，都具有重要的參考價值。

編輯推薦

本書特色：

1. 業內專家王飛躍、黃明明、張正友、楊明玄、楊睿剛、舒暢傾情作序、聯袂力薦。

2. 全面系統地介紹了3D列印與3D智慧型數位化技術

3. 詳細論述了3D列印和人工智慧的現狀和未來

4. 包括3D智慧型數位化理論和方法的最新進展

5. 包含最新創客實踐（組裝3D印表機，開設3D照相館，製作四軸飛行器等）

6. 內容豐富全面、通俗易懂，講解深入淺出、從零起步

精彩節摘

推薦序一

今年（2013年）4月看過吳懷宇博士給《中國科學報》撰寫的關於3D列印的技術評論專欄，感覺寫得十分順暢，現在很高興得知他的《3D列印：三維智慧型數位化創造》一書也即將出版了，更是神速！

3D列印近年來在國內外受到廣泛關注，網路、報刊、媒體上都有鋪天蓋地的密集報導。新聞報導雖然可以及時反映3D列印技術的最新進展，但呈現給普通讀者的觀感難免有些碎片化，不便於獲得系統化的了解和認識，尤其是3D印表機幾乎“無所不能”地被套用到各個領域，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列印：三維智慧型數位化創造》出現得非常及時，是一本很值得讀的書。該書不僅對3D列印的來龍去脈、原理結構、各種工藝方法做了系統的闡述，而且還對3D智慧型數位化的理論方法、套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數位化列印的脈絡框架。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，輔以圖文並茂的形式，使得本書將能夠被廣大普通讀者所接受。

近些年來我也非常關注3D列印和社會製造方面的研究進展，並曾於2012年在《中國科學院院刊》上發表過一篇題為“從社會計算到社會製造：一場即將來臨的產業革命”的文章。借懷宇的新著，我對3D列印和社會製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製造，以3D列印技術為核心手段的加式製造（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。加式製造是相對於減式製造而言的，兩者過去都不是嚴格意義下的製造專業術語。所謂減式製造，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，其特徵為利用縮削、減少材料來生產部件。而近十年來，隨著快速成型、快速製造、3D列印等技術的成熟與普及，加式製造已成為日益風行的製造專業術語。與減式製造相反，加式製造的主要特徵就是利用逐層增加材料的方式生產各種產品，無須模具，因此也被稱為無形製造技術（Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF）。

2012年3月，英國《經濟學人》雜誌以“第三次工業革命”為主題，聲稱3D列印技術即將引發新一輪的“工業革命”浪潮，並認為生產製造將從大型、複雜、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製造，製造過程與管理模式將發生深刻變革，目前的製造格局必將被打破。

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印表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：新的理念是什麼？

我們認為，這一新的理念即便不直接是社會製造，也一定與社會製造直接相關。社會製造可使傳統企業轉變為能夠主動感知並且回響用戶大規模定製需求的智慧型企業，其核心就是主動、實時地將社會需求與社會製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，我們必須把社會搜尋、社會計算、社會製造等相關的新興領域有機地結合起來，將網際網路、物聯網和物流網與3D印表機組成的社會製造網無縫地連線，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製造過程，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伺服器陣列滿足人們信息搜尋的需求，從而改變人類生活與工作方式一樣，我們可以構想未來的3D印表機也將組成大規模的社會製造陣列，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。這就是為什麼3D列印將改變我們的世界，這就是為什麼社會製造將帶來一場產業革命的真正原因。

中國作為今日世界製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”，“未來的製造業將再次回流到先進已開發國家”，“美國製造，出口中國”的新時代即將來臨！就連美國總統歐巴馬也在2013年11月的國情諮詢講話里特別地強調3D列印技術，全美國上下要將其視為拯救美國製造業的希望之光。

參照信息行業的發展歷程，我們認為，快速成型相當於20世紀60年代的專用和大型計算機，3D印表機則相當於20世紀70年代的個人PC和蘋果台式計算機。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，我們必須儘快補上3D列印這一課，但我們切不可忘記信息行業在個人計算機出現之後浪潮般的發展進程：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列印的核心價值將完整體現於社會製造的發展與成熟的過程當中。社會製造對於製造行業而言，就是信息行業中從Microsoft至Amazon再到Google和Twitter的一體化合成，可視為虛擬網路世界與真實物理世界的首次完美結合。因此，在關於3D印表機之大量媒體渲染的背後，社會製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。

在社會製造的環境中，大批3D印表機形成製造網路，並與網際網路、物聯網和物流網無縫連線，形成複雜的社會製造網路系統，實時地滿足人們的各種需求。消費者與企業通過網路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）”，“需求就是搜尋，搜尋就是製造，製造就是消費”將成為現實。因此，社會製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，加速發展社會製造產業，不但能夠解除我國長期在模具和材料工業落後受制於人的不利局面，還可以使我國蓬勃發展的社會媒體和網路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，為社會製造的發展與成功提供有力保障。首先，社會計算為社會製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，社會製造涉及人的行為與需求，對許多問題由於時間、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。最後，社會計算的平行管理與控制為落實社會製造的運營和支持各種決策提供了一個有效的操作平台。

一言蔽之，社會製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製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。由於存在於社會媒體上的大數據具有動態性、多樣性、虛實互動性、複雜性和不確定性等特點，如何計算獲得有用的信息，並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、雲計算的手段，採用機器學習、數據挖掘、模式識別、人工智慧等領域的理論、技術和方法，研發可計算的智慧型社會媒體數據信息處理機制。為此，必須把社會計算和社會製造這兩個密切相關的新興領域有機地結合起來，這將對於提高我國製造業的競爭力、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，加式製造引起了我們的注意，但當時由於專家意見不一致，特別是人力、物力和時間的缺乏，只能將加式製造作為實驗室的一個跟蹤課題予以關注。然而，3D列印技術和社會製造的發展速度卻大大超過我們的預期。很明顯，社會製造是計算機和網際網路引發的信息革命之後的又一場產業革命，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，並更具挑戰性。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衝突。如不認真應對，輕則可能發生西方國家所期望的製造業從中國等開發中國家向已開發國家回流的現象，重則嚴重影響中華民族復興的偉業。

希望像蒸汽機一樣，3D印表機能夠通過社會製造的理念和實踐，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徵的“智業”社會，充分發揮人類共有的智力，使數據真正地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列印是個技術密集型的行業，需要依託包括信息技術、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“中國製造”轉型升級為“中國智造”的過程，並以此推動“全球第三次工業革命”。在此衷心期望各界人士能夠齊心協力、攜手並進，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

複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列印火了。

實際上，作為技術本身，3D列印並不新。30年前，3D列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製造。

成名似乎是在一夜間。2012年，英國著名經濟學雜誌《經濟學人》發表封面文章，聲稱3D列印將引發全球第三次工業革命。2013年，“3D列印”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，為什麼直到30年後的今天才開始引發第三次工業革命呢？

從一位公眾的角度，我也是帶著這個疑問，對全書進行了閱讀，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列印及其未來願景。所謂“第三次工業革命”，其實是“一盤很大的棋”，並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列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，第三次工業革命是以“智慧型數位化製造及新型材料套用”為代表的一個嶄新的時代，其典型特徵概括成一個詞那就是“智慧型數位化”。智慧型數位化技術提高了設計製造工藝的精度和效率；隨著數位化車間乃至數位化工廠的出現，生產系統將向著具有感知、決策、執行能力的智慧型化系統發展。

在這一過程中，製造業原有的發展模式將被改變。3D列印、智慧型數位化、新材料以及機器人技術的發展，將使得製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智慧型數位化利用計算機來智慧型地生成數位化的3D模型，使得低成本的大規模個性化定製成為可能。3D智慧型數位化與3D列印技術的完美結合，讓設計師和工程師從產品製造工藝的束縛中解放出來，更加專注於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巨觀視角和技術方法的微觀視角對3D列印、3D智慧型數位化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這五者的關係進行了翔實的討論，並以此為邏輯主線將各章節貫穿在一起。

而誰又是3D列印直接的推手呢？本書給出了回答——創客（Maker）。

這個名詞在國內目前並不為大家所熟知，但實際上，創客運動在歐美已如火如荼。美國《連線》雜誌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。創客指喜歡動手製作，努力把各種創意轉變為現實產品的人。他們會使用3D印表機、數控機器、電子電路、雷射切割機、3D智慧型數位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印表機RepRap，並把機械設計圖紙、電路圖紙、控制原始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印表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印表機還會這么便宜嗎？為此，將創客運動稱作第三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列印深入淺出，又不失專業性地展示出來。懷宇的這本新書語言易懂、圖文並茂，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、大局巨觀派、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，“上千元買台3D印表機”能被更多的人所接受；也或許，“根據自己的個性化需求列印”遍地開花尚需時日。

但毋庸置疑的是，第三次工業革命已“山雨欲來”，那么中國將在其中扮演一個什麼角色呢？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於3D列印的書寫個序，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列印有緊密聯繫之故。剛好我對3D列印很有興趣，苦於沒有系統跟蹤，就欣然答應。我利用聖誕和元旦假期，對本書原稿從頭到尾讀了一遍。吳博士用筆風趣幽默，對三維智慧型數位化創造充滿激情，對3D列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 列印、三維智慧型數位化、創客、中國智造、全球第三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列印早已從理論變為現實。3D印表機近幾年變得越來越便宜，1000美元就能買到一台三維桌面印表機。微軟推出的Windows 8.1作業系統也開始支持3D列印，其操作簡單，能和列印文本一樣輕鬆實現3D列印。另一方面，除了日常物品，在高端商業物品和部件製造領域，比如燃氣輪機，3D列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列印。

儘管3D列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：列印技術、內容創造和生態系統。

列印技術：從設備角度來看，目前，3D列印是一個添加式製造過程，而傳統製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”，什麼時候能列印出栩栩如生的物件？從軟體支持方面，能否在保質的基礎上自動編輯列印內容以減少耗材？

內容創造：沒有豐富的、吸引人的、有用的3D數位化產品，3D列印不可能產生巨大的消費市場，也就不可能推動全球第三次工業革命。要想使產品設計大眾化，離不開一個簡單易用的三維數位化設計軟體。能否用類似Kinect的感測器，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裡自然直觀地設計產品？能否輕鬆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？這些都有賴於計算機圖形學、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位化及商業行為雲端化，如何保護智慧財產權？如何保護信息安全？如何保護隱私？……這裡既需要政策的支持，也需要研究和創新，還有很多的商業機遇。

本書講3D列印，不光對3D印表機的原理和結構有一個系統的描述，更強調三維智慧型數位化技術對推動全球第三次工業革命的核心作用。只要我們抓住機遇，轉換思維，從傳統製造的束縛中解放出來，學習、研究並牢牢掌握三維智慧型數位化的核心技術，發揮我們的想像力和創造力，在多學科的碰撞中產生靈感和火花，我們一定能超越“中國製造”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 and demonstrated 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 to 3D printing and the involved techniques. The author first gives a thorough review of the latest development 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

Associate Professor, University of Kentucky

3D列印被稱為是第三次工業革命的象徵。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列印的書籍。本書的最大特點，我認為，是它的全面性。它涵蓋了3D列印的全部過程，從列印原理、硬體、數位化造型，到以3D照相為例子的實踐，特別的是它對三維數位化建模軟體的強調。三維數字模型是任何3D列印的源泉，沒有數字模型的3D列印只能是緣木求魚。3D列印硬體對建模軟體的依賴性是被市面上很多3D列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列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列印的基本原理，其中包括硬體的和軟體的。對於已了解基本知識的中級從業者，本書提供了對3D列印硬體和數位化建模軟體的深入分析。在這方面，本書對開發應用程式的3D列印創新者特別有用。另外，本書對各種建模工具和最佳化算法進行了詳細的介紹和分析，這些是開發新的3D列印套用的必備知識。

本書的作者，吳博士，是在三維數位化建模及其在3D列印上套用的專家。他的文風深入淺出、通俗易懂。書中有很多示例並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列印及其套用的人士推薦本書。

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，其最成功的套用集中在信息的處理、儲存和傳遞。這些套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，越來越多的套用已經不局限於從信息到信息，而是將信息用於改變客觀世界以及人與客觀世界的互動。3D列印就是這樣的技術。這樣的技術無疑將會對我們的生活產生更大的影響。

3D列印一反傳統的切削去除材料加工方法，採用增材製造技術，可以加工出任意複雜形狀的物體。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，人工智慧的研究經過幾十年的波折，終於有了新的突破，給3D列印提供了強有力的軟體支持。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製造方式正在形成，並將徹底地改變現有的工業結構。

要想弄懂3D列印的過程並有效地解決實際問題需要掌握硬體和軟體兩方面的知識，而軟體方面所涉及的範圍則尤其廣泛。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並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“三維智慧型數位化”這個關鍵的要素，詳細地介紹了基於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，又有編程和軟體的指導，還有關於具體操作的問題解答。

三維智慧型數位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列印提供了理想的工具。近年來這個處於計算機視覺、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並取得了出色的成績。本書體現了他對這個學科的深入理解。

如果你想了解3D列印並自己動手製作模型，或者你想進一步學習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）

作者簡介

吳懷宇，博士，中國科學院副研究員，任職於中國科學院自動化研究所，模式識別國家重點實驗室（NLPR），中國-歐洲信息、自動化與套用數學聯合實驗室（LIAMA）。主要研究領域包括3D智慧型數位化列印、計算機三維視覺、視覺形狀感知分析與處理、計算機互動式圖形學等。目前擔任多個國際刊物的評審專家和國際程式委員會成員等學術任職，美國電氣與電子工程師學會（IEEE）、美國計算機協會（ACM）會員，ICCV/CVPR/ACCV國際程式委員會委員、程式主席秘書，以及北京市科學技術委員會項目評審專家、國家自然科學基金評審專家。

媒體評論

以3D列印為代表的第三次工業革命，以數位化、人工智慧化製造與新型材料的套用為標誌。

── 英國《經濟學人》

3D列印是第三次工業革命重要環節之一。

── 中國工程院院士徐志磊

在我國，3D列印之所以廣受關注，是因為它與創新緊密相關。

── 中國工程院院士盧秉恆

3D列印是一種變革性的、短流程的、低成本的數位化製造技術。

── 北京航空航天大學教授王華明

中國有望在近年躍升為全球最大的3D列印市場，國內3D列印產值三年或可達百億元。

── 中國3D列印技術產業聯盟秘書長羅軍

3D列印與傳統加工工藝是結合關係。

── 清華大學教授顏永年

3D列印是提升我國創新能力，實現從中國製造走向中國創造的重要途徑。

── 華中科技大學教授史玉升

3D列印將無處不在，並讓每個人都能夠成為創客。

── 3D Systems公司總裁Avi Reichental

廣泛的各個行業都受到3D列印的影響，不僅是傳統的航空、汽車、醫療等行業，同時也包括珠寶、時裝、食品等，還有紡織業，以及生物醫療，比如列印人類的身體組織。

──世界著名3D列印諮詢機構Wohlers主席Terry Wohlers

前言

《詩經小雅鶴鳴》有云：“它山之石，可以攻玉”。本書取名《3D列印：三維智慧型數位化創造》，靈感源自於筆者發表在《光明日報》上的一篇3D列印綜述文章的標題《3D列印：智慧型數位化》。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》的編輯以金剛鑽般的犀利進行了打磨，使3D列印的本質頓時“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列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列印將引發第三次工業革命開始，全世界各類媒體都對3D列印做了大量的跟蹤報導。那么，為什麼歐美這么看好3D列印？3D列印又為什麼會引發一場新工業革命？3D列印不是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範圍內的工業變革？這場變革與我們中國的製造業會有關聯嗎？此外，媒體上經常報導國外“創客”通過3D印表機造出了創意新奇的作品，可當我們也深受鼓舞買回一台，卻會發現3D列印遠沒有2D列印輕鬆，其中最頭疼的事情莫過於要設計和處理所謂的3D數位化模型了。那么，3D數位化和3D列印到底是什麼關係？我們又該如何輕鬆應對呢？

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列印、3D智慧型數位化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這5個關鍵字，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印表機與一般人眼中的2D印表機或一台普通工具機又有什麼差別呢？3D列印無須模具就可加工任意複雜的中空形狀，用戶也無須掌握各種複雜的製造工藝和加工技能，這樣大幅降低了製造業的技術門檻。3D列印的巨大威力雖然源於技術，但其產生的重要影響力卻又遠超於此。

依我看來，歐美現在之所以看好3D列印，主要是希望將製造業回流到歐美，而不是繼續轉移到中國和印度。2007年爆發的全球金融危機，根源在於美國重視房地產、金融、消費等第三產業的發展而將大量的製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列印這種快速成型製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印表機RepRap，並把機械設計圖紙、電路圖紙、智慧型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印表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”、“網路社區智造”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列印的雷射金屬燒結技術也將因專利到期而開源，這將為3D列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於產業鏈低端的“中國製造”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”的核心在於智慧型化和數位化（簡稱“智慧型數位化”），不僅要建立數位化工廠提高各種設計製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、執行能力的智慧型化系統發展，以做大做強“高端製造”。“中國智造”在3D列印產業上的競爭力可以通過發展3D智慧型數位化來提升。實際上，“當今世界是平的”，在經濟全球化的背景下，中國製造業的深度發展離不開全球市場化布局。因此，“中國製造”向“中國智造”轉型升級歷程，實際上也是共同推動和實現“全球第三次工業革命”的過程，並將在其中扮演越來越重要的角色。

具體來說，第三次工業革命是以智慧型數位化製造及新型材料套用為代表的一個嶄新的時代，具體特點可描述為：智慧型數位化、分散式網路化、個性定製化、綠色可持續化，典型特徵為“智慧型數位化”。3D列印、智慧型數位化、新材料以及機器人技術的發展，將極大地改變製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，並將遠離產品千篇一律的大規模製造模式，向更具個性化的定製規模發展。

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巨觀視角對3D列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列印、3D智慧型數位化、創客、中國智造、全球第三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係進行剖析。

3D列印將虛擬的智慧型數位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列印有透徹的了解，我們從專業技術的角度對3D列印的原理結構、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、從無到有地組裝一台3D印表機，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並茂的詳細描述，包括實際運作一家3D照相館的所有技術細節。

3D智慧型數位化是3D列印的“孿生兄弟”，通過利用計算機來智慧型化地設計或獲取一個3D數位化模型，以便輸出到3D印表機。這是本書要討論的重點所在：為了讓用戶“所想即所得”地進行數位化創造，計算機需要知道如何更好地生成形狀，即能夠智慧型地理解用戶的意圖。

我們可以使用智慧型數位化設計軟體，從無到有地設計3D數位化產品。最普通的方法是採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，研究人員於是推出了參數化建模、直接建模工具來減輕設計負擔。更加智慧型化的是編程式設計，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製作蛋糕。編程式智慧型設計可以輕易地在這個蛋糕上繪製幾百萬個規則的精美圖案，而這對於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，還可採用複雜的生長式智慧型系統，即所謂的過程建模。智慧型化達到一定層次後，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，基於算法的智慧型設計軟體能夠根據物理環境（如在月球上）調整建築結構的空間形狀，以此來動態獲得一個最優的設計形狀，從而使建築結構更加穩定。

當然，並非人人都有能力自己設計3D形狀，因此3D智慧型數位化的另外一種方法就是3D掃描（俗稱3D照相），基於計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智慧型系統、光機電一體化控制等技術對現實存在的3D物體進行掃描採集，以獲得逼真的數位化重建。在獲得數位化模型之後，通常還需要進行個性化編輯定製。特別是對於“大批量定製”，如為一萬名用戶列印定製個性化的眼鏡、服裝、帽子、鞋子，則需套用智慧型化數位技術，如採用視覺計算方法，利用攝像頭自動採集、分析提取每位用戶的體貌個性特徵，進行匹配和定位，並自動根據視覺美感進行形狀設計、顏色膚色搭配等，可極大地縮減定製周期。

以開辦一家3D照相館為例，這是3D智慧型數位化的典型案例。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，然後利用數字幾何處理的方法對缺失和噪聲數據進行修補，並拼接得到一個完整的3D模型。其中頭髮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。在輸出列印前，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、形狀最佳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數位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模型的檢索要複雜得多，涉及非結構化數據的特徵提取、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，以至於都不知道每天應該挑選哪些3D模型列印出來。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慧型分析學習的方法，將獲得越來越廣泛的套用。

通過智慧型感知設備，3D印表機還可控制製造的行為，對列印的過程進行實時監控，然後根據反饋信息隨時做出調整。也就是說，這台3D印表機具有學習和控制的能力。將來，通過把人工智慧從計算機拓展到現實世界，還可列印具備感知和學習能力的智慧型物品。此時，3D印表機就是新一代智慧型機器人，它們能設計、製造、修理、回收其他機器，甚至能夠改進和升級機器自身，達到“機器製造機器”的新境界。

可以說，3D智慧型數位化技術是3D列印實現“規模定製”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智慧型數位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列印和3D數位化行業人士，將這些非常專業化的智慧型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印表機，同時也是第三次工業革命的啟蒙者。這是任何一本3D列印書籍都繞不開的話題，因此，我們詳細介紹了創客，並專門開設一章介紹四軸飛行器的DIY製作，以實例的方式講解創客們喜愛做的東西，將3D列印、智慧型數位化技術這些先進的工具融入到創客實踐當中。

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列印與3D智慧型數位化技術原理方法、手把手實戰型教學的綜合類技術書籍，因此無論對於國內還是國外的廣大3D列印愛好者、學術圈、工業界、政府產業經濟決策層均具有重要的參考價值。

另外，本書提供豐富的網路資源下載，其中的內容包括：Ultimaker原理圖紙、3D模型頭髮修復視頻教程、四軸飛行器完整資料。如有需要，讀者可在（博文視點官網）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心和支持我的師長、朋友、同事和學生。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、張雲鐸、國霽、曾楊圓、彭鋒、文雨虹、殷海東。感謝電子工業出版社各位老師的辛勤工作，最後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）的資助。

由於作者水平有限，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，請傳送E-Mail電子郵件告知，以便今後再版時加以修正。

3D列印：三維智慧型數位化創造（第2版）（全彩）

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吳懷宇[中國科學院副研究員]

吳懷宇[吳懷宇（中國科學院）]

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