內容提要
《經濟學人》等主流媒體稱3D 列印將引發新一輪工業革命。《3D列印：三維智慧型數位化創造（第3版）(全彩)》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、全球第四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3版）(全彩)》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，包括十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3版）(全彩)》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3版）(全彩)》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。《3D列印：三維智慧型數位化創造（第3版）(全彩)》無論對國內、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。
目錄
第1章 3D列印與“全球第四次工業革命” 1
1.1 3D 列印 ：體驗造物奇蹟 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 列印的顯著優勢 12
1.2.3 3D 列印的套用現狀 14
1.3 對 3D 列印的質疑 16
1.3.1 來自傳統製造業大佬的質疑 ：不看好 3D 列印 16
1.3.2 關於“3D 列印技術的可實現性”釋疑 17
1.3.3 關於“3D 列印技術的經濟性”釋疑 17
1.3.4 關於“3D 列印產業的成長性”釋疑 19
1.4 3D 智慧型數位化與 3D 列印 ：用“虛擬”再造“現實” 20
1.4.1 3D 智慧型數位化設計技術的發展現狀 21
1.4.2 智慧型數位化掃描技術的發展現狀 22
1.4.3 智慧型雲網 ：雲端智慧型服務和雲製造 23
1.4.4 3D 列印技術的發展現狀 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 “中國製造”向“中國智造”轉變的機遇 29
1.6.1 “中國製造”須轉型升級 29
1.6.2 來自“德國製造”的啟示 30
1.6.3 “中國智造”的發展機遇 31
第2章 3D印表機的原理與種類 37
2.1 3D 列印時間簡史──源自 1860 年 37
2.2 3D 印表機的工作原理和家族 41
2.2.1 3D 印表機的工作原理與流程 41
2.2.2 FDM ：熔融沉積成型（FFF ：熔絲製造） 42
2.2.3 3DP ：三維列印黏結成型（噴墨沉積） 44
2.2.4 SLS ：選擇性雷射燒結 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 ：分層實體製造 53
2.3 塑膠還是石膏？ 3D 印表機的各種耗材 55
2.3.1 ABS ：套用最廣泛的工程塑膠 56
2.3.2 EP（彈性塑膠） 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 ：綠色環保的生物塑膠 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 ：不鏽鋼、鈦合金、鎂鋁合金、金銀 62
2.3.12 更多 3D 列印材料 ：石膏、蠟、陶瓷、木質 65
2.4 金屬 3D 列印技術大盤點 72
2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技術 72
2.4.2 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF ：雷射近淨成型 76
2.4.3 EBM ：電子束熔煉 78
2.4.4 EBDM ：電子束直接製造 80
2.4.5 金屬 3D 列印技術小結 80
2.5 兩大陣營 ：工業級印表機與桌面級印表機 81
2.5.1 工業級印表機 ：兩個巨頭的主戰場 82
2.5.2 桌面級印表機 ：創客們的多樣世界 87
2.6 3D 列印與傳統手辦模型製作 92
2.7 3D 印表機購買指南 93
第3章 剖析3D印表機：輪子是怎樣發明的 98
3.1 RepRap ：開源 3D 印表機的鼻祖和奠基石 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 軸載物平台 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 ：一台完整的印表機 121
3.3.10 Gcode 與前台軟體 Cura 使用指南 123
3.3.11 Ultimaker 列印成果實例 128
3.4 MakerBot Replicator 2 與 MakerWare 列印實戰 129
3.4.1 MakerWare 進行切片和列印 129
3.4.2 ReplicatorG 控制前台的設定 ：雙噴頭列印雙色模型 135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 列印成果實例 137
3.5 3D 列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 如何開始列印 141
3.5.7 如何調平列印平台（粗調和精調） 141
3.5.8 如何更換耗材（上料、退料） 142
3.5.9 我裝不了塑膠絲 142
3.5.10 我取不出塑膠絲導管 142
3.5.11 為什麼我的送料機挖坑，但就是不吐絲 142
3.5.12 噴頭堵塞，如何處理 143
3.5.13 擠出的料無法粘牢列印平台 143
3.5.14 列印出的東西粘不牢平台 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 為什麼列印的圓是橢圓 145
3.5.18 電機不轉，像得了帕金森症抖個不停 145
3.5.19 為需要連線的零件選擇合適的容許公差 145
3.5.20 我的印表機需要日常維護嗎 145
3.5.21 異常情況如何中斷列印 145
3.5.22 如何將金屬零件放入我的 3D 塑膠模型中 146
3.5.23 用 CNCSimulator 進行列印模擬和列印預覽 146
3.5.24 列印失敗後是什麼樣子 146
3.6 如何設計和設定一台高精度的 3D 印表機 147
3.6.1 影響列印精度的軟硬體因素 147
3.6.2 如何讓模型表面看起來更光滑 150
第4章 3D智慧型數位化：3D列印的孿生兄弟 153
4.1 不以規矩，不成方圓——STL 數字標準檔案解析 153
4.2 3D 智慧型數位化設計技術 156
4.2.1 “所想即所得”：3D 設計的新境界 156
4.2.2 商業設計軟體 ：3D 設計的重型武器（Maya、UG） 161
4.2.3 殺雞焉用牛刀 ：基於網頁的設計軟體（Tinkercad、3DTin） 167
4.3 3D 智慧型數位化掃描技術 169
4.3.1 光學三維掃瞄器的原理和實例（雷射、結構白光） 172
4.3.2 基於 Kinect 的 3D 掃描原理和設備（紅外光斑、ToF） 177
4.3.3 房地產行業的新套用 ：室內 3D 掃描建模 183
4.4 面向“批量定製”和“柔性製造”的智慧型數位化 184
4.5 智慧型雲網 ：雲端智慧型服務和雲製造 185
4.6 大數據和深度學習 ：3D 列印內容的挖掘與推薦 186
4.6.1 什麼是大數據 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智慧型數位化與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 智慧型數位化 206
5.3 基於圖像的 3D 人臉重建技術 209
5.3.1 基於單張照片的 3D 人臉重建及立體浮雕 210
5.3.2 基於多視角照片的 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 頭髮修補 ：3D 照相館的頭痛問題 225
5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 軟體手工修補髮型 226
5.5.2 基於視覺計算自動修補髮型 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 直接全彩列印，還是單色列印再上色 245
5.8 3D 列印數位化設計技巧 247
5.8.1 3DS Max 建模用於 3D 列印 247
5.8.2 Rhino（犀牛軟體）進行 3D 複雜曲面建模 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 列印檔案 259
5.8.5 使用 AccuTrans 3D 轉換 3D 檔案格式 262
第6章 視覺計算：構建3D列印的殺手級套用 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 列印“批量定製”的智慧型實現 266
6.2.1 個性特徵的描述與檢測 267
6.2.2 個性特徵的定位與匹配 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 基於立體視覺、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 基於內容的 3D 模型檢索 297
6.5 形狀拆解 ：大尺寸物件的自動分塊列印 301
6.6 形狀分析 ：最佳化 3D 列印形狀的表現力 303
6.7 形狀平衡 ：如何確保 3D 物件站立穩當 309
6.8 形狀最佳化 ：生成堅固的內部輕質結構使得耗材最省 311
6.9 基於筆畫的 3D 建模 ：讓新手和孩子輕鬆設計形狀 315
6.9.1 Doodle3D ：3D 設計就像塗鴉一樣簡單 316
6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精準的 3D 筆畫建模 318
6.9.3 3-Sweep 技術 ：輕鬆讓照片中的 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 ：在列印之前看到融入環境的真實效果 322
6.11 3D 格線上的藝術──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 格線的幾何拓撲修復 325
6.11.3 3D 格線平滑與去噪 326
6.11.4 重格線化和子分格線 329
6.11.5 3D 格線壓縮 330
6.11.6 3D 格線分割 331
6.11.7 3D 格線的參數化 332
6.11.8 3D 格線的交叉參數化（一致對應） 335
6.11.9 3D 格線形變、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 圖形繪製 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印表機的創造者 353
7.1 創客文化與開源 DIY 353
7.2 五花八門的創客傑作 ：從玩具到高速跑車 355
7.3 寓教於樂 ：3D 列印出你的個人數學博物館 359
7.4 創客之開源硬體 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 創客之開源軟體 Android（安卓） 367
7.5.1 Android 概述 367
7.5.2 開發平台搭建 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 線上列印 ：把個性化產品定製出來 377
7.7 創客中國 ：中國版賈伯斯和比爾 · 蓋茨的誕生地 378
7.7.1 國外創客為什麼紛紛青睞中國 378
7.7.2 創客中國的背景優勢 379
7.7.3 創客中國的市場區隔定位 379
第8章 創客實戰：四軸飛行器 381
8.1 你準備好了嗎 ：自己製作四軸飛行器 381
8.2 器件與 3D 列印 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 四軸飛行器的連線線選用 389
8.2.8 四軸飛行器機架的 3D 列印 389
8.3 三軸陀螺儀和加速度計的入門與調試 390
8.4 自製基於 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 飛行控制板的製作 395
8.5 遙控開始 ：Android 手機的 Wi-Fi 通信 397
8.6 四軸飛行器的智慧型視覺跟蹤 399
8.6.1 基於粒子濾波的目標跟蹤算法 400
8.6.2 基於 Mean Shift（均值漂移）的目標跟蹤算法 403
第9章 3D列印之不遠的將來 406
9.1 3D 列印的未來 ：由創客們決定 406
9.1.1 幾乎為零的設計和製造門檻 407
9.1.2 創客成就 3D 列印 407
9.2 手機套用 FabApp、App Store 與智慧型雲網 409
9.3 不再僅僅是看著粗糙小型的 FDM 411
9.4 生物醫療列印 ：越來越近的科幻 412
9.5 美食印表機 ：“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 列印房屋與陶瓷印表機 420
9.8 混合材料製造 ：3D 列印電路 424
9.9 槍枝列印“讓子彈飛”、著作權與社會倫理 427
9.9.1 3D 列印引發社會公共安全的憂慮 427
9.9.2 著作權保護的難題 429
9.9.3 社會倫理的思考及技術層面解決 431
9.10 3D 列印 3D 印表機自己 ：遺傳與升級 432
9.11 3D 列印的經濟模式 ：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 列印新材料” 437
9.12.3 新工業革命之“先進制造及 3D 列印” 438
9.12.4 新工業革命之“3D 智慧型數位化創造” 439
第10章 道：數字智慧型的最最佳化及相關數學方法 442
10.1 最最佳化理論的基本常識 443
10.1.1 從凸集和凸函式開始說起 443
10.1.2 無約束最佳化與約束最佳化 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 最最佳化根基之單變數“一維搜尋” 449
10.2.1 初始搜尋區域的加步探索法（進退法） 449
10.2.2 黃金分割搜尋法（Golden Section Search） 450
10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜尋法 451
10.2.4 牛頓法、拋物線法 451
10.2.5 不精確線搜尋的 Armijo-Goldstein 準則及 Wolfe-Powell 準則 452
10.3 多變數的無約束最佳化 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 最最佳化根基之“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 約束最佳化問題的求解 .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 懲罰函式法（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”──機率與貝葉斯（Bayes） 468
10.8.1 先驗機率、似然函式、後驗機率、貝葉斯公式 468
10.8.2 樸素（Naïve）貝葉斯分類 469
10.8.3 最大似然估計、最大後驗機率估計、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
