3D列印：三維智慧數字化創造（全綵）

3D列印：三維智慧數字化創造（全綵）（全球第一本系統闡述3D列印與3D智慧數字化的專業著作）

吳懷宇 編  

ISBN 978-7-121-22063-0

2014年1月出版

定價：99.00元

428頁

16開

編輯推薦

本書包含最新創客實踐：組裝3D印表機，開設3D照相館，製作四軸飛行器......

擁有眾多讀者群體：操作實戰派、技術方法派、商業運作派、大局宏觀派、學院理論派......

操作實戰派：面向所有對3D列印感興趣的讀者，包括3D列印操作、3D智慧數字化掃描、建模、網格處理（適合章節：除了第10章之外的所有章節）

技術方法派：面向IT軟體演算法開發人員，包括計算機視覺、3D計算機圖形學、模式識別的技術和方法（適合章節：所有章節）

商業運作派：面向準備投資3D行業的人士，包括如何運轉一個3D照相館、3D食品列印、教育服務行業的3D列印、創客新產品發明（適合章節：除了第3、6、10章之外的所有章節）

大局宏觀派：面向省市級政府宏觀經濟政策制定人員，包括3D列印、3D智慧數字化的發展現狀，未來經濟模式展望和預測（適合章節：第1、2、4、5、7、9章）

學院理論派：面向3D列印科研人員和3D智慧數字化演算法研究人員、高年級本科生和研究生，包括3D列印的原理工藝、3D智慧數字化的理論方法、最最佳化理論及機率數學方法（適合章節：除了第8章之外的所有章節）

內容提要

《經濟學人》等主流媒體稱 3D列印將引發“第三次工業革命”。本書從產業經濟的宏觀視角對 3D列印、 3D智慧數字化、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：三維智慧數字化創造（全綵）》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、從無到有地組裝一臺 3D印表機等。 3D智慧數字化是 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。本書以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進行了詳細講解。

《3D列印：三維智慧數字化創造（全綵）》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智慧數字化技術原理方法，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：三維智慧數字化創造（全綵）》無論對於國內、國外的廣大普通使用者及技術愛好者，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“全球第三次工業革命”

1.1 3D列印：體驗造物奇蹟

1.2 全球第三次工業革命的導火索

1.2.1 從“第一次工業革命”到“第三次工業革命”

1.2.2 3D列印的顯著優勢

1.2.3 3D列印的應用現狀

1.3 對3D列印的質疑

1.3.1 來自傳統制造業大佬的質疑：不看好3D列印

1.3.2 關於“3D列印技術的可實現性”釋疑

1.3.3 關於“3D列印技術的經濟性”釋疑

1.3.4 關於“3D列印產業的成長性”釋疑

1.4 3D智慧數字化與3D列印：用“虛擬”再造“現實”

1.4.1 3D智慧數字化設計技術的發展現狀

1.4.2 智慧數字化掃描技術的發展現狀

1.4.3 智慧雲網：雲端智慧服務和雲製造

1.4.4 3D列印技術的發展現狀

1.5 創客DIY：新工業革命的啟蒙運動

1.5.1 以小博大：創客挑戰巨頭公司

1.5.2 聚沙成塔：改變工業社會的組成結構

1.6 “中國製造”向“中國智造”轉變的機遇

1.6.1 “中國製造”需轉型升級

1.6.2 來自“德國製造”的啟示

1.6.3 “中國智造”的發展機遇

 

第2章 3D印表機的原理與種類

2.1 3D列印時間簡史──源自

2.2 3D印表機的工作原理和家族

2.2.1 3D印表機的工作原理與流程

2.2.2 FDM：熔融沉積成型（FFF：熔絲製造）

2.2.3 3DP：三維列印黏結成型（噴墨沉積）

2.2.4 SLS：選擇性鐳射燒結

2.2.5 SLA：光固化立體成型（立體光刻）

2.2.6 PolyJet：多頭噴射技術

2.2.7 DLP：數字光處理

2.2.8 LOM：分層實體制造

2.3 塑膠還是石膏？3D印表機的各種耗材

2.4 金屬3D列印技術大盤點

2.4.1 SLS、SLM和DMLS技術

2.4.2 LCF：鐳射熔覆成型

2.4.3 LENS/LNSF：鐳射近淨成型

2.4.4 EBM：電子束熔鍊

2.4.5 EBDM：電子束直接製造

2.4.6 金屬3D列印技術小結

2.5 兩大陣營：工業級印表機與桌面級印表機

2.5.1 工業級印表機：兩個巨頭的主戰場

2.5.2 桌面級印表機：創客們的多樣世界

2.6 3D列印與傳統手辦模型製作

2.7 3D印表機購買指南

 

第3章 剖析3D印表機：輪子是怎樣發明的

3.1 RepRap：開源3D印表機的鼻祖和奠基石

3.2 MakerBot與Ultimaker：桌面雙雄

3.3 Ultimaker組裝實戰

3.3.1 Ultimaker新到貨開箱照

3.3.2 搭建框架

3.3.3 X/Y/Z軸電機

3.3.4 X/Y軸承

3.3.5 擠出頭

3.3.6 Z軸載物平臺

3.3.7 送料機

3.3.8 Ultimaker的大腦：電路板

3.3.9 大功告成：一臺完整的印表機

3.3.10 Gcode與前臺軟體Cura使用指南

3.3.11 Ultimaker列印成果例項

3.4 MakerBot Replicator 2與MakerWare列印實戰

3.4.1 MakerWare進行切片和列印

3.4.2 ReplicatorG控制前臺的設定：雙噴頭列印雙色模型

3.4.3 MakerBot Replicator 2列印成果例項

3.5 用輔助盤（Helper Disks）解決翹邊問題

3.6 3D列印疑問與故障排解小貼士

3.6.1 模型的水密性（Watertight）

3.6.2 模型必須為流形（Manifold）

3.6.3 切片（Slice）與橫切面

3.6.4 層厚度（Layer Thickness）

3.6.5 支撐材料（Support Material）

3.6.6 如何開始列印

3.6.7 如何調平列印平臺（粗調和精調）

3.6.8 如何更換耗材（上料、退料）

3.6.9 我裝不了塑膠絲

3.6.10 我取不出塑膠絲導管

3.6.11 為什麼我的送料機挖坑，但就是不吐絲

3.6.12 噴頭堵塞，如何處理

3.6.13 擠出的料無法粘牢列印平臺

3.6.14 列印出的東西粘不牢平臺

3.6.15 噴頭位置偏移，擠出頭座標異常

3.6.16 為什麼列印的圓是橢圓

3.6.17 電機不轉，像得了帕金森症抖個不停

3.6.18 如何讓模型表面更光滑

3.6.19 我的印表機需要日常維護嗎

3.6.20 異常情況如何中斷列印

3.6.21 如何將金屬零件放入我的3D塑膠模型中

3.6.22 用CNCSimulator進行列印模擬和列印預覽

3.6.23 列印失敗後是什麼樣子

 

第4章 3D智慧數字化：3D列印的孿生兄弟

4.1 不以規矩，不成方圓——STL數字標準檔案解析

4.2 3D智慧數字化設計技術

4.2.1 “所想即所得”：3D設計的新境界

4.2.2 商業設計軟體：3D設計的重型武器（Maya、UG）

4.2.3 殺雞焉用牛刀：基於網頁的設計軟體（Tinkercad、3DTin）

4.3 3D智慧數字化掃描技術

4.3.1 光學三維掃描器的原理和例項（鐳射、結構白光）

4.3.2 基於Kinect的3D掃描原理和裝置（紅外光斑、ToF）

4.3.3 房地產行業的新應用：室內3D掃描建模

4.4 面向“批次定製”和“柔性製造”的智慧數字化

4.5 智慧雲網：雲端智慧服務和雲製造

4.6 大資料和深度學習：3D列印內容的挖掘與推薦

4.6.1 什麼是大資料

4.6.2 大資料背景下的個性化推薦系統

4.6.3 深度學習：像人腦一樣深層次地思考

 

第5章 3D智慧數字化與3D照相館：科學與藝術的結合

5.1 那些年，我們一起追過的3D照相館

5.1.1 細數國內外的3D照相館

5.1.2 3D照相館的裝置及成本

5.1.3 3D照相館贏利模式的探討

5.2 3D照相館的核心技術：3D智慧數字化

5.3 基於影像的3D人臉重建技術

5.3.1 基於單張照片的3D人臉重建及立體浮雕

5.3.2 基於多視角照片的3D人臉重建

5.3.3 人是種視覺動物：如何美化你的照片

5.4 Skanect：使用Kinect實現3D掃描

5.5 頭髮修補：3D照相館的頭痛問題

5.5.1 使用3D-Coat/ ZBrush軟體手工修補髮型

5.5.2 基於視覺計算自動修補髮型

5.5.3 Geomagic Studio：更通用的任意形狀修補

5.6 3D人臉表情形變與編輯

5.7 直接全綵列印，還是單色列印再上色

5.8 3D列印數字化設計技巧

5.8.1 3DS Max建模用於3D列印

5.8.2 Netfabb/Magics：修正你的STL列印檔案

5.8.3 使用AccuTrans 3D轉換3D檔案格式

 

第6章 視覺計算：構建3D列印的殺手級應用

6.1 視覺計算：計算機視覺與計算機圖形學的融合

6.2 3D列印“批次定製”的智慧實現

6.2.1 個性特徵的描述與檢測

6.2.2 個性特徵的定位與匹配

6.2.3 個性化形狀的編輯與合成

6.3 立體視覺重建：將照片轉成3D數字模型

6.3.1 攝像機定標

6.3.2 基於立體視覺、SFM和Visual Hull的三維重建

6.4 眾裡尋她千百度──海量3D模型的檢索

6.4.1 線性分類與感知機模型

6.4.2 支援向量機SVM

6.4.3 基於內容的3D模型檢索

6.5 形狀拆解：大尺寸物件的自動分塊列印

6.6 形狀分析：最佳化桌面3D印表機列印精度的表現力

6.7 形狀平衡：如何確保3D物件站立穩當

6.8 形狀最佳化：生成堅固的內部輕質結構使得耗材最省

6.9 基於筆畫的3D建模：讓新手和孩子輕鬆設計形狀

6.9.1 Doodle3D：3D設計就像塗鴉一樣簡單

6.9.2 Teddy/FiberMesh：更精準的3D筆畫建模

6.9.3 3-Sweep技術：輕鬆讓照片中的2D物體變3D模型

6.9.4 “神筆馬良”3Doodler：用筆直接畫出3D線框實物

6.10 擴增實境：在列印之前看到融入環境的真實效果

6.11 OpenCV與OpenGL：視覺計算入門的兩大利器

6.11.1 OpenCV與AdaBoost人臉檢測

6.11.2 OpenGL與3D圖形繪製

 

第7章 創客：個人3D印表機的創造者

7.1 創客文化與開源DIY

7.2 五花八門的創客傑作：從玩具到高速跑車

7.3 寓教於樂：3D列印出你的個人數學博物館

7.4 創客之開源硬體Arduino（阿德偉諾）

7.4.1 Arduino簡介

7.4.2 初窺Arduino

7.4.3 牛刀小試：叩開Arduino之門

7.5 創客之開源軟體Android（安卓）

7.5.1 Android概述

7.5.2 開發平臺搭建

7.5.3 Android之旅起航：Hello， Android！

7.6 靠創意去賺錢：漫談Kickstarter、Quirky與Shapeways

7.6.1 Kickstarter眾籌：靠創意去籌資

7.6.2 Quirky創意加工廠：把創意變成產品

7.6.3 Shapeways線上列印：把個性化產品定製出來

7.7 創客中國：中國版賈伯斯和比爾?蓋茨的誕生地

7.7.1 國外創客為什麼紛紛青睞中國

7.7.2 創客中國的背景優勢

7.7.3 創客中國的市場細分定位

 

第8章 創客實戰：四軸飛行器

8.1 你準備好了嗎：自己製作四軸飛行器

8.2 器件與3D列印

8.2.1 四軸飛行器DIY所需的器件彙總

8.2.2 四軸飛行器的遙控器和接收機

8.2.3 四軸飛行器的飛行控制板

8.2.4 四軸飛行器電調的選用

8.2.5 四軸飛行器的無刷電機和螺旋槳

8.2.6 四軸飛行器的電池和充電器

8.2.7 四軸飛行器的連線線選用

8.2.8 四軸飛行器機架的3D列印

8.3 三軸陀螺儀和加速度計的入門與除錯

8.4 自制基於Arduino的飛控板

8.4.1 四軸飛行器的基本電控結構

8.4.2 飛行控制板的製作

8.5 遙控開始：Android手機的Wi-Fi通訊

8.6 四軸飛行器的智慧視覺跟蹤

8.6.1 基於粒子濾波的目標跟蹤演算法

8.6.2 基於Mean Shift（均值漂移）的目標跟蹤演算法

 

第9章 3D列印之不遠的將來

9.1 3D列印的未來：由創客們決定

9.1.1 幾乎為零的設計和製造門檻

9.1.2 創客成就3D列印

9.2 手機應用FabApp、App Store與智慧雲網

9.3 不再僅僅是看著粗糙的FDM

9.4 生物醫療列印：越來越近的科幻

9.5 美食印表機：“吃貨”的錢最好賺

9.6 綠色經濟：變沙漠為光影城市

9.7 列印房屋：安得廣廈千萬間

9.8 混合材料製造：3D列印電路

9.9 槍支列印“讓子彈飛”、版權與社會倫理

9.9.1 3D列印引發社會公共安全的憂慮

9.9.2 版權保護的難題

9.9.3 社會倫理的思考及技術層面解決

9.10 3D列印3D印表機自己：遺傳與升級

9.11 3D列印的經濟模式：利基與長尾效應

9.12 “中國智造”推動“全球第三次工業革命”

9.12.1 新工業革命之“永不枯竭的綠色能源”

9.12.2 新工業革命之“3D列印新材料”

9.12.3 新工業革命之“先進製造及3D列印”

9.12.4 新工業革命之“3D智慧數字化創造”

 

第10章 道：數字智慧的最最佳化及相關數學方法

10.1 最最佳化理論的基本常識

10.1.1 從凸集和凸函式開始說起

10.1.2 無約束最佳化與約束最佳化

10.1.3 線性規劃與非線性規劃及其對偶（Dual）形式

10.1.4 澄清混淆：二次規劃、二次收斂、二階收斂

10.2 最最佳化根基之單變數“一維搜尋”

10.2.1 初始搜尋區域的加步探索法（進退法）

10.2.2 黃金分割搜尋法（Golden Section Search）

10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜尋法

10.2.4 牛頓法、拋物線法

10.2.5 不精確線搜尋的Armijo-Goldstein準則及Wolfe-Powell準則

10.3 多變數的無約束最佳化

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

10.3.2 牛頓法（Newton）

10.3.3 擬牛頓法（Quasi-Newton）：DFP和BFGS方法

10.3.4 共軛方向法（Conjugate Direction）

10.3.5 共軛梯度法（Conjugate Gradient）

10.3.6 Powell直接法

10.4 最最佳化根基之“信賴域”

10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法

10.4.2 詳解L-M方法的求解過程與步驟

10.5 最小二乘問題的求解

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）

10.5.2 非線性最小二乘問題（Gauss-Newton方法）

10.6 約束最佳化問題的求解

10.6.1 等式約束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier）

10.6.2 不等式約束的KKT（KT）條件

10.6.3 懲罰函式法（外點法、內點法）

10.7 最短路徑與動態規劃（Dynamic Programming）

10.8 “偶然中的必然”──機率與貝葉斯（Bayes）

10.8.1 先驗機率、似然函式、後驗機率、貝葉斯公式

10.8.2 樸素（Na?ve）貝葉斯分類

10.8.3 最大似然估計、最大後驗機率估計、貝葉斯估計

10.8.4 貝葉斯學派與頻率學派之爭論

參考文獻

後記

作者簡介

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-歐洲資訊、自動化與應用數學聯合實驗室（LIAMA）。主要研究領域包括3D智慧數字化列印、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專案評審專家、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，以數字化、人工智慧化製造與新型材料的應用為標誌。

── 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、低成本的數字化製造技術。

── 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：三維智慧數字化創造》，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：智慧數字化》。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。那麼，為什麼歐美這麼看好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”透過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臺，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數字化模型了。那麼，3D數字化和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智慧數字化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這5個關鍵詞，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鉅的任務。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印表機或一臺普通機床又有什麼差別呢？3D列印無須模具就可加工任意複雜的中空形狀，使用者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迴流到歐美，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年創客們釋出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、智慧控制程式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”、“網路社群智造”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列印的鐳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”的核心在於智慧化和數字化（簡稱“智慧數字化”），不僅要建立數字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、執行能力的智慧化系統發展，以做大做強“高階製造”。“中國智造”在3D列印產業上的競爭力可以透過發展3D智慧數字化來提升。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佈局。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數字化製造及新型材料應用為代表的一個嶄新的時代，具體特點可描述為：智慧數字化、分散式網路化、個性定製化、綠色可持續化，典型特徵為“智慧數字化”。3D列印、智慧數字化、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宏觀視角對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智慧數字化、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列印將虛擬的智慧數字化技術與實實在在的工業產品橋接在一起，跨越了虛擬的位元世界和實體的原子世界之間的鴻溝。為了讓讀者對3D列印有透徹的瞭解，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、從無到有地組裝一臺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智慧數字化是3D列印的“孿生兄弟”，透過利用計算機來智慧化地設計或獲取一個3D數字化模型，以便輸出到3D印表機。這是本書要討論的重點所在：為了讓使用者“所想即所得”地進行數字化創造，計算機需要知道如何更好地生成形狀，即能夠智慧地理解使用者的意圖。

我們可以使用智慧數字化設計軟體，從無到有地設計3D數字化產品。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引數化建模、直接建模工具來減輕設計負擔。更加智慧化的是程式設計式設計，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。程式設計式智慧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系統，即所謂的過程建模。智慧化達到一定層次後，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，基於演算法的智慧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智慧數字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，以獲得逼真的數字化重建。在獲得數字化模型之後，通常還需要進行個性化編輯定製。特別是對於“大批次定製”，如為一萬名使用者列印定製個性化的眼鏡、服裝、帽子、鞋子，則需應用智慧化數字技術，如採用視覺計算方法，利用攝像頭自動採集、分析提取每位使用者的體貌個性特徵，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，可極大地縮減定製週期。

以開辦一家3D照相館為例，這是3D智慧數字化的典型案例。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資料進行修補，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，使用者很可能還希望對3D人體形狀或表情進行美化、編輯、修改、遷移等，這涉及圖形影像、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、利用擴增實境預覽融入環境的效果等。

當3D數字化模型變得跟目前的MP3歌曲一樣普及甚至氾濫時，又會遇到如何快速檢索的難題。不像MP3那樣可以透過歌名與歌手名這些結構化的文字資訊來定位，3D模型的檢索要複雜得多，涉及非結構化資料的特徵提取、相似度度量以及分類演算法的設計。更讓人頭疼的是，在這個大資料時代，我們將被資訊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，透過對大資料的挖掘，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分析學習的方法，將獲得越來越廣泛的應用。

透過智慧感知裝置，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，然後根據反饋資訊隨時做出調整。也就是說，這臺3D印表機具有學習和控制的能力。將來，透過把人工智慧從計算機擴充到現實世界，還可列印具備感知和學習能力的智慧物品。此時，3D印表機就是新一代智慧機器人，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智慧數字化技術是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智慧數字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數字化行業人士，將這些非常專業化的智慧演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，以例項的方式講解創客們喜愛做的東西，將3D列印、智慧數字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智慧數字化技術原理方法、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模型頭髮修復影片教程、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援我的師長、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、吳挺的幫助和支援。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。