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第1章 3D打印与“全球第三次工业革命”1

1.1 3D打印：体验造物奇迹1

1.2 全球第三次工业革命的导火索10

1.2.1 从“第一次工业革命”到“第三次工业革命”10

1.2.2 3D打印的显著优势11

1.2.3 3D打印的应用现状13

1.3 对3D打印的质疑15

1.3.1 来自传统制造业大佬的质疑：不看好3D打印15

1.3.2 关于“3D打印技术的可实现性”释疑16

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18

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20

1.4.2 智能数字化扫描技术的发展现状21

1.4.3 智能云网：云端智能服务和云制造22

1.4.4 3D打印技术的发展现状23

1.5 创客DIY：新工业革命的启蒙运动25

1.5.1 以小博大：创客挑战巨头公司26

1.5.2 聚沙成塔：改变工业社会的组成结构27

1.6 “中国制造”向“中国智造”转变的机遇28

1.6.1 “中国制造”需转型升级28

1.6.2 来自“德国制造”的启示29

1.6.3 “中国智造”的发展机遇30

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186037

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45

2.2.5 SLA：光固化立体成型（立体光刻）47

2.2.6 PolyJet：多头喷射技术（Material Jetting：材料喷射）49

2.2.7 DLP：数字光处理50

2.2.8 LOM：分层实体制造51

2.3 塑料还是石膏？3D打印机的各种耗材53

2.4 金属3D打印技术大盘点59

2.4.1 SLS、 SLM和DMLS技术60

2.4.2 LEN S/LNSF/LPF/DMD/LC/DLF：激光近净成型63

2.4.3 EBM：电子束熔炼64

2.4.4 EBDM：电子束直接制造65

2.4.5 金属3D打印技术小结66

2.5 两大阵营：工业级打印机与桌面级打印机67

2.5.1 工业级打印机：两个巨头的主战场67

2.5.2 桌面级打印机：创客们的多样世界73

2.6 3D打印与传统手办模型制作78

2.7 3D打印机购买指南80

第3章 剖析3D打印机：轮子是怎样发明的83

3.1 RepRap：开源3D打印机的鼻祖和奠基石83

3.2 MakerBot与Ultimaker：桌面双雄84

3.3 Ultimaker组装实战86

3.3.1 Ultimaker新到货开箱照87

3.3.2 搭建框架87

3.3.3 X/Y/Z轴电机90

3.3.4 X/Y轴承92

3.3.5 挤出头94

3.3.6 Z轴载物平台98

3.3.7 送料机101

3.3.8 Ultimaker的大脑：电路板103

3.3.9 大功告成：一台完整的打印机106

3.3.10 Gcode与前台软件Cura使用指南108

3.3.11 Ultimaker打印成果实例113

3.4 MakerBot Replicator 2与MakerWare打印实战114

3.4.1 MakerWare进行切片和打印114

3.4.2 ReplicatorG控制前台的设置：双喷头打印双色模型120

3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果实例122

3.5 3D打印疑问与故障排解小贴士123

3.5.1 模型的水密性（Watertight）123

3.5.2 模型必须为流形（Manifold）123

3.5.3 切片（Slice）与横切面125

3.5.4 层厚度（Layer Thickness）125

3.5.5 支撑材料（Support Material）125

3.5.6 如何开始打印125

3.5.7 如何调平打印平台（粗调和精调）126

3.5.8 如何更换耗材（上料、退料）126

3.5.9 我装不了塑料丝126

3.5.10 我取不出塑料丝导管127

3.5.11 为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝127

3.5.12 喷头堵塞，如何处理127

3.5.13 挤出的料无法粘牢打印平台127

3.5.14 打印出的东西粘不牢平台127

3.5.15 用辅助盘（Helper Disks）解决翘边问题128

3.5.16 喷头位置偏移，挤出头坐标异常129

3.5.17 为什么打印的圆是椭圆129

3.5.18 电机不转，像得了帕金森症抖个不停129

3.5.19 为需要连接的零件选择合适的容许公差129

3.5.20 如何让模型表面更光滑129

3.5.21 我的打印机需要日常维护吗130

3.5.22 异常情况如何中断打印130

3.5.23 如何将金属零件放入我的3D塑料模型中130

3.5.24 用CNCSimulator进行打印模拟和打印预览131

3.5.25 打印失败后是什么样子131

第4章 3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟133

4.1 不以规矩，不成方圆——STL数字标准文件解析133

4.2 3D智能数字化设计技术136

4.2.1 所想即所得”：3D设计的新境界136

4.2.2 商业设计软件：3D设计的重型武器（Maya、 UG）140

4.2.3 杀鸡焉用牛刀：基于网页的设计软件（Tinkercad、 3DTin）146

4.3 3D智能数字化扫描技术148

4.3.1 光学三维扫描仪的原理和实例（激光、结构白光）151

4.3.2 基于Kinect的3D扫描原理和设备（红外光斑、To F）156

4.3.3 房地产行业的新应用：室内3D扫描建模162

4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能数字化163

4.5 智能云网：云端智能服务和云制造165

4.6 大数据和深度学习：3D打印内容的挖掘与推荐166

4.6.1 什么是大数据166

4.6.2 大数据背景下的个性化推荐系统168

4.6.3 深度学习：像人脑一样深层次地思考171

第5章 3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合177

5.1 那些年，我们一起追过的3D照相馆178

5.1.1 细数国内外的3D照相馆178

5.1.2 3D照相馆的设备及成本180

5.1.3 3D照相馆赢利模式的探讨182

5.2 3D照相馆的核心技术：3D智能数字化183

5.3 基于图像的3D人脸重建技术186

5.3.1 基于单张照片的3D人脸重建及立体浮雕187

5.3.2 基于多视角照片的3D人脸重建189

5.3.3 人是种视觉动物：如何美化你的照片194

5.4 Skanect：使用Kinect实现3D扫描198

5.5 头发修补：3D照相馆的头痛问题201

5.5.1 使用3D-Coat/ ZBrush软件手工修补发型201

5.5.2 基于视觉计算自动修补发型206

5.5.3 Geomagic Studio：更通用的任意形状修补209

5.6 3D人脸表情形变与编辑216

5.7 直接全彩打印，还是单色打印再上色220

5.8 3D打印数字化设计技巧222

5.8.1 3DS Max建模用于3D打印222

5.8.2 Netfabb/Magics：修正你的STL打印文件226

5.8.3 使用AccuTrans 3D转换3D文件格式229

第6章 视觉计算：构建3D打印的杀手级应用230

6.1 视觉计算：计算机视觉与计算机图形学的融合230

6.2 3D打印“批量定制”的智能实现232

6.2.1 个性特征的描述与检测233

6.2.2 个性特征的定位与匹配237

6.2.3 个性化形状的编辑与合成242

6.3 立体视觉重建：将照片转成3D数字模型247

6.3.1 摄像机定标247

6.3.2 基于立体视觉、SFM和VisualHull的三维重建254

6.4 众里寻她千百度——海量3D模型的检索257

6.4.1 线性分类与感知机模型257

6.4.2 支持向量机SVM与逻辑回归LR260

6.4.3 基于内容的3D模型检索263

6.5 形状拆解：大尺寸物件的自动分块打印267

6.6 形状分析：优化桌面3D打印机打印精度的表现力269

6.7 形状平衡：如何确保3D物件站立稳当271

6.8 形状优化：生成坚固的内部轻质结构使得耗材最省274

6.9 基于笔画的3D建模：让新手和孩子轻松设计形状277

6.9.1 Doodle3D：3D设计就像涂鸦一样简单278

6.9.2 Teddy/FiberMesh：更精准的3D笔画建模279

6.9.3 3-Sweep技术：轻松让照片中的2D物体变3D模型280

6.9.4 “神笔马良”3Doodler：用笔直接画出3D线框实物282

6.10 增强现实：在打印之前看到融入环境的真实效果283

6.11 OpenCV与OpenGL：视觉计算入门的两大利器284

6.11.1 OpenCV与AdaBoost人脸检测285

6.11.2 OpenGL与3D图形绘制290

第7章 创客：个人3D打印机的创造者295

7.1 创客文化与开源DIY295

7.2 五花八门的创客杰作：从玩具到高速跑车297

7.3 寓教于乐：3D打印出你的个人数学博物馆301

7.4 创客之开源硬件Arduino（阿德伟诺）305

7.4.1 Arduino简介305

7.4.2 初窥Arduino306

7.4.3 牛刀小试：叩开Arduino之门308

7.5 创客之开源软件Android（安卓）310

7.5.1 Android概述310

7.5.2 开发平台搭建311

7.5.3 Android之旅起航：Hello，Android！312

7.6 靠创意去赚钱：漫谈Kickstarter、Quirky与Shapeways316

7.6.1 Kickstarter众筹：靠创意去筹资316

7.6.2 Quirky创意加工厂：把创意变成产品317

7.6.3 Shapeways在线打印：把个性化产品定制出来319

7.7 创客中国：中国版乔布斯和比尔·盖茨的诞生地320

7.7.1 国外创客为什么纷纷青睐中国320

7.7.2 创客中国的背景优势321

7.7.3 创客中国的市场细分定位321

第8章 创客实战：四轴飞行器323

8.1 你准备好了吗：自己制作四轴飞行器323

8.2 器件与3D打印324

8.2.1 四轴飞行器DIY所需的器件汇总325

8.2.2 四轴飞行器的遥控器和接收机326

8.2.3 四轴飞行器的飞行控制板327

8.2.4 四轴飞行器电调的选用328

8.2.5 四轴飞行器的无刷电机和螺旋桨329

8.2.6 四轴飞行器的电池和充电器330

8.2.7 四轴飞行器的连接线选用331

8.2.8 四轴飞行器机架的3D打印331

8.3 三轴陀螺仪和加速度计的入门与调试332

8.4 自制基于Arduino的飞控板335

8.4.1 四轴飞行器的基本电控结构335

8.4.2 飞行控制板的制作337

8.5 遥控开始：Android手机的Wi-Fi通信339

8.6 四轴飞行器的智能视觉跟踪341

8.6.1 基于粒子滤波的目标跟踪算法342

8.6.2 基于Mean Shift（均值漂移）的目标跟踪算法345

第9章 3D打印之不远的将来348

9.1 3D打印的未来：由创客们决定348

9.1.1 几乎为零的设计和制造门槛349

9.1.2 创客成就3D打印349

9.2 手机应用FabApp、App Store与智能云网351

9.3 不再仅仅是看着粗糙的FDM352

9.4 生物医疗打印：越来越近的科幻353

9.5 美食打印机：“吃货”的钱最好赚356

9.6 绿色经济：变沙漠为光影城市359

9.7 打印房屋：安得广厦千万间361

9.8 混合材料制造：3D打印电路363

9.9 枪支打印“让子弹飞”、版权与社会伦理365

9.9.1 3D打印引发社会公共安全的忧虑365

9.9.2 版权保护的难题367

9.9.3 社会伦理的思考及技术层面解决369

9.10 3D打印3D打印机自己：遗传与升级370

9.11 3D打印的经济模式：利基与长尾效应371

9.12 “中国智造”推动“全球第三次工业革命”374

9.12.1 新工业革命之“永不枯竭的绿色能源”374

9.12.2 新工业革命之“3D打印新材料”375

9.12.3 新工业革命之“先进制造及3D打印”376

9.12.4 新工业革命之“3D智能数字化创造”377

第10章 道：数字智能的最优化及相关数学方法379

10.1 最优化理论的基本常识380

10.1.1 从凸集和凸函数开始说起380

10.1.2 无约束优化与约束优化383

10.1.3 线性规划与非线性规划及其对偶（Dual）形式383

10.1.4 澄清混淆：二次规划、二次收敛、二阶收敛385

10.2 最优化根基之单变量“一维搜索”385

10.2.1 初始搜索区域的加步探索法（进退法）386

10.2.2 黄金分割搜索法（Golden Section Search）386

10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜索法387

10.2.4 牛顿法、抛物线法388

10.2.5 不精确线搜索的Armijo-Goldstein准则及Wolfe-Powell准则389

10.3 多变量的无约束优化391

10.3.1 最速下降法（Steepest Descent，梯度下降法Gradient Descent）391

10.3.2 牛顿法（Newton）392

10.3.3 拟牛顿法（Quasi-Newton）：DFP和BFGS方法393

10.3.4 共轭方向法（Conjugate Direction）394

10.3.5 共轭梯度法（Conjugate Gradient）395

10.3.6 Powell直接法396

10.4 最优化根基之“信赖域”396

10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法398

10.4.2 详解L-M方法的求解过程与步骤398

10.5 最小二乘问题的求解399

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）399

10.5.2 非线性最小二乘问题（Gauss-Newton方法）400

10.6 约束优化问题的求解401

10.6.1 等式约束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier）401

10.6.2 不等式约束的KKT（KT）条件401

10.6.3 惩罚函数法（外点法、内点法）402

10.7 最短路径与动态规划（Dynamic Programming）403

10.8 “偶然中的必然”——概率与贝叶斯（Bayes）404

10.8.1 先验概率、似然函数、后验概率、贝叶斯公式404

10.8.2 朴素（Naive）贝叶斯分类405

10.8.3 最大似然估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计407

10.8.4 贝叶斯学派与频率学派之争论410

参考文献412

后记416

作者简介418