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” 19
1.4.1 3D智能数字化设计技术的发展现状 19
1.4.2智能数字化扫描技术的发展现状 20
1.4.3智能云网：云端智能服务和云制造 21
1.4.4 3D打印技术的发展现状 22
1.5创客DIY：新工业革命的启蒙运动 24
1.5.1以小博大：创客挑战巨头公司 25
1.5.2聚沙成塔：改变工业社会的组成结构 26
1.6“中国制造”向“中国智造”转变的机遇 27
1.6.1“中国制造”需转型升级 27
1.6.2来自“德国制造”的启示 28
1.6.3“中国智造”的发展机遇 29
第2章 3D打印机的原理与种类 35
2.1 3D打印时间简史——源自1860 35
2.2 3D打印机的工作原理和家族 38
2.2.1 3D打印机的工作原理与流程 39
2.2.2 FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造） 40
2.2.3 3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积） 41
2.2.4 SLS：选择性激光烧结 42
2.2.5 SLA：光固化立体成型（立体光刻） 43
2.2.6 PolyJet：多头喷射技术 44
2.2.7 DLP：数字光处理 45
2.2.8 LOM：分层实体制造 46
2.3塑料还是石膏？3D打印机的各种耗材 47
2.4金属3D打印技术大盘点 53
2.4.1 SLS、SLM和DMLS技术 54
2.4.2 LCF：激光熔覆成型 56
2.4.3 LENS/LNSF：激光近净成型 57
2.4.4 EBM：电子束熔炼 58
2.4.5 EBDM：电子束直接制造 59
2.4.6金属3D打印技术小结 59
2.5两大阵营：工业级打印机与桌面级打印机 60
2.5.1工业级打印机：两个巨头的主战场 60
2.5.2桌面级打印机：创客们的多样世界 66
2.6 3D打印与传统手办模型制作 70
2.7 3D打印机购买指南 71
第3章 剖析3D打印机：轮子是怎样发明的 74
3.1 RepRap：开源3D打印机的鼻祖和奠基石 74
3.2 MakerBot与Ultimaker：桌面双雄 75
3.3 Ultimaker组装实战 77
3.3.1 Ultimaker新到货开箱照 78
3.3.2搭建框架 78
3.3.3 X/Y/Z轴电机 82
3.3.4 X/Y轴承 84
3.3.5挤出头 87
3.3.6 Z轴载物平台 92
3.3.7送料机 96
3.3.8 Ultimaker的大脑：电路板 98
3.3.9大功告成：一台完整的打印机 102
3.3.10 Gcode与前台软件Cura使用指南 104
3.3.11 Ultimaker打印成果实例 109
3.4 MakerBot Replicator 2与MakerWare打印实战 110
3.4.1 MakerWare进行切片和打印 111
3.4.2 ReplicatorG控制前台的设置：双喷头打印双色模型 116
3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果实例 119
3.5用辅助盘（Helper Disks）解决翘边问题 120
3.6 3D打印疑问与故障排解小贴士 123
3.6.1模型的水密性（Watertight） 123
3.6.2模型必须为流形（Manifold） 123
3.6.3 切片（Slice）与横切面 124
3.6.4层厚度（LayerThickness） 125
3.6.5支撑材料（Support Material） 125
3.6.6如何开始打印 125
3.6.7如何调平打印平台（粗调和精调） 125
3.6.8如何更换耗材（上料、退料） 126
3.6.9我装不了塑料丝 126
3.6.10我取不出塑料丝导管 126
3.6.11为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝 127
3.6.12喷头堵塞，如何处理 127
3.6.13挤出的料无法粘牢打印平台 127
3.6.14打印出的东西粘不牢平台 127
3.6.15喷头位置偏移，挤出头坐标异常 127
3.6.16为什么打印的圆是椭圆 128
3.6.17电机不转，像得了帕金森症抖个不停 128
3.6.18如何让模型表面更光滑 128
3.6.19我的打印机需要日常维护吗 128
3.6.20异常情况如何中断打印 129
3.6.21如何将金属零件放入我的3D塑料模型中 129
3.6.22用CNCSimulator进行打印模拟和打印预览 129
3.6.23打印失败后是什么样子 129
第4章 3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟 131
4.1不以规矩，不成方圆——STL数字标准文件解析 131
4.2 3D智能数字化设计技术 134
4.2.1“所想即所得”：3D设计的新境界 134
4.2.2商业设计软件：3D设计的重型武器（Maya、UG） 138
4.2.3杀鸡焉用牛刀：基于网页的设计软件（Tinkercad、3DTin） 145
4.3 3D智能数字化扫描技术 147
4.3.1光学三维扫描仪的原理和实例（激光、结构白光） 150
4.3.2基于Kinect的3D扫描原理和设备（红外光斑、ToF） 154
4.3.3 房地产行业的新应用：室内3D扫描建模 160
4.4面向“批量定制”和“柔性制造”的智能数字化 161
4.5智能云网：云端智能服务和云制造 162
4.6大数据和深度学习：3D打印内容的挖掘与推荐 164
4.6.1什么是大数据 164
4.6.2大数据背景下的个性化推荐系统 165
4.6.3深度学习：像人脑一样深层次地思考 167
第5章 3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合 171
5.1那些年，我们一起追过的3D照相馆 172
5.1.1细数国内外的3D照相馆 172
5.1.2 3D照相馆的设备及成本 173
5.1.3 3D照相馆赢利模式的探讨 176
5.2 3D照相馆的核心技术：3D智能数字化 177
5.3基于图像的3D人脸重建技术 180
5.3.1基于单张照片的3D人脸重建及立体浮雕 180
5.3.2基于多视角照片的3D人脸重建 183
5.3.3人是种视觉动物：如何美化你的照片 188
5.4 Skanect：使用Kinect实现3D扫描 192
5.5头发修补：3D照相馆的头痛问题 195
5.5.1使用3D-Coat/ZBrush软件手工修补发型 195
5.5.2基于视觉计算自动修补发型 200
5.5.3 Geomagic Studio：更通用的任意形状修补 202
5.6 3D人脸表情形变与编辑 209
5.7直接全彩打印，还是单色打印再上色 212
5.8 3D打印数字化设计技巧 214
5.8.1 3DS Max建模用于3D打印 214
5.8.2 Netfabb/Magics：修正你的STL打印文件 218
5.8.3使用AccuTrans 3D转换3D文件格式 221
第6章 视觉计算：构建3D打印的杀手级应用 222
6.1视觉计算：计算机视觉与计算机图形学的融合 222
6.2 3D打印“批量定制”的智能实现 224
6.2.1个性特征的描述与检测 224
6.2.2个性特征的定位与匹配 229
6.2.3个性化形状的编辑与合成 234
6.3立体视觉重建：将照片转成3D数字模型 238
6.3.1摄像机定标 239
6.3.2基于立体视觉、SFM和Visual Hull的三维重建 245
6.4众里寻她千百度——海量3D模型的检索 248
6.4.1线性分类与感知机模型 249
6.4.2支持向量机SVM 251
6.4.3基于内容的3D模型检索 254
6.5形状拆解：大尺寸物件的自动分块打印 257
6.6形状分析：优化桌面3D打印机打印精度的表现力 259
6.7形状平衡：如何确保3D物件站立稳当 261
6.8形状优化：生成坚固的内部轻质结构使得耗材最省 263
6.9基于笔画的3D建模：让新手和孩子轻松设计形状 267
6.9.1 Doodle3D：3D设计就像涂鸦一样简单 267
6.9.2 Teddy/FiberMesh：更精准的3D笔画建模 268
6.9.3 3-Sweep技术：轻松让照片中的2D物体变3D模型 270
6.9.4“神笔马良”3Doodler：用笔直接画出3D线框实物 271
6.10增强现实：在打印之前看到融入环境的真实效果 273
6.11 OpenCV与OpenGL：视觉计算入门的两大利器 274
6.11.1 OpenCV与AdaBoost人脸检测 274
6.11.2 OpenGL与3D图形绘制 280
第7章 创客：个人3D打印机的创造者 284
7.1创客文化与开源DIY 284
7.2五花八门的创客杰作：从玩具到高速跑车 286
7.3寓教于乐：3D打印出你的个人数学博物馆 290
7.4创客之开源硬件Arduino（阿德伟诺） 294
7.4.1 Arduino简介 294
7.4.2初窥Arduino 295
7.4.3牛刀小试：叩开Arduino之门 296
7.5创客之开源软件Android（安卓） 298
7.5.1 Android概述 298
7.5.2开发平台搭建 299
7.5.3 Android之旅起航：Hello，Android！ 301
7.6靠创意去赚钱：漫谈Kickstarter、Quirky与Shapeways 304
7.6.1 Kickstarter众筹：靠创意去筹资 304
7.6.2 Quirky创意加工厂：把创意变成产品 306
7.6.3 Shapeways在线打印：把个性化产品定制出来 308
7.7创客中国：中国版乔布斯和比尔·盖茨的诞生地 309
7.7.1国外创客为什么纷纷青睐中国 309
7.7.2创客中国的背景优势 309
7.7.3创客中国的市场细分定位 310
第8章 创客实战：四轴飞行器 312
8.1你准备好了吗：自己制作四轴飞行器 312
8.2器件与3D打印 313
8.2.1四轴飞行器DIY所需的器件汇总 314
8.2.2四轴飞行器的遥控器和接收机 315
8.2.3四轴飞行器的飞行控制板 316
8.2.4四轴飞行器电调的选用 317
8.2.5四轴飞行器的无刷电机和螺旋桨 318
8.2.6四轴飞行器的电池和充电器 319
8.2.7四轴飞行器的连接线选用 320
8.2.8四轴飞行器机架的3D打印 320
8.3三轴陀螺仪和加速度计的入门与调试 321
8.4自制基于Arduino的飞控板 324
8.4.1四轴飞行器的基本电控结构 324
8.4.2飞行控制板的制作 326
8.5遥控开始：Android手机的Wi-Fi通信 328
8.6四轴飞行器的智能视觉跟踪 330
8.6.1基于粒子滤波的目标跟踪算法 331
8.6.2基于Mean Shift（均值漂移）的目标跟踪算法 333
第9章 3D打印之不远的将来 335
9.1 3D打印的未来：由创客们决定 335
9.1.1几乎为零的设计和制造门槛 336
9.1.2创客成就3D打印 336
9.2手机应用FabApp、App Store与智能云网 338
9.3不再仅仅是看着粗糙的FDM 339
9.4生物医疗打印：越来越近的科幻 340
9.5美食打印机：“吃货”的钱最好赚 343
9.6绿色经济：变沙漠为光影城市 345
9.7打印房屋：安得广厦千万间 346
9.8混合材料制造：3D打印电路 348
9.9枪支打印“让子弹飞”、版权与社会伦理 351
9.9.1 3D打印引发社会公共安全的忧虑 351
9.9.2版权保护的难题 353
9.9.3社会伦理的思考及技术层面解决 354
9.10 3D打印3D打印机自己：遗传与升级 355
9.11 3D打印的经济模式：利基与长尾效应 357
9.12“中国智造”推动“全球第三次工业革命” 359
9.12.1新工业革命之“永不枯竭的绿色能源” 360
9.12.2新工业革命之“3D打印新材料” 361
9.12.3新工业革命之“先进制造及3D打印” 361
9.12.4新工业革命之“3D智能数字化创造” 362
第10章 道：数字智能的最优化及相关数学方法 365
10.1最优化理论的基本常识 366
10.1.1从凸集和凸函数开始说起 367
10.1.2无约束优化与约束优化 369
10.1.3线性规划与非线性规划及其对偶（Dual）形式 370
10.1.4澄清混淆：二次规划、二次收敛、二阶收敛 371
10.2最优化根基之单变量“一维搜索” 372
10.2.1初始搜索区域的加步探索法（进退法） 372
10.2.2黄金分割搜索法（Golden Section Search） 373
10.2.3斐波那契（Fibonacci）搜索法 374
10.2.4牛顿法、抛物线法 375
10.2.5不精确线搜索的Armijo-Goldstein准则及Wolfe-Powell准则 376
10.3多变量的无约束优化 378
10.3.1最速下降法（Steepest Descent，梯度下降法Gradient Descent） 378
10.3.2牛顿法（Newton） 379
10.3.3拟牛顿法（Quasi-Newton）：DFP和BFGS方法 380
10.3.4共轭方向法（Conjugate Direction） 381
10.3.5共轭梯度法（Conjugate Gradient） 382
10.3.6 Powell直接法 383
10.4最优化根基之“信赖域” 383
10.4.1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法 385
10.4.2详解L-M方法的求解过程与步骤 385
10.5最小二乘问题的求解 386
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） 387
10.5.2非线性最小二乘问题（Gauss-Newton方法） 388
10.6约束优化问题的求解 388
10.6.1等式约束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier） 389
10.6.2不等式约束的KKT（KT）条件 389
10.6.3惩罚函数法（外点法、内点法） 390
10.7最短路径与动态规划（Dynamic Programming） 391
10.8“偶然中的必然”——概率与贝叶斯（Bayes） 392
10.8.1先验概率、似然函数、后验概率、贝叶斯公式 392
10.8.2朴素（Naive）贝叶斯分类 393
10.8.3最大似然估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计 396
10.8.4贝叶斯学派与频率学派之争论 398
参考文献 400
后记 403
作者简介 405