前言

《诗经·小雅·鹤鸣》有云：“它山之石，可以攻玉”。本书取名《3D打印：三维智能数字化创造》，灵感源自于笔者发表在《光明日报》上的一篇3D打印综述文章的标题《3D打印：智能数字化》。其实笔者最初提交的是一个又长又绕口的题目，非常感谢《光明日报》的编辑以金刚钻般的犀利进行了打磨，使3D打印的本质顿时“彰明较著”，也让我那篇文章的条理和纹路立刻清晰了许多！所以本书也受此启发，起了一个相似的名字。

相信大多数读者在拿起这本书的时候，对3D打印或多或少已有耳闻。确实，自从《经济学人》、《福布斯》、《纽约时报》等欧美主流媒体声称3D打印将引发第三次工业革命开始，全世界各类媒体都对3D打印做了大量的跟踪报道。那么，为什么欧美这么看好3D打印？3D打印又为什么会引发一场新工业革命？3D打印不是30年前就有了吗？那时只是一种快速成型工具而已，难道一种“新瓶装旧酒”的工具就会引发一场全球范围内的工业变革？这场变革与我们中国的制造业会有关联吗？此外，媒体上经常报道国外“创客”通过3D打印机造出了创意新奇的作品，可当我们也深受鼓舞买回一台，却会发现3D打印远没有2D打印轻松，其中最头疼的事情莫过于要设计和处理所谓的3D数字化模型了。那么，3D数字化和3D打印到底是什么关系？我们又该如何轻松应对呢？

以上这些最基本的问题，实际上已经引出了多个主题，归纳一下：有3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命这5个关键词，而且都互有关联。忽略掉其中任何一个，都无法完整地回答读者的上述诸多问题。这是摆在本书面前的一个艰巨的任务。倘若选择性忽略，只讨论其中的某一个或几个方面，则3D打印机与一般人眼中的2D打印机或一台普通机床又有什么差别呢？3D打印无须模具就可加工任意复杂的中空形状，用户也无须掌握各种复杂的制造工艺和加工技能，这样大幅降低了制造业的技术门槛。3D打印的巨大威力虽然源于技术，但其产生的重要影响力却又远超于此。

依我看来，欧美现在之所以看好3D打印，主要是希望将制造业回流到欧美，而不是继续转移到中国和印度。2007年爆发的全球金融危机，根源在于美国重视房地产、金融、消费等第三产业的发展而将大量的制造业外包给了其他国家，导致自身产业空心化问题日益严重。3D打印这种快速成型制造技术最近几年的突然火爆，有一个重要原因和转折点，那就是2008年创客们发布了第一款完全开源的个人3D打印机RepRap，并把机械设计图纸、电路图纸、智能控制代码无偿放到了网上供人免费下载。几年下来，原本极其昂贵（几十万元起价）的3D打印机降到现在几千元即可买到，变得大众化，由此掀起了“个人智造”、“家庭智造”、“网络社区智造”的热潮。欧美正是希望借创客运动和“全民智造”的东风，激发国民的创造精神，上下齐心来实现这次战略大转移。2014年1月，3D打印的激光金属烧结技术也将因专利到期而开源，这将为3D打印的发展注入更大活力。

与此同时，我国政府也非常渴望将原本处于产业链低端的“中国制造”转型为“中国智造”，从加工组装环节升级到上游的设计研发环节。“中国智造”的核心在于智能化和数字化（简称“智能数字化”），不仅要建立数字化工厂提高各种设计制造工艺的精度和效率，同时要使生产系统向着具有感知、决策、执行能力的智能化系统发展，以做大做强“高端制造”。“中国智造”在3D打印产业上的竞争力可以通过发展3D智能数字化来提升。实际上，“当今世界是平的”，在经济全球化的背景下，中国制造业的深度发展离不开全球市场化布局。因此，“中国制造”向“中国智造”转型升级历程，实际上也是共同推动和实现“全球第三次工业革命”的过程，并将在其中扮演越来越重要的角色。

具体来说，第三次工业革命是以智能数字化制造及新型材料应用为代表的一个崭新的时代，具体特点可描述为：智能数字化、分布式网络化、个性定制化、绿色可持续化，典型特征为“智能数字化”。3D打印、智能数字化、新材料以及机器人技术的发展，将极大地改变制造业原有的投入模式，使得依靠较少的自然资源和人力资源投入，就能取得良好的经济效益，并将远离产品千篇一律的大规模制造模式，向更具个性化的定制规模发展。

以上就是全书的基本思路和逻辑线索。下面，具体介绍一下本书的主要内容。

本书首先从产业经济的宏观视角对3D打印的发展现状和未来进行了详尽的讨论。为了能使读者对3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命之间的内在紧密关联有比较深入的理解，我们对这五者的相互作用和关系进行剖析。

3D打印将虚拟的智能数字化技术与实实在在的工业产品桥接在一起，跨越了虚拟的比特世界和实体的原子世界之间的鸿沟。为了让读者对3D打印有透彻的了解，我们从专业技术的角度对3D打印的原理结构、成型工艺和实际操作进行了详细介绍，包括对10多种典型的成型工艺进行优劣分析和比较，乃至手把手地、从无到有地组装一台3D打印机，以便让大家看得清清楚楚、明明白白。本书对每一个操作步骤都进行了图文并茂的详细描述，包括实际运作一家3D照相馆的所有技术细节。

3D智能数字化是3D打印的“孪生兄弟”，通过利用计算机来智能化地设计或获取一个3D数字化模型，以便输出到3D打印机。这是本书要讨论的重点所在：为了让用户“所想即所得”地进行数字化创造，计算机需要知道如何更好地生成形状，即能够智能地理解用户的意图。

我们可以使用智能数字化设计软件，从无到有地设计3D数字化产品。最普通的方法是采用传统的建模工具进行实体建模和曲面建模。而手工建模是一件比较烦琐、费时的工作，研究人员于是推出了参数化建模、直接建模工具来减轻设计负担。更加智能化的是编程式设计，计算机把形状的设计过程描述成一系列有特定顺序的操作步骤，有点像按照食谱而不是最终的外观来制作蛋糕。编程式智能设计可以轻易地在这个蛋糕上绘制几百万个规则的精美图案，而这对于手工设计来说犹如噩梦。

为了生成更加丰富多变的个性图案，还可采用复杂的生长式智能系统，即所谓的过程建模。智能化达到一定层次后，更可让设计的形状根据未知环境实时调整，适应各种物理和美学约束条件。比如，基于算法的智能设计软件能够根据物理环境（如在月球上）调整建筑结构的空间形状，以此来动态获得一个最优的设计形状，从而使建筑结构更加稳定。

当然，并非人人都有能力自己设计3D形状，因此3D智能数字化的另外一种方法就是3D扫描（俗称3D照相），基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建。在获得数字化模型之后，通常还需要进行个性化编辑定制。特别是对于“大批量定制”，如为一万名用户打印定制个性化的眼镜、服装、帽子、鞋子，则需应用智能化数字技术，如采用视觉计算方法，利用摄像头自动采集、分析提取每位用户的体貌个性特征，进行匹配和定位，并自动根据视觉美感进行形状设计、颜色肤色搭配等，可极大地缩减定制周期。

以开办一家3D照相馆为例，这是3D智能数字化的典型案例。首先需要对人体进行3D扫描或根据多视角照片进行立体重建，然后利用数字几何处理的方法对缺失和噪声数据进行修补，并拼接得到一个完整的3D模型。其中头发的快速修复就是一个值得研究的课题，涉及视觉计算技术。此外，用户很可能还希望对3D人体形状或表情进行美化、编辑、修改、迁移等，这涉及图形图像、模式识别、机器学习等多个领域。在输出打印前，还涉及形状的自平衡处理、形状分析以提高表现力、大尺寸形状的自动分块、形状优化生成轻质结构以节省耗材、利用增强现实预览融入环境的效果等。

当3D数字化模型变得跟目前的MP3歌曲一样普及甚至泛滥时，又会遇到如何快速检索的难题。不像MP3那样可以通过歌名与歌手名这些结构化的文本信息来定位，3D模型的检索要复杂得多，涉及非结构化数据的特征提取、相似度度量以及分类算法的设计。更让人头疼的是，在这个大数据时代，我们将被信息的海洋淹没而变得迷失，以至于都不知道每天应该挑选哪些3D模型打印出来。这时，通过对大数据的挖掘，个性化推荐系统可以对你的个性偏好进行分析，把你可能会感兴趣的3D模型推荐给你。其中，深度学习这种模拟人类大脑进行智能分析学习的方法，将获得越来越广泛的应用。

通过智能感知设备，3D打印机还可控制制造的行为，对打印的过程进行实时监控，然后根据反馈信息随时做出调整。也就是说，这台3D打印机具有学习和控制的能力。将来，通过把人工智能从计算机拓展到现实世界，还可打印具备感知和学习能力的智能物品。此时，3D打印机就是新一代智能机器人，它们能设计、制造、修理、回收其他机器，甚至能够改进和升级机器自身，达到“机器制造机器”的新境界。

可以说，3D智能数字化技术是3D打印实现“规模定制”的基础和关键所在。因此，本书详细讨论了上面提到的各种3D智能数字化理论及其实现方法（如MVS、SVM、AAM、AdaBoost、粒子滤波、Mean Shift、Visual Hull、深度学习），涉及3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别、机器学习。我们面向3D打印和3D数字化行业人士，将这些非常专业化的智能算法理论以通俗易懂的方式娓娓道来，这也是本书的一大特色。

“创客”不仅创造了个人3D打印机，同时也是第三次工业革命的启蒙者。这是任何一本3D打印书籍都绕不开的话题，因此，我们详细介绍了创客，并专门开设一章介绍四轴飞行器的DIY制作，以实例的方式讲解创客们喜爱做的东西，将3D打印、智能数字化技术这些先进的工具融入到创客实践当中。

综上，本书是一本以最新视角阐述新工业经济发展趋势、详细讲解3D打印与3D智能数字化技术原理方法、手把手实战型教学的综合类技术书籍，因此无论对于国内还是国外的广大3D打印爱好者、学术圈、工业界、政府产业经济决策层均具有重要的参考价值。

另外，本书提供丰富的网络资源下载，其中的内容包括：Ultimaker原理图纸、3D模型头发修复视频教程、四轴飞行器完整资料。如有需要，读者可在www.broadview.com.cn/22063（博文视点官网）和http：//www.sigvc.org/why/book/（作者主页）下载。

凭一己之力是无法完成本书的，在此要衷心感谢多年来一直关心和支持我的师长、朋友、同事和学生。本书在写作过程中得到了汪凌峰博士、王颖博士、刘利刚教授、吴毅红研究员、邓小明副研究员、汪国平教授、唐俊副教授、王俊、王润元、张华、隋伟、赵松、沙金正、李成华、吴挺的帮助和支持。此外，参与编写工作的还有李青、王博洋、刘庆芳、刘孟起、吴炳根、丁根秀、文桂绣、魏淑芹、张云铎、国霁、曾杨圆、彭锋、文雨虹、殷海东。感谢电子工业出版社各位老师的辛勤工作，最后特别感谢永远关爱着我的家人。

本书的编写工作得到了国家自然科学基金（No.61272049）、北京市自然科学基金（No.4132075）的资助。

由于作者水平有限，书中难免存在纰漏，欢迎广大读者批评指正。在阅读过程中，如果发现问题，请发送E-Mail电子邮件告知，以便今后再版时加以修正。

吴怀宇
中国科学院
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于北京中关村