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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 Replicator2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LR294

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DIY353

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Arduino364

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Shapeways373

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FDM411

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（Na？ve）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