3D打印：三維智慧數位化創造(全彩)（簡體書）

吳懷宇，博士，中國科學院副研究員，任職于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、自動化與應用數學聯合實驗室（LIAMA）。主要研究領域包括3D智能數字化打印、計算機三維視覺、視覺形狀感知分析與處理、計算機交互式圖形學等。目前擔任多個國際刊物的評審專家和國際程序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國際程序委員會委員、程序主席秘書，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。

第1章 3D打印與“全球第三次工業革命”
1.1 3D打印：體驗造物奇跡
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打印的顯著優勢
1.2.3 3D打印的應用現狀
1.3 對3D打印的質疑
1.3.1 來自傳統制造業大佬的質疑：不看好3D打印
1.3.2 關于“3D打印技術的可實現性”釋疑
1.3.3 關于“3D打印技術的經濟性”釋疑
1.3.4 關于“3D打印產業的成長性”釋疑
1.4 3D智能數字化與3D打印：用“虛擬”再造“現實”
1.4.1 3D智能數字化設計技術的發展現狀
1.4.2 智能數字化掃描技術的發展現狀
1.4.3 智能云網：云端智能服務和云制造
1.4.4 3D打印技術的發展現狀
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 “中國制造”向“中國智造”轉變的機遇
1.6.1 “中國制造”需轉型升級
1.6.2 來自“德國制造”的啟示
1.6.3 “中國智造”的發展機遇

第2章 3D打印機的原理與種類
2.1 3D打印時間簡史──源自
2.2 3D打印機的工作原理和家族
2.2.1 3D打印機的工作原理與流程
2.2.2 FDM：熔融沉積成型（FFF：熔絲制造）
2.2.3 3DP：三維打印黏結成型（噴墨沉積）
2.2.4 SLS：選擇性激光燒結
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 塑料還是石膏？3D打印機的各種耗材
2.4 金屬3D打印技術大盤點
2.4.1 SLS、SLM和DMLS技術
2.4.2 LCF：激光熔覆成型
2.4.3 LENS/LNSF：激光近凈成型
2.4.4 EBM：電子束熔煉
2.4.5 EBDM：電子束直接制造
2.4.6 金屬3D打印技術小結
2.5 兩大陣營：工業級打印機與桌面級打印機
2.5.1 工業級打印機：兩個巨頭的主戰場
2.5.2 桌面級打印機：創客們的多樣世界
2.6 3D打印與傳統手辦模型制作
2.7 3D打印機購買指南

第3章 剖析3D打印機：輪子是怎樣發明的
3.1 RepRap：開源3D打印機的鼻祖和奠基石
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：一臺完整的打印機
3.3.10 Gcode與前臺軟件Cura使用指南
3.3.11 Ultimaker打印成果實例
3.4 MakerBot Replicator 2與MakerWare打印實戰
3.4.1 MakerWare進行切片和打印
3.4.2 ReplicatorG控制前臺的設置：雙噴頭打印雙色模型
3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果實例
3.5 用輔助盤（Helper Disks）解決翹邊問題
3.6 3D打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 如何開始打印
3.6.7 如何調平打印平臺（粗調和精調）
3.6.8 如何更換耗材（上料、退料）
3.6.9 我裝不了塑料絲
3.6.10 我取不出塑料絲導管
3.6.11 為什么我的送料機挖坑，但就是不吐絲
3.6.12 噴頭堵塞，如何處理
3.6.13 擠出的料無法粘牢打印平臺
3.6.14 打印出的東西粘不牢平臺
3.6.15 噴頭位置偏移，擠出頭坐標異常
3.6.16 為什么打印的圓是橢圓
3.6.17 電機不轉，像得了帕金森癥抖個不停
3.6.18 如何讓模型表面更光滑
3.6.19 我的打印機需要日常維護嗎
3.6.20 異常情況如何中斷打印
3.6.21 如何將金屬零件放入我的3D塑料模型中
3.6.22 用CNCSimulator進行打印模擬和打印預覽
3.6.23 打印失敗后是什么樣子

第4章 3D智能數字化：3D打印的孿生兄弟
4.1 不以規矩，不成方圓——STL數字標準文件解析
4.2 3D智能數字化設計技術
4.2.1 “所想即所得”：3D設計的新境界
4.2.2 商業設計軟件：3D設計的重型武器（Maya、UG）
4.2.3 殺雞焉用牛刀：基于網頁的設計軟件（Tinkercad、3DTin）
4.3 3D智能數字化掃描技術
4.3.1 光學三維掃描儀的原理和實例（激光、結構白光）
4.3.2 基于Kinect的3D掃描原理和設備（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“批量定制”和“柔性制造”的智能數字化
4.5 智能云網：云端智能服務和云制造
4.6 大數據和深度學習：3D打印內容的挖掘與推薦
4.6.1 什么是大數據
4.6.2 大數據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智能數字化與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照相館的設備及成本
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智能數字化
5.3 基于圖像的3D人臉重建技術
5.3.1 基于單張照片的3D人臉重建及立體浮雕
5.3.2 基于多視角照片的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 頭發修補：3D照相館的頭痛問題
5.5.1 使用3D-Coat/ ZBrush軟件手工修補發型
5.5.2 基于視覺計算自動修補發型
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 直接全彩打印，還是單色打印再上色
5.8 3D打印數字化設計技巧
5.8.1 3DS Max建模用于3D打印
5.8.2 Netfabb/Magics：修正你的STL打印文件
5.8.3 使用AccuTrans 3D轉換3D文件格式

第6章 視覺計算：構建3D打印的殺手級應用
6.1 視覺計算：計算機視覺與計算機圖形學的融合
6.2 3D打印“批量定制”的智能實現
6.2.1 個性特征的描述與檢測
6.2.2 個性特征的定位與匹配
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 基于立體視覺、SFM和Visual Hull的三維重建
6.4 眾里尋她千百度──海量3D模型的檢索
6.4.1 線性分類與感知機模型
6.4.2 支持向量機SVM
6.4.3 基于內容的3D模型檢索
6.5 形狀拆解：大尺寸物件的自動分塊打印
6.6 形狀分析：優化桌面3D打印機打印精度的表現力
6.7 形狀平衡：如何確保3D物件站立穩當
6.8 形狀優化：生成堅固的內部輕質結構使得耗材最省
6.9 基于筆畫的3D建模：讓新手和孩子輕松設計形狀
6.9.1 Doodle3D：3D設計就像涂鴉一樣簡單
6.9.2 Teddy/FiberMesh：更精準的3D筆畫建模
6.9.3 3-Sweep技術：輕松讓照片中的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 增強現實：在打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圖形繪制

第7章 創客：個人3D打印機的創造者
7.1 創客文化與開源DIY
7.2 五花八門的創客杰作：從玩具到高速跑車
7.3 寓教于樂：3D打印出你的個人數學博物館
7.4 創客之開源硬件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 創客之開源軟件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在線打印：把個性化產品定制出來
7.7 創客中國：中國版喬布斯和比爾?蓋茨的誕生地
7.7.1 國外創客為什么紛紛青睞中國
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：自己制作四軸飛行器
8.2 器件與3D打印
8.2.1 四軸飛行器DIY所需的器件匯總
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 四軸飛行器的連接線選用
8.2.8 四軸飛行器機架的3D打印
8.3 三軸陀螺儀和加速度計的入門與調試
8.4 自制基于Arduino的飛控板
8.4.1 四軸飛行器的基本電控結構
8.4.2 飛行控制板的制作
8.5 遙控開始：Android手機的Wi-Fi通信
8.6 四軸飛行器的智能視覺跟蹤
8.6.1 基于粒子濾波的目標跟蹤算法
8.6.2 基于Mean Shift（均值漂移）的目標跟蹤算法

第9章 3D打印之不遠的將來
9.1 3D打印的未來：由創客們決定
9.1.1 幾乎為零的設計和制造門檻
9.1.2 創客成就3D打印
9.2 手機應用FabApp、App Store與智能云網
9.3 不再僅僅是看著粗糙的FDM
9.4 生物醫療打印：越來越近的科幻
9.5 美食打印機：“吃貨”的錢最好賺
9.6 綠色經濟：變沙漠為光影城市
9.7 打印房屋：安得廣廈千萬間
9.8 混合材料制造：3D打印電路
9.9 槍支打印“讓子彈飛”、版權與社會倫理
9.9.1 3D打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打印3D打印機自己：遺傳與升級
9.11 3D打印的經濟模式：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打印新材料”
9.12.3 新工業革命之“先進制造及3D打印”
9.12.4 新工業革命之“3D智能數字化創造”

第10章 道：數字智能的最優化及相關數學方法
10.1 最優化理論的基本常識
10.1.1 從凸集和凸函數開始說起
10.1.2 無約束優化與約束優化
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 最優化根基之單變量“一維搜索”
10.2.1 初始搜索區域的加步探索法（進退法）
10.2.2 黃金分割搜索法（Golden Section Search）
10.2.3 斐波那契（Fibonacci）搜索法
10.2.4 牛頓法、拋物線法
10.2.5 不精確線搜索的Armijo-Goldstein準則及Wolfe-Powell準則
10.3 多變量的無約束優化
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 最優化根基之“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 約束優化問題的求解
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 懲罰函數法（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”──概率與貝葉斯（Bayes）
10.8.1 先驗概率、似然函數、后驗概率、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、最大后驗概率估計、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
后記
作者簡介