中国科学院の呉懐宇教授：「3Dプリンティング：3次元インテリジェントデジタル創造（第3版）」

2017年5月、中国科学院自動化研究所の呉懐宇教授は、Antarctic Bearに対し、自身の3Dプリントソフトウェアおよびハードウェア百科事典『3Dプリント：三次元インテリジェントデジタル創造（第3版）（フルカラー）』が第3版の更新を完了し、主要な電子商取引プラットフォームで購入できるようになったことを明らかにした。 Antarctic Bear は、この本が 3D プリント技術分野で非常に典型的な本であり、かつて Antarctic Bear の 3D プリント研修クラスの指定図書として使用されていたと考えています。

『エコノミスト』などの主流メディアは、3D プリンティングが新たな産業革命を引き起こすだろうと主張しています。『3Dプリンティング：3次元インテリジェントデジタルクリエーション（第3版）（フルカラー）』では、産業経済のマクロな観点から、3Dプリンティング、3Dインテリジェントデジタル化、メーカー、中国のスマート製造、世界的な第4次産業革命の関係について詳しく説明しています。

この本では、12 種類を超える一般的な成形プロセスの長所と短所の分析と比較、3D プリンターをゼロから組み立てるためのステップバイステップのガイドなど、専門的かつ技術的な観点から 3D プリントの原理、構造、プロセス方法を詳細に紹介しています。 3D インテリジェントデジタル化は、3D コンピュータグラフィックス、コンピュータビジョン、パターン認識、機械学習などの分野に関係する 3D プリンティングの基礎であり鍵となります。『3Dプリンティング：3次元インテリジェントデジタルクリエイション（第3版）（フルカラー）』では、これらをわかりやすく、雄弁に解説しています。

「3Dプリンティング：3次元インテリジェントデジタルクリエーション（第3版）（フルカラー）」は、著者独自の見解に基づいて、最新のアイデアを多数取り入れ、3Dプリンティングと3Dインテリジェントデジタルテクノロジーの原理と方法を詳細に説明した総合的な技術書です。実践的な指導を提供します。各操作ステップは、3Dフォトスタジオの実際の操作のすべての技術的詳細を含め、写真とテキストで詳細に説明されています。この本は、国内外の一般ユーザーや技術愛好家、大学生や大学院生、学術界、産業界、政府産業経済の意思決定者にとって重要な参考価値を持っています。

呉懐宇（1979年 - ）、中国科学院准研究員（教授）、中国3Dテクノロジーイノベーション産業連盟副会長。彼は、中国科学院自動化研究所の国家パターン認識重点研究室 (NLPR)、中国欧州情報・自動化・応用数学共同研究室 (LIAMA) に勤務しています。 1996年に江西省鳳城第一中学校を卒業し、2000年7月と2003年3月に北京航空航天大学で「航空宇宙推進理論と工学」の学士号と「航空音響学と流体機械」の修士号を取得。2008年7月に中国科学院で「パターン認識とインテリジェントシステム」の博士号を取得。 2008年7月から2011年8月まで、北京大学情報科学技術学院で博士研究員および講師を務め、「北京大学優秀博士研究員」の称号を授与された。 2011年8月から現在まで、中国科学院自動化研究所パターン認識国家重点研究室で研究助手および研究員として勤務。彼は現在、複数の国際ジャーナルの査読者および国際プログラム委員会のメンバーを務めており、電気電子技術者協会 (IEEE)、計算機協会 (ACM)、IEEE コンピュータソサイエティの会員でもあります。ICCV/CVPR/ACCV 国際プログラム委員会のメンバー、プログラムチェアの秘書、北京科学技術委員会のプロジェクト査読者、国家自然科学基金の査読者、国家科学技術計画のハイテク分野の査読者を務めたことがあります。
目次<br /> 第1章 3Dプリンティングと「世界第4次産業革命」1
1.1 3Dプリント：創造の奇跡を体験する1
1.2 第四次世界産業革命のきっかけ11
1.2.1 「第一次産業革命」から「第四次産業革命」へ 11
1.2.2 3Dプリントの大きな利点12
1.2.3 3Dプリンティングの応用状況14
1.3 3Dプリントに関する質問16
1.3.1 従来の製造業リーダーの疑問：3Dプリンティングに対して楽観的ではない16
1.3.2 「3Dプリント技術の実現可能性」に関する質問の説明17
1.3.3 3Dプリント技術の経済的実現可能性に関する疑問の説明17
1.3.4 3Dプリンティング産業の成長可能性に関する質問の説明19
1.4 3Dインテリジェントデジタル化と3Dプリンティング：「仮想」で「現実」を再現する 20
1.4.1 3Dインテリジェントデジタル設計技術の現状 21
1.4.2 インテリジェントデジタルスキャン技術の開発の現状 22
1.4.3 インテリジェントクラウドネットワーク：クラウドベースのインテリジェントサービスとクラウド製造 23
1.4.4 3Dプリント技術開発の現状 24
1.5 メーカーDIY：新しい産業革命の啓蒙26
1.5.1 小さくても偉大：メーカーが巨大企業に挑戦27
1.5.2 小さな砂から大きな塔へ：産業社会の構造変化 28
1.6 「中国製」から「中国スマート製造」への変革の機会29
1.6.1 「中国製」は変革とアップグレードが必要29
1.6.2 「メイド・イン・ジャーマニー」からのインスピレーション30
1.6.3 「中国におけるスマート製造業」の発展機会 31

第2章 3Dプリンターの原理と種類 37
2.1 3Dプリントの簡単な歴史: 1860年から
2.2 3Dプリンターの動作原理とファミリー 41
2.2.1 3Dプリンターの動作原理とプロセス 41
2.2.2 FDM: 熱溶解積層法（FFF: 熱溶解フィラメント造形法）42
2.2.3 3DP: 3次元印刷接合（インクジェット堆積） 44
2.2.4 SLS: 選択的レーザー焼結46
2.2.5 SLA: ステレオリソグラフィー 48
2.2.6 ポリジェット：マルチヘッド射出技術（マテリアルジェッティング：マテリアルジェッティング）50
2.2.7 DLP: デジタル光処理51
2.2.8 LOM: レイヤードオブジェクト製造 53
2.3 プラスチックか石膏か? 3Dプリンター用各種消耗品55
2.3.1 ABS: 最も広く使用されているエンジニアリングプラスチック56
2.3.2 EP（弾性プラスチック） 57
2.3.3 PA（ナイロン）57
2.3.4 PC（ポリカーボネート） 58
2.3.5 PEEK（ポリエーテルエーテルケトン） 58
2.3.6 PPSF（ポリセルロース） 59
2.3.7 PLA: 環境に優しいバイオプラスチック59
2.3.8 PETG（コポリエステル）60
2.3.9 PCL（ポリカプロラクトン）61
2.3.10 感光性樹脂：微細成形用液状材料 62
2.3.11 金属材料：ステンレス鋼、チタン合金、マグネシウムアルミニウム合金、金、銀 62
2.3.12 その他の 3D プリント材料: 石膏、ワックス、セラミック、木材65
2.4 金属3Dプリント技術のレビュー 72
2.4.1 SLS、SLM、DMLS技術 72
2.4.2 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF: レーザーニアネットシェーピング 76
2.4.3 EBM:電子ビーム溶解78
2.4.4 EBDM: 電子ビーム直接製造80
2.4.5 金属3Dプリント技術の概要 80
2.5 2つの大きな陣営：産業用プリンターとデスクトッププリンター81
2.5.1 産業用プリンター：2つの巨人の主戦場82
2.5.2 デスクトッププリンタ: メーカーの多様な世界87
2.6 3Dプリントと従来のモデル製作 92
2.7 3Dプリンター購入ガイド 93

第3章 3Dプリンターの解剖：車輪の発明の経緯 98
3.1 RepRap: オープンソース 3D プリンターの起源と基礎98
3.2 MakerBotとUltimaker: デスクトップデュオ
3.3 Ultimaker 組み立て実践 101
3.3.1 Ultimaker 新入荷開封写真 102
3.3.2 フレームワークの構築 102
3.3.3 X/Y/Z軸モーター105
3.3.4 X/Yベアリング 107
3.3.5 押し出しヘッド 109
3.3.6 Z軸積載プラットフォーム 112
3.3.7 フィーダー 116
3.3.8 Ultimakerの頭脳：回路基板 117
3.3.9 完成: 完全なプリンター 121
3.3.10 GコードとフロントエンドソフトウェアCura使用ガイド123
3.3.11 Ultimaker 印刷結果の例 128
3.4 MakerBot Replicator 2とMakerWareの印刷練習 129
3.4.1 MakerWare 129 によるスライスと印刷
3.4.2 ReplicatorG 制御フロントデスク設定: デュアルヘッド印刷デュアルカラーモデル 135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 印刷例 137
3.5 3Dプリントに関する質問とトラブルシューティングのヒント 138
3.5.1 モデル138の防水性
3.5.2 モデルは多様体でなければならない 139
3.5.3 スライスと断面 140
3.5.4 層の厚さ 140
3.5.5 サポート材 140
3.5.6 印刷を開始する方法 141
3.5.7 印刷プラットフォームの水平調整方法（粗調整と微調整） 141
3.5.8 消耗品の交換方法（積み込みと積み下ろし） 142
3.5.9 プラスチックワイヤー142を取り付けられません
3.5.10 プラスチックワイヤーカテーテルが取り外せない 142
3.5.11 フィーダーが穴を掘るのに糸が出ないのはなぜですか?
3.5.12 ノズル詰まりの対処方法 143
3.5.13 押し出された材料が印刷プラットフォームに付着しない 143
3.5.14 印刷物がプラットフォームにしっかりと貼り付かない 143
3.5.15 ヘルパーディスクを使用して反りの問題を解決する 143
3.5.16 ノズル位置オフセット、押し出し機座標異常 144
3.5.17 印刷された円がなぜ楕円なのですか?
3.5.18 モーターが回転せず、パーキンソン病のように震え続けます。
3.5.19 接続する部品の適切な許容差の選択 145
3.5.20 プリンターには定期的なメンテナンスが必要ですか?
3.5.21 異常な状況で印刷を中断する方法 145
3.5.22 3D プラスチックモデルに金属部品を配置するにはどうすればよいですか?
3.5.23 CNCSimulator 146 を使用した印刷シミュレーションと印刷プレビュー
3.5.24 印刷に失敗するとどうなりますか?
3.6 高精度3Dプリンターの設計とセットアップ方法 147
3.6.1 印刷精度に影響を与えるソフトウェアとハードウェアの要因 147
3.6.2 モデルの表面をより滑らかに見せるにはどうすればいいですか?

第4章 3Dインテリジェントデジタル化：3Dプリントの双子の兄弟 153
4.1 ルールがなければ秩序はない - STLデジタル標準ファイルの分析 153
4.2 3Dインテリジェントデジタルデザインテクノロジー 156
4.2.1 「思った通りの結果が得られた」：3Dデザインの新たな領域 156
4.2.2 商用デザインソフトウェア：3Dデザインのための重兵器（Maya、UG）161
4.2.3 鶏を殺すのになぜ大ハンマーを使うのか: Webベースの設計ソフトウェア (Tinkercad、3DTin) 167
4.3 3Dインテリジェントデジタルスキャン技術 169
4.3.1 光学式3Dスキャナの原理と例（レーザー、構造化白色光） 172
4.3.2 Kinectベースの3Dスキャンの原理と装置（赤外線スポット、ToF） 177
4.3.3 不動産業界における新たなアプリケーション：屋内3Dスキャンモデリング 183
4.4 「マスカスタマイゼーション」と「フレキシブル製造」のためのインテリジェントデジタル化 184
4.5 インテリジェントクラウドネットワーク：クラウドベースのインテリジェントサービスとクラウド製造 185
4.6 ビッグデータとディープラーニング: 3Dプリントコンテンツのマイニングと推奨 186
4.6.1 ビッグデータとは何ですか?
4.6.2 ビッグデータにおけるパーソナライズされた推奨システム 189
4.6.3 ディープラーニング：人間の脳のように深く考える 192

第5章 3Dインテリジェントデジタル化と3Dフォトギャラリー：科学と芸術の融合 200
5.1 当時、私たちは3D写真スタジオ201を追い求めていました
5.1.1 国内外の3Dフォトスタジオの数 201
5.1.2 3Dフォトスタジオの設備と費用 202
5.1.3 3Dフォトスタジオの収益モデルに関する考察 205
5.2 3Dフォトスタジオのコアテクノロジー：3Dインテリジェントデジタル化 206
5.3 画像ベースの3D顔再構成技術 209
5.3.1 一枚の写真に基づく3D顔再構成と立体視レリーフ 210
5.3.2 多視点写真に基づく3D顔再構成 213
5.3.3 人間は視覚動物です:写真を美しくする方法 219
5.4 Skanect: Kinect 223 による 3D スキャン
5.5 ヘアリペア：3Dフォトスタジオの悩みの種 225
5.5.1 3D-Coat/ZBrushソフトウェアを使用したヘアスタイルの手動修復 226
5.5.2 ビジュアルコンピューティングに基づく自動ヘアスタイル修復 230
5.5.3 Geomagic Studio: より一般的な任意形状のパッチ 234
5.6 3D顔表情変換と編集 241
5.7 直接フルカラー印刷またはモノクロ印刷後にカラー化 245
5.8 3Dプリントデジタルデザインテクニック 247
5.8.1 3D プリントのための 3DS Max モデリング 247
5.8.2 Rhino 251 による 3D 複雑サーフェスモデリング
5.8.3 3DラピッドモデリングのためのSketchUp 255
5.8.4 Netfabb/Magics: STL 印刷ファイルの修正 259
5.8.5 AccuTrans 3D を使用した 3D ファイル形式の変換 262

第6章ビジュアルコンピューティング: 3Dプリントのキラーアプリの構築 264
6.1 ビジュアルコンピューティング：コンピュータビジョンとコンピュータグラフィックスの融合 264
6.2 3Dプリンティングにおける「マスカスタマイゼーション」のインテリジェントな実装 266
6.2.1 性格特性の記述と検出 267
6.2.2 性格特性の位置付けとマッチング 271
6.2.3 パーソナライズされた図形の編集と合成 276
6.3 立体再構成：写真から3Dデジタルモデルへの変換 281
6.3.1 カメラのキャリブレーション 281
6.3.2 ステレオビジョン、SFM、ビジュアルハルに基づく3D再構成 288
6.4 群衆の中で彼女を探す - 大規模な3Dモデルの形状検索 291
6.4.1 線形分類とパーセプトロンモデル 291
6.4.2 サポートベクターマシン（SVM）とロジスティック回帰（LR） 294
6.4.3 コンテンツベースの3Dモデル検索 297
6.5 形状分解：大型オブジェクトの自動ブロック印刷 301
6.6 形状解析: 3Dプリント形状の表現力の最適化 303
6.7 形状バランス: 3D オブジェクトがしっかりと立つようにする方法 309
6.8 形状最適化: 消耗品を最小限に抑えるために強力な内部軽量構造を生成する311
6.9 ストロークベースの3Dモデリング：初心者や子供でも簡単に図形をデザインできる 315
6.9.1 Doodle3D: 落書きのようにシンプルな 3D デザイン
6.9.2 Teddy/FiberMesh: より正確な 3D ストロークモデリング 318
6.9.3 3スイープテクノロジー: 写真内の2Dオブジェクトを簡単に3Dモデルに変換 319
6.9.4 「マジックブラシ馬亮」 3Doodler: ペンで直接 3D ワイヤーフレームオブジェクトを描く 321
6.10 拡張現実: 印刷前に環境に統合した実際の効果を確認する 322
6.11 3Dメッシュ上のアート: デジタルジオメトリ処理 323
6.11.1 3Dモデルの取得、登録および再構築 324
6.11.2 3Dメッシュの幾何学的トポロジーの修復 325
6.11.3 3Dメッシュのスムージングとノイズ除去 326
6.11.4 再グリッド化とサブグリッド化 329
6.11.5 3Dメッシュ圧縮 330
6.11.6 3Dメッシュセグメンテーション 331
6.11.7 3Dメッシュのパラメータ化 332
6.11.8 3Dメッシュのクロスパラメータ化（一貫性のある対応） 435
6.11.9 3Dメッシュの変形、編集、アニメーション 336
6.11.10 3Dデータリダイレクト技術 337
6.11.11 デジタルジオメトリ処理フレームワーク 338
6.12 OpenCV と OpenGL: ビジュアルコンピューティングを始めるための 2 つの強力なツール 339
6.12.1 OpenCVとAdaBoostによる顔検出 491
6.12.2 OpenGLと3Dグラフィックス描画 498
6.12.3 再考: ベクトル/行列、オイラー角、四元数 348

第7章メーカー：個人用3Dプリンターの製作者 353
7.1 メーカー文化とオープンソースDIY 353
7.2 おもちゃから高速スポーツカーまで、メーカーの傑作の数々 355
7.3 エンターテインメントを通じた教育: 自分だけの数学博物館を 3D プリントする 359
7.4 メーカーのオープンソースハードウェア Arduino 363
7.4.1 Arduino 363 の紹介
7.4.2 Arduino 364 の初見
7.4.3 簡単なテスト: Arduino のドアをノックする
7.5 メーカーのオープンソースソフトウェア Android (Android) 367
7.5.1 Androidの概要 367
7.5.2 開発プラットフォームの構築 368
7.5.3 Android の旅の始まり: こんにちは、Android! 370
7.6 創造性でお金を稼ぐ: Kickstarter、Quirky、Shapeways についての講演 373
7.6.1 Kickstarter クラウドファンディング: 創造性による資金調達 373
7.6.2 奇抜なクリエイティブファクトリー：アイデアを製品に変える 375
7.6.3 Shapewaysオンライン印刷：パーソナライズされた製品のカスタマイズ 377
7.7 メーカー中国：中国人スティーブ・ジョブズとビル・ゲイツの誕生の地378
7.7.1 外国メーカーが中国を好むのはなぜか?
7.7.2 メーカー中国の背景的利点 379
7.7.3 メーカーの市場細分化とポジショニング中国 379

第8章メーカー実践: クアッドコプター 381
8.1 準備はいいですか: 自分でクワッドコプターを作ろう 381
8.2 デバイスと3Dプリント 382
8.2.1 DIYクワッドコプターに必要なコンポーネントの概要 383
8.2.2 クワッドコプターのリモートコントローラーと受信機 384
8.2.3 クワッドコプター 385 のフライトコントロールパネル
8.2.4 クワッドコプター用ESCの選択
8.2.5 クワッドコプター用ブラシレスモーターとプロペラ 387
8.2.6 クアッドコプター用バッテリーと充電器 388
8.2.7 クワッドコプターの接続ケーブルは389
8.2.8 クワッドコプターフレームの3Dプリント 389
8.3 3軸ジャイロスコープと加速度計の紹介とデバッグ 390
8.4 Arduino 393 ベースの自作飛行制御ボード
8.4.1 クワッドコプターの基本的な電子制御構造 393
8.4.2 飛行制御パネルの製作 395
8.5 リモートスタート: Android スマートフォンとの Wi-Fi 通信 397
8.6 クワッドコプターのインテリジェント視覚追跡 409
8.6.1 粒子フィルタに基づくターゲット追跡アルゴリズム 400
8.6.2 平均シフトに基づくターゲット追跡アルゴリズム 403

第9章近未来の3Dプリンティング 406
9.1 3Dプリントの未来：メーカーが決める406
9.1.1 設計と製造の閾値はほぼゼロ 407
9.1.2 メーカーが3Dプリントを可能にする 407
9.2 モバイルアプリケーション FabApp、App Store、スマートクラウドネットワーク 409
9.3 もはや粗くて小さいFDM 411を見るだけではありません
9.4 バイオメディカルプリンティング：SFがますます近づいている 412
9.5 フードプリンター：食通からお金を稼ぐのが一番簡単
9.6 グリーン経済：砂漠を光と影の都市に変える 419
9.7 何千もの大邸宅を建てる方法：3Dプリント住宅とセラミックプリンター 420
9.8 ハイブリッド材料製造：3Dプリント回路 424
9.9 銃の印刷「弾丸を飛ばせ」著作権と社会倫理 427
9.9.1 3Dプリンティングは公共の安全に関する懸念を引き起こす427
9.9.2 著作権保護の問題 429
9.9.3 社会倫理と技術的解決策 431
9.10 3D プリント 3D プリンター自体: 継承とアップグレード 432
9.11 3Dプリンティングの経済モデル：ニッチとロングテール効果 433
9.12 「中国のインテリジェント製造業」が「第四次世界産業革命」を推進 436
9.12.1 新しい産業革命：「無尽蔵のグリーンエネルギー」 436
9.12.2 新しい産業革命：「3Dプリンティングによる新素材」437
9.12.3 新たな産業革命：「先進的な製造業と3Dプリンティング」 438
9.12.4 新しい産業革命：「3Dインテリジェントデジタルクリエーション」439

第10章タオ：デジタルインテリジェンスの最適化と関連する数学的手法 442
10.1 最適化理論の基礎知識 443
10.1.1 凸集合と凸関数から始める 443
10.1.2 制約なし最適化と制約付き最適化 446
10.1.3 線形計画法と非線形計画法およびその双対形式 447
10.1.4 混乱の解消: 二次計画法、二次収束、2次収束 448
10.2 最適化の基礎: 単一変数「1次元探索」 449
10.2.1 初期探索エリアの段階的探索（前進後退法） 449
10.2.2 黄金分割探索 450
10.2.3 フィボナッチ探索法 451
10.2.4 ニュートン法と放物線法 451
10.2.5 不正確な直線探索のためのアルミヨ・ゴールドスタイン基準とウルフ・パウエル基準 452
10.3 複数の変数による制約なし最適化 455
10.3.1 最急降下法（勾配降下法） 455
10.3.2 ニュートン法 455
10.3.3 準ニュートン法：DFP法とBFGS法 456
10.3.4 共役方向法 458
10.3.5 共役勾配法 459
10.3.6 パウエルの直接法 459
10.4 信頼領域: 最適化の根源 460
10.4.1 レーベンバーグ・マルカート法（LM） 461
10.4.2 LM法の解決プロセスと手順の詳細な説明 462
10.5 最小二乗問題を解く。 462
10.5.1 線形最小二乗問題の解法（正則化法、QR分解、SVD分解） 463
10.5.2 非線形最小二乗問題（ガウス・ニュートン法） 529
10.6 制約付き最適化問題を解く。 464
10.6.1 等式制約に対するラグランジュ乗数法 464
10.6.2 不等式制約に対するKKT（KT）条件。 465
10.6.3 ペナルティ関数法（外点法、内点法） 466
10.7 最短経路と動的計画法 467
10.8 「偶然の必然性」—確率とベイズ主義 468
10.8.1 事前確率、尤度関数、事後確率、ベイズの公式 468
10.8.2 単純ベイズ分類 469
10.8.3 最大尤度推定、最大事後推定、ベイズ推定、EMアルゴリズム 471
10.8.4 ベイズ主義と頻度主義の論争 475
参照 477
追記488
著者について490

中国科学院の呉懐宇教授：「3Dプリンティング：3次元インテリジェントデジタル創造（第3版）」

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