清華大學AMiner發(fā)布《3D打印研究報告》

近日，清華大學發(fā)起的AMiner平臺發(fā)布《3D打印研究報告》 。

內(nèi)容摘要
3D打印，即增材制造技術(shù)，于十九世紀末在美國起源。以計算機三維設計模型為藍本，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體產(chǎn)品。近年來由于市場成熟，其與計算機圖形學、機器人學、生命科學、材料科學等領域交叉，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3D打印常用算法進行了論述。
第三部分人才篇利用AMiner大數(shù)據(jù)對3D打印領域人才概況及相關學者進行了介紹。
第四部分應用篇對3D打印在醫(yī)學、航空航天、軍事、建筑等相關領域的應用情況進行了概述。
第五部分趨勢篇根據(jù)3D打印現(xiàn)狀展望了該領域的發(fā)展趨勢。

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

在計算機圖形學中，常用BRDF函數(shù)表示空間變化反射效果，Weyrich等人給出了一個基于微平面（Microfacet）理論的算法，其根據(jù)一個給定的物體表面BRDF分布，尋求得到物體微表面傾斜分布的可能結(jié)果，再對此分布采用點狀方法采樣，并以微平面為單元來構(gòu)建物體表面，然后運用模擬退火方法優(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，實現(xiàn)所要達到的表面反射效果。


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

Weyrich微平面算法示意圖

每個microfacet把一個入射方向的光反射到單獨的一個出射方向，這取決于microfacet的法向ｍ。當計算BRDF的時候，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BRDF有貢獻。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
當前，多材料3D打印機在打印對象時需要指定對象內(nèi)部的每一個要素，如果還需要一定的功能或其他要求時，確定體素的工作極其復雜，很難求解。因此，這一工作就需要采用一定的簡化來表示。

為了實現(xiàn)這一目標，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（ShaderNetwork），只不過這里用一些預定義的形狀與材料節(jié)點給對象所在空間進行合理賦值，實現(xiàn)材料賦值空間的參數(shù)化。

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

材料賦值參數(shù)化流程圖

積塊式機構(gòu)
積塊式機構(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：如何將一個給定的3D模型分解為一組物塊，自動設計生成相應的連鎖積木結(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打印領域三個最頂級國際期刊發(fā)表的學術(shù)論文，ACM T GRAPHIC，IEEE-ASME T MECH與J INTEL MAT SYST STR，進行統(tǒng)計。一篇論文如果有多個作者，則每個作者均統(tǒng)計一次，按照近五年（2014-2018）發(fā)文量，取發(fā)文量前315的學者（發(fā)文數(shù)≥3），兼顧發(fā)文被引用量，進行分析，得出結(jié)論如下文所示：

全球頂尖學者分布圖

3D打印領域全球頂尖學者分布圖

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

更進一步，以國家與地區(qū)的角度來看，北美學者主要集中在美國（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)陸學者又主要分布在低緯度地區(qū)。

全球頂尖學者h-index分布圖

3D打印領域全球頂尖學者h-index分布圖

在上圖的統(tǒng)計信息中，全球3D打印學者h-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%；最頂尖學者（h-index≥60）占比為11.42%，有相當大的比重�？梢钥闯�，在全球頂尖學者中仍有h-index較低的學者（h-index為0-10），3D打印領域的研究質(zhì)量相距較大、研究方向不寬泛。

全球頂尖學者使用語言比例圖

3D打印領域全球頂尖學者使用語言比例圖

在上圖的統(tǒng)計信息中，3D打印領域全球頂尖學者使用語言以英語和漢語為主，其中英語使用者占43.11%與美國學者比重相差不大（46.34%）；漢語使用者占31.14%，遠大于中國的學者比重（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。


全球頂尖學者現(xiàn)居地構(gòu)成圖

3D打印領域全球頂尖學者現(xiàn)居地構(gòu)成圖

在上圖的統(tǒng)計信息中，3D打印領域現(xiàn)居地為美國的全球頂尖學者占了近半數(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）對比可知，漢語使用者與現(xiàn)居地在中國的學者差值為22.72%，絕大部分部分漢語使用者不在中國居住，占使用漢語的學者比重約為72.96%。


AMiner簡介
AMiner平臺由清華大學計算機系研發(fā)，擁有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)。平臺包含了超過2.3億學術(shù)論文/專利和1.36億學者的科技圖譜，提供學者評價、專家發(fā)現(xiàn)、智能指派、學術(shù)地圖等科技情報專業(yè)化服務。

系統(tǒng)2006年上線，吸引了全球220個國家/地區(qū)1000多萬獨立IP訪問，數(shù)據(jù)下載量230萬次，年度訪問量超過1100萬，成為學術(shù)搜索和社會網(wǎng)絡挖掘研究的重要數(shù)據(jù)和實驗平臺。

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