清華大學(xué)AMiner發(fā)布《3D打印研究報(bào)告》

近日，清華大學(xué)發(fā)起的AMiner平臺(tái)發(fā)布《3D打印研究報(bào)告》 。

內(nèi)容摘要
3D打印，即增材制造技術(shù)，于十九世紀(jì)末在美國起源。以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用疊加的方式制造實(shí)體產(chǎn)品。近年來由于市場(chǎng)成熟，其與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域交叉，呈現(xiàn)了3D打印越來越豐富的可能性與越來越廣闊的前景。

基于大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景

第一部分概述篇介紹了3D打印的概念、歷史、流程等基本理論。
第二部分技術(shù)篇對(duì)3D打印常用算法進(jìn)行了論述。
第三部分人才篇利用AMiner大數(shù)據(jù)對(duì)3D打印領(lǐng)域人才概況及相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了介紹。
第四部分應(yīng)用篇對(duì)3D打印在醫(yī)學(xué)、航空航天、軍事、建筑等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了概述。
第五部分趨勢(shì)篇根據(jù)3D打印現(xiàn)狀展望了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)篇
空間變化反射效果（Spatially Varying Reflectance）

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，常用BRDF函數(shù)表示空間變化反射效果，Weyrich等人給出了一個(gè)基于微平面（Microfacet）理論的算法，其根據(jù)一個(gè)給定的物體表面BRDF分布，尋求得到物體微表面傾斜分布的可能結(jié)果，再對(duì)此分布采用點(diǎn)狀方法采樣，并以微平面為單元來構(gòu)建物體表面，然后運(yùn)用模擬退火方法優(yōu)化微平面間傾斜連續(xù)性及其凹陷深度，最后得到表面高度分布場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的表面反射效果。


Microfacet理論基本假設(shè)是，表面是由很多微平面（microfacet）組成，這些微平面都很小，無法單獨(dú)看到；并假設(shè)每個(gè)microfacet都是光學(xué)平滑的。

Weyrich微平面算法示意圖

每個(gè)microfacet把一個(gè)入射方向的光反射到單獨(dú)的一個(gè)出射方向，這取決于microfacet的法向ｍ。當(dāng)計(jì)算BRDF的時(shí)候，光源方向ｌ和視線方向ｖ都得給定。這意味著在表面上的所有microfacet中，只有剛好把ｌ反射到ｖ的那部分對(duì)BRDF有貢獻(xiàn)。在圖中，我們可以看到這些有效microfacet的表面法向ｍ正好在ｌ和ｖ的中間，也就是半角矢量ｈ。

變形效果定制
當(dāng)前，多材料3D打印機(jī)在打印對(duì)象時(shí)需要指定對(duì)象內(nèi)部的每一個(gè)要素，如果還需要一定的功能或其他要求時(shí)，確定體素的工作極其復(fù)雜，很難求解。因此，這一工作就需要采用一定的簡化來表示。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Chen等人采用簡化樹（Reducertree）方式。這一方式在概念上有些類似Maya中的材質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（ShaderNetwork），只不過這里用一些預(yù)定義的形狀與材料節(jié)點(diǎn)給對(duì)象所在空間進(jìn)行合理賦值，實(shí)現(xiàn)材料賦值空間的參數(shù)化。

因此，文中給出一個(gè)簡化樹的樹型結(jié)構(gòu)，它有兩種類型的子節(jié)點(diǎn)：幾何節(jié)點(diǎn)與材料節(jié)點(diǎn)。

材料賦值參數(shù)化流程圖

積塊式機(jī)構(gòu)
積塊式機(jī)構(gòu)指由一些塊狀、片狀或板狀構(gòu)件按一定要求組裝在一起，構(gòu)件間互相咬合鎖定，最終形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

Song等人基于連鎖積木的原理研究了相似的課題：如何將一個(gè)給定的3D模型分解為一組物塊，自動(dòng)設(shè)計(jì)生成相應(yīng)的連鎖積木結(jié)構(gòu)。該方法以體素形狀的積木模型為處理對(duì)象，記為S，依次從S身上遞歸抽取部分積木塊，將其分解為一個(gè)積木塊序列 P1，P2，…，Pn和S中剩下的最后積木塊Rn：S→［P1，R1］→［P1，P2，R2］→…→［P1，P2，…，Pn，Rn］

Song基于連鎖積木的拆分算法流程圖

如果每一次分解中，都能保證只有一個(gè)積木塊組件能取走解鎖，而剩下的部分都不能互相解鎖，則問題就可遞歸解決。其中，Pi+1稱為解鎖塊．按照這一策略，文中構(gòu)造性方法主要可分為兩步：（1）提取初始解鎖積木塊；（2）遞歸依次提取其他解鎖積木塊。

人才篇
AMiner基于3D打印領(lǐng)域三個(gè)最頂級(jí)國際期刊發(fā)表的學(xué)術(shù)論文，ACM T GRAPHIC，IEEE-ASME T MECH與J INTEL MAT SYST STR，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一篇論文如果有多個(gè)作者，則每個(gè)作者均統(tǒng)計(jì)一次，按照近五年（2014-2018）發(fā)文量，取發(fā)文量前315的學(xué)者（發(fā)文數(shù)≥3），兼顧發(fā)文被引用量，進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下文所示：

全球頂尖學(xué)者分布圖

3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者分布圖

這里的學(xué)者分布以其所屬機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)所屬地區(qū)為依據(jù)，不考慮個(gè)人的國籍、使用語言與現(xiàn)居地。按大洲來分，北美以162人的學(xué)者數(shù)位居第一，歐洲83人，亞洲69人，南美1人，其他三個(gè)大洲均無學(xué)者分布。

更進(jìn)一步，以國家與地區(qū)的角度來看，北美學(xué)者主要集中在美國（146人），加拿大僅有16人，其他北美國家無分布。美國的學(xué)者在東西海岸均有大量分布，東海岸63人，主要集中在緯度較高的紐約（16人）與波士頓（22人）；西海岸66人，主要分布在西雅圖（13人）、舊金山（15人）與洛杉磯（20人）。內(nèi)陸學(xué)者又主要分布在低緯度地區(qū)。

全球頂尖學(xué)者h(yuǎn)-index分布圖

3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者h(yuǎn)-index分布圖

在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，全球3D打印學(xué)者h(yuǎn)-index指數(shù)多在21-40這一區(qū)間，約為28.88%；其次為11-20區(qū)間，約為24.76%；最頂尖學(xué)者（h-index≥60）占比為11.42%，有相當(dāng)大的比重�？梢钥闯�，在全球頂尖學(xué)者中仍有h-index較低的學(xué)者（h-index為0-10），3D打印領(lǐng)域的研究質(zhì)量相距較大、研究方向不寬泛。

全球頂尖學(xué)者使用語言比例圖

3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者使用語言比例圖

在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者使用語言以英語和漢語為主，其中英語使用者占43.11%與美國學(xué)者比重相差不大（46.34%）；漢語使用者占31.14%，遠(yuǎn)大于中國的學(xué)者比重（13.65%），此外，德語、希臘語與印度語也占有一定比重，均為5%左右。


全球頂尖學(xué)者現(xiàn)居地構(gòu)成圖

3D打印領(lǐng)域全球頂尖學(xué)者現(xiàn)居地構(gòu)成圖

在上圖的統(tǒng)計(jì)信息中，3D打印領(lǐng)域現(xiàn)居地為美國的全球頂尖學(xué)者占了近半數(shù)，為47.37%，其次為加拿大（10.53%）、中國（8.42%）、德國（6.32%）。與圖20（使用語言比例圖）對(duì)比可知，漢語使用者與現(xiàn)居地在中國的學(xué)者差值為22.72%，絕大部分部分漢語使用者不在中國居住，占使用漢語的學(xué)者比重約為72.96%。


AMiner簡介
AMiner平臺(tái)由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系研發(fā)，擁有我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。平臺(tái)包含了超過2.3億學(xué)術(shù)論文/專利和1.36億學(xué)者的科技圖譜，提供學(xué)者評(píng)價(jià)、專家發(fā)現(xiàn)、智能指派、學(xué)術(shù)地圖等科技情報(bào)專業(yè)化服務(wù)。

系統(tǒng)2006年上線，吸引了全球220個(gè)國家/地區(qū)1000多萬獨(dú)立IP訪問，數(shù)據(jù)下載量230萬次，年度訪問量超過1100萬，成為學(xué)術(shù)搜索和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)挖掘研究的重要數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

AMiner官方網(wǎng)站：https://www.aminer.cn/