第一篇：3D模型如何應(yīng)用的物理教學(xué)

3D模型如何應(yīng)用的物理教學(xué)

基于OpenGL的數(shù)字化教學(xué)平臺(tái)是教育部項(xiàng)目“用信息技術(shù)工具改造普通物理學(xué)課程”研究成果，在物理學(xué)科教學(xué)中得到了成功的應(yīng)用，如以可交互模型的形式展現(xiàn)理想模型或思想實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生理解一些物理現(xiàn)象原理和規(guī)律，開(kāi)展物理演示實(shí)驗(yàn)的研究性學(xué)習(xí)，將3D模型整合到物理教學(xué)網(wǎng)上P1提供給學(xué)生作為在線學(xué)習(xí)資料等.物理學(xué)在各個(gè)理工學(xué)科中應(yīng)用廣泛，本研究嘗試將物理現(xiàn)象3D模型從單一學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用推廣到產(chǎn)品設(shè)計(jì)學(xué)科教學(xué)中.產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品生命周期中的第一個(gè)階段，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的第一個(gè)階段.它是在設(shè)計(jì)任務(wù)確定以后，抽象出所需的功能結(jié)構(gòu)，并尋求適當(dāng)?shù)奈锢碜饔迷斫M合來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能結(jié)構(gòu).其中的物理作用簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)從一種物理形式向另一種物理形式的轉(zhuǎn)化.舉例來(lái)說(shuō)，燈泡包含的物理作用原理有將電能轉(zhuǎn)化為光能；電動(dòng)車則將電的形式轉(zhuǎn)化為力的形式，將力的形式轉(zhuǎn)化為速度的形式等如何科學(xué)地選擇功能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、實(shí)用性、可持續(xù)性等方面都有著至關(guān)重要的影響.

第二篇：在物理教學(xué)中建構(gòu)物理模型

類別：教學(xué)設(shè)計(jì) 題目：在物理教學(xué)中建構(gòu)物理模型

學(xué)校：溧陽(yáng)市平橋初級(jí)中學(xué) 姓名：譚成峰 電話：*** 在物理教學(xué)中建構(gòu)物理模型

摘要：中學(xué)物理教材中有許多物理知識(shí)比較抽象，學(xué)生往往不易理解和接受，并會(huì)因此而失去學(xué)習(xí)的信心。但如果借助“物理建模思想構(gòu)建”教學(xué)，采用模型構(gòu)建思想的方法，突出物理情景問(wèn)題的主要部分，疏通思路，幫助學(xué)生建立起清晰的物理情景，使物理問(wèn)題簡(jiǎn)單化，這樣不僅起到增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心的作用，同時(shí)還潛意識(shí)地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性的能力，提高教學(xué)質(zhì)量。關(guān)鍵詞：建構(gòu) 物理模型 理想化

根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)要求，中學(xué)物理要體現(xiàn)“從生活走進(jìn)物理，從物理走向生活”的新理念。所以在教學(xué)中能否將實(shí)際問(wèn)題與頭腦中已有物理模型建立聯(lián)系，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為物理問(wèn)題是關(guān)鍵。物理模型在實(shí)際問(wèn)題與物理問(wèn)題間起到了橋梁的作用，本文將從物理模型的概念、重要作用，以及教學(xué)中如何指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型等方面談下自己的看法。

一、認(rèn)識(shí)物理教學(xué)中的物理模型法

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運(yùn)動(dòng)形式的自然科學(xué)。而所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的。這種事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系，一方面反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性，同時(shí)又存在著許多偶然性，使我們的研究產(chǎn)生了復(fù)雜性。因此，許多比較復(fù)雜的問(wèn)題需要我們引入能夠描述其要點(diǎn)的輔助量或建立理想化模型，幫助研究與解決問(wèn)題，這就是模型法。建構(gòu)理想化模型是物理學(xué)研究中常用的方法。

物理模型是理論知識(shí)的一種初級(jí)形式，就是將我們研究的物理對(duì)象或物理過(guò)程、情境通過(guò)抽象、理想化、簡(jiǎn)化、和類比等方法，進(jìn)行“去次取主”、“化繁為簡(jiǎn)”的處理，把反應(yīng)研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)，構(gòu)成一個(gè)概念或?qū)嵨锏捏w系，就形成物理模型。物理模型既源于實(shí)踐,而又高于實(shí)踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中帶有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的構(gòu)建是一種重要的 科學(xué)思維方法，通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象或過(guò)程，從而尋找出反映物理現(xiàn)象或物理過(guò)程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律達(dá)到認(rèn)識(shí)問(wèn)題的目的。

二、物理模型在初中物理教學(xué)中的作用

在物理學(xué)習(xí)中，有的學(xué)生經(jīng)常拿到物理題目無(wú)從下手，造成這種情況的原因是多方面的，但其中一個(gè)重要原因，就是這部分學(xué)生基礎(chǔ)不牢，沒(méi)有掌握好一些基本的物理模型。物理是一門培養(yǎng)思維的學(xué)科，它特別強(qiáng)調(diào)一個(gè)“悟”字，思考的越多，感悟的越多，屬于自己的東西也就越多。因此，我們?cè)谄綍r(shí)解題中千萬(wàn)不能貪多求快，要能概括出題目所屬的物理模型，這樣做不僅能達(dá)到舉一反三的目的，久而久之，物理建摸的本領(lǐng)也會(huì)得到很大的提升。而一旦具有了自主建模的本領(lǐng)很多看似復(fù)雜的題目就會(huì)迎刃而解。因此，在物理學(xué)習(xí)中建立合理的模型會(huì)給我們的學(xué)習(xí)帶來(lái)事半功倍的效果。

例如：有些物理問(wèn)題、現(xiàn)象或過(guò)程非常抽象，難以理解，運(yùn)用模型思維建立起模型，將使問(wèn)題變得直觀形象。如在研究光現(xiàn)象時(shí)，用光線形象表示光的傳播路徑：即沿光的傳播路線畫(huà)一條直線，并在直線上畫(huà)上箭頭表示光的傳播方向。而實(shí)際上我們?cè)谟^察太陽(yáng)、電燈??光源所發(fā)出的光時(shí)，是看不見(jiàn)帶箭頭的直線的。引入“光線”這一模型，只是為了研究光現(xiàn)象方便，如果不用光路圖就很難學(xué)習(xí)光現(xiàn)象的知識(shí)。同樣，用力的示意圖表示力的三要素。物體間力的作用是看不見(jiàn)，摸不著的，為了更好地研究物體受力，并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，我們用一根帶箭頭的線段來(lái)表示力。研究肉眼觀察不到的原子結(jié)構(gòu)時(shí)，建立原子核式結(jié)構(gòu)模型。在研究磁場(chǎng)時(shí)用磁感線描述磁場(chǎng)等等。這些模型的建立，使很多物理現(xiàn)象變得很直觀，更易于我們接受。

同樣，在物理教學(xué)中，很多問(wèn)題也是很復(fù)雜的，很難研究的。如能將其轉(zhuǎn)化成物理模型將使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單化。如：對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)，可以不考慮物體的形狀和大小，可以把物體看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，物體受到的力都作用在一點(diǎn)上。同樣，生活中很少有一個(gè)物體真正的做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在我們研究運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的時(shí)候，在某種條件下，我們就可以認(rèn)為物體做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)。

三、如何在中學(xué)物理教學(xué)中構(gòu)建及應(yīng)用物理模型 縱觀物理學(xué)發(fā)展史，許多重大的發(fā)現(xiàn)與結(jié)論，都是由于科學(xué)家們經(jīng)過(guò)大膽的猜想構(gòu)思，創(chuàng)建出科學(xué)的理想化的物理模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或?qū)嵺`驗(yàn)證，模型與事實(shí)基礎(chǔ)很好吻合前提下獲得的。如： 伽里略讓小球從彎曲的斜槽上自由下落，當(dāng)斜槽充分光滑時(shí)，小球可沿另端斜槽上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球?yàn)檫_(dá)到初始高度,將運(yùn)動(dòng)很遠(yuǎn)。如果末端完全水平，小球?qū)⒁恢边\(yùn)動(dòng)下去，永不停止。正因?yàn)橘だ锫詷?gòu)建了光滑這一理想化的模型，才有慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。

同樣，在我們?nèi)粘５慕虒W(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有心的同學(xué)熟練掌握了這些物理模型，就可將一些看似復(fù)雜的物理情景化解為簡(jiǎn)單模型的組合，靈活簡(jiǎn)便地解出難題，可謂熟能生巧。而沒(méi)留心的同學(xué)只會(huì)根據(jù)最基本的概念規(guī)律去推證，結(jié)果費(fèi)時(shí)費(fèi)力，即使得出了結(jié)果，心中對(duì)那些物理情景仍不是很清楚，不能留下深刻的印象，更談不上觸類旁通，溫故知新。所以在日常教學(xué)中，要指導(dǎo)學(xué)生會(huì)運(yùn)用物理模型分析和解答實(shí)際的物理問(wèn)題，在解決問(wèn)題中培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的物理模型，其基本步驟為：

（1）通過(guò)審題，攝取題目有效信息.如：物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理情景、物理狀態(tài)、物理過(guò)程等.（2）在尋找與已有信息（某種知識(shí)、方法、模型）的相似、相近或聯(lián)系，通過(guò)類比聯(lián)想或抽象概括，或邏輯推理等，建立起新的物理模型，將新情景問(wèn)題“難題”轉(zhuǎn)化為常規(guī)命題.（3）選擇相關(guān)的物理規(guī)律求解.我們平常碰到的一些物理習(xí)題，就是依據(jù)一定的物理規(guī)律、物理模型精心構(gòu)思設(shè)計(jì)而成的。只要找到事物間的聯(lián)系，就可迅速找到解決問(wèn)題的途徑。

例題：（2009年荊州市中考試題）電路中有一個(gè)滑動(dòng)變阻器，現(xiàn)測(cè)得其兩端電壓為9V，移動(dòng)滑片后，測(cè)得其兩端電壓變化了6V，如果通過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流變化了1.5A，則()A．移動(dòng)滑片前滑動(dòng)變阻器接人電路的阻值是4Ω B．移動(dòng)滑片后滑動(dòng)變阻器接人電路的阻值是4Ω C．移動(dòng)滑片后滑動(dòng)變阻器兩端的電壓一定為3V D．移動(dòng)滑片后滑動(dòng)變阻器兩端的電壓可能為15V 分析：本題沒(méi)有給出電路圖，電路中的元件和連接方式都不清楚，不知從何下手，下面我們就從模型建構(gòu)的角度入手：

建構(gòu)模型的指導(dǎo)思想——為了解釋一些物理現(xiàn)象，我們需要提出種種假說(shuō)或假設(shè)。我們?cè)诮忉尡绢}電壓電流變化時(shí)，不妨也提出一些假設(shè)，通過(guò)分析、推理去判斷假設(shè)是否正確，這也是我們通常所講的假設(shè)法。

本題模型建構(gòu)的詳細(xì)過(guò)程：

1定性。即確定電路各元件及其連接關(guān)系。電路中一般有電源，導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)，由題目知道該電路中還有一個(gè)滑動(dòng)變阻器；移動(dòng)滑片后，測(cè)得滑動(dòng)變阻器兩端電壓發(fā)生變化，說(shuō)明該電路中還有一個(gè)電阻與其串聯(lián)（假設(shè)是并聯(lián)，則滑動(dòng)變阻器兩端電壓將保持不變）。此時(shí)形成電路初步模型如右圖1，這個(gè)電路的原型是用變阻器控制燈泡亮度的電路圖。由此可見(jiàn)，學(xué)生分析解答的過(guò)程，就是識(shí)別和還原，開(kāi)發(fā)和利用原有物理模型的過(guò)程。在分析物理問(wèn)題時(shí)，需要有根據(jù)的抽象，剔粗取精、去偽存真。

2定量。即運(yùn)用電路公式和規(guī)律確定各物理量的大小。這里有兩種移動(dòng)滑片的情況：

一是向左移動(dòng)滑片，電阻變小，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓將減小6V，為3V。通過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流增大了1.5A，所以此時(shí)電流應(yīng)大于1.5A，由歐姆定律，移動(dòng)滑片后滑動(dòng)變阻器接人電路的阻值R應(yīng)小于2Ω?？梢约僭O(shè)R＝1Ω，由歐姆定律求出I＝3A，進(jìn)一步可知移動(dòng)滑片前的電流為1.5A，再結(jié)合串聯(lián)電路中各部分電壓之和等于總電壓，可以得到下列兩個(gè)式子，由上兩式可以求出R0＝4Ω，U（電源）＝15V。移動(dòng)滑片前后滑動(dòng)變阻器兩端電壓、電阻以及通過(guò)的電流大小如圖2所示。

二是向右移動(dòng)滑片，電阻變大，滑動(dòng)變阻器兩端的電壓將增大6V，為15V。通過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流減小了1.5A，所以此前電流應(yīng)大于1.5A，由歐姆定律，移動(dòng)滑片前滑動(dòng)變阻器接人電路的阻值R應(yīng)小于6Ω。可以假設(shè)R＝3Ω，由歐姆定律求出I＝3A，進(jìn)一步可知移動(dòng)滑片后的電流為1.5A，再結(jié)合串聯(lián)電路中各部分電壓之和等于總電壓，可以得到下列兩個(gè)式子，由上兩式可以求出R0＝4Ω，U（電源）＝21V。移動(dòng)滑片前后滑動(dòng)變阻器兩端電壓、電阻以及通過(guò)的電流大小如圖3所示。

由上可知，移動(dòng)滑片前后滑動(dòng)變阻器接人電路的阻值都不是4Ω，故A、B錯(cuò)；移動(dòng)滑片后滑動(dòng)變阻器兩端的電壓可能為15V，也可能為3V，故選D。

總之，由于客觀事物具有多樣性，人們不可能一下把它們認(rèn)識(shí)清楚，而采用理想化的客體，即建立正確的物理模型來(lái)代替實(shí)在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有比較簡(jiǎn)單的形式，便于教師引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識(shí)和掌握它們，使學(xué)生對(duì)物理本質(zhì)的理解更加細(xì)致深入，對(duì)解決物理問(wèn) 題的分析更加清晰明了，所以，物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中有其不可替代的作用和重要的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

1、禹雙青，物理模型方法學(xué)習(xí)策略探討，湖南師范大學(xué)：教育，2005年

2、喬際平等著.《物理學(xué)科教育學(xué)》.北京：首都師范大學(xué)出版社，2000.1

3、呂明德：學(xué)習(xí)建構(gòu)主義理論 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力 中學(xué)物理教學(xué)探討2001/5

4、史獻(xiàn)計(jì)，物理模型建構(gòu)的心理過(guò)程分析，《物理教師》，2005年第4期

第三篇：物理教學(xué)中的模型教具

物理教學(xué)中的模型教具

在日常的物理教學(xué)中會(huì)遇到很多的困惑。無(wú)意間發(fā)現(xiàn)了這篇論文，分享給大家，也許他會(huì)給像我一樣有困惑的朋友們有點(diǎn)啟發(fā)，有點(diǎn)幫助。

模型在我們?nèi)粘Ｉ?、工程技術(shù)和科學(xué)研究中經(jīng)常見(jiàn)到,對(duì)我們的生產(chǎn)生活有很大幫助。物理學(xué)研究具有復(fù)雜性。怎樣發(fā)現(xiàn)復(fù)雜多變的客觀現(xiàn)象背后的基本規(guī)律呢?又如何簡(jiǎn)單的表達(dá)它們呢?人們有幸在漫長(zhǎng)地實(shí)踐活動(dòng)中找到一些有效的方法,其中一個(gè)就是:在具體情況下忽略研究對(duì)象或過(guò)程的次要因素,抓住其本質(zhì)特征,把復(fù)雜的研究對(duì)象或現(xiàn)象簡(jiǎn)化為較為理想化的模型,從而發(fā)現(xiàn)和表達(dá)物理規(guī)律。

既然物理模型是物理學(xué)研究的重要方法和手段,物理教育和教學(xué)中對(duì)物理模型的講述和講授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以簡(jiǎn)化客觀對(duì)象,合理簡(jiǎn)化客觀對(duì)象的過(guò)程就是建立物理模型的過(guò)程。根據(jù)簡(jiǎn)化過(guò)程和角度的不同,將物理模型分為以下五類:物理對(duì)象模型、物理?xiàng)l件模型、物理過(guò)程模型、理想化實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型。下面我們逐個(gè)加以說(shuō)明。

(一)物理對(duì)象模型——直接將具體研究對(duì)象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。這種模型應(yīng)用最為廣泛,在初中物理教材中有許多很好的例子。例如:質(zhì)點(diǎn)、薄透鏡、光線、彈簧振子、理想電流表、理想電壓表、理想電源和分子模型。作為例子,我們?cè)敿?xì)分析質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn),就是忽略運(yùn)動(dòng)物體的大小和形狀而把它看成的一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)。其條件是在所研究的問(wèn)題中,實(shí)際物體的大小和形狀對(duì)本問(wèn)題的研究的影響小到可以忽略。這樣以來(lái),很多類型的運(yùn)動(dòng)的描述就得到化簡(jiǎn)。比如所有做直線運(yùn)動(dòng)的物體都可以看成質(zhì)點(diǎn)。因?yàn)樽髦本€運(yùn)動(dòng)的物體的每一個(gè)部分每時(shí)每刻都做同樣的運(yùn)動(dòng),所以就可以忽略其大小和形狀,而只找這個(gè)物體上的一個(gè)點(diǎn)作為概括,當(dāng)然這個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量等于物體本身的質(zhì)量。這樣,直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一條直線,很容易想象、理解和刻畫(huà)。很多具體例子都可以這么做,例如以最大速度行駛在筆直鐵軌上的火車,沿著航空路線飛行的客機(jī),從比薩斜塔上下落的鐵球,等等。

(二)物理?xiàng)l件模型——忽略研究對(duì)象所處條件的某些次要因素而形成的物理模型。在初中物理中有:光滑面、輕質(zhì)桿、輕質(zhì)滑輪、輕繩、輕質(zhì)球、絕熱容器、勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)等。我們以輕質(zhì)桿為例加以分析。比如簡(jiǎn)單機(jī)械里的杠桿,在初中階段問(wèn)題往往歸結(jié)到力矩的平衡上來(lái)。即:動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。動(dòng)力和阻力都包括桿以外的物體對(duì)杠桿的作用力,還包括桿本身的重力。而桿重力的力臂在桿上的每一點(diǎn)都不同,這樣除了桿的形狀是幾何規(guī)則的少數(shù)例子以外的絕大部分杠桿問(wèn)題在初中階段就沒(méi)法解決。而輕質(zhì)桿的引入正好解決了這一問(wèn)題。輕質(zhì)桿是忽略了自身重力的彈性桿。當(dāng)外界物體對(duì)杠桿的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿自身重力的力矩或者桿自身重力的力矩相互抵消時(shí),就可以把桿當(dāng)成輕質(zhì)桿,杠桿受到的力矩只有外力矩,這樣所有杠桿平衡問(wèn)題都可以迎刃而解。

(三)物理過(guò)程模型——忽略物理過(guò)程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有:勻速直線運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)恒電流等。這些物理模型都是把物理過(guò)程中的某個(gè)物理量的微小變化忽略掉,把這個(gè)物理量看成是恒定的。因?yàn)檫@些量的變化量與物理量本身相比太小了,以至于可以略去不計(jì)。這樣不用考慮過(guò)程中物理量的復(fù)雜變化情況而只考慮恒定過(guò)程,分析問(wèn)題就容易多了。

(四)理想化實(shí)驗(yàn)——在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)邏輯推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想條件下的物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究方法就是理想實(shí)驗(yàn)。理想化方法是物理科學(xué)研究和物理學(xué)習(xí)中最基本、應(yīng)用最廣泛的方法。初中物理中就有一個(gè)非常著名的理想化實(shí)驗(yàn):伽利略斜面實(shí)驗(yàn)。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)有許多,現(xiàn)在舉其中的一個(gè)例子,同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來(lái),在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運(yùn)動(dòng)的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在沒(méi)有摩擦的水平面上永遠(yuǎn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)(在理想條件下的物理現(xiàn)象)。牛頓又在此基礎(chǔ)上建立了牛頓第一定律。無(wú)需多論,也足以見(jiàn)得理想實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大力量。

(五)數(shù)學(xué)模型——由數(shù)字、字母或其它數(shù)學(xué)符號(hào)組成的、描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象數(shù)量規(guī)律的數(shù)學(xué)公式、圖形或算法。初中物理中的數(shù)學(xué)模型主要有磁感線和電場(chǎng)線。磁感線(電場(chǎng)線)是形象的描述磁感應(yīng)強(qiáng)度(電場(chǎng)強(qiáng)度)空間分布的幾何線,是一種數(shù)學(xué)符號(hào)。而磁場(chǎng)和電場(chǎng)本身的性質(zhì)對(duì)這些幾何線做了一些規(guī)定,例如空間各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是唯一的規(guī)定了電場(chǎng)線不相交。這樣就使它們成為形象、簡(jiǎn)練而準(zhǔn)確的描述磁場(chǎng)和電場(chǎng)的數(shù)學(xué)符號(hào)。

物理模型在初中物理教育與教學(xué)中起到舉足輕重的作用,因此,在教學(xué)中我們就要重視對(duì)物理模型概念和具體模型(例如上文分析的模型)的講述,重視對(duì)建立物理模型方法的講授,重視對(duì)學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型意識(shí)的增強(qiáng),重視對(duì)學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型能力的培養(yǎng),讓學(xué)生體驗(yàn)到成功建立和應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題的快樂(lè)。

第四篇：3D打印技術(shù)及應(yīng)用

3D打印技術(shù)及應(yīng)用

Xx

（xxxxxxxxxxx）

摘要：3D打印技術(shù)自發(fā)展以來(lái)，以其高效、低成本、低能耗的特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)揮了不可多得的作用，它將是21世紀(jì)最偉大的技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的過(guò)程，能夠制造出你想到的和你想不到的東西，小到肌肉組織，大到樓房建筑。在未來(lái)該技術(shù)發(fā)展成熟時(shí)，人類的發(fā)展肯定能夠邁上新的臺(tái)階。關(guān)鍵字：3D打印 3D發(fā)展歷史 高效 低成本 低能耗 從無(wú)到有

Abstract：Since the development of 3D printing technology, with its high efficiency, low cost, low energy consumption, has played an important role in many areas, it will be one of the greatest technology in twenty-first Century.This technology to achieve a process from scratch, to make you think and you can not think of things, small to muscle tissue, large buildings to the building.In the future, the development of the technology is mature, the human development will certainly be able to step onto a new level.Key words：3D print 3D development history high efficiency low cost low energy

consumption from scratch 0引言

3D打印技術(shù)，專業(yè)名稱為快速成形技術(shù)，又

[1]稱快速原型制造技術(shù)，簡(jiǎn)稱RPM。3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物[2]。

3D打印是“增材制造”的主要實(shí)現(xiàn)形式?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方[3]法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末的美國(guó)，發(fā)展至今已經(jīng)取得極大的進(jìn)步。隨著技術(shù)的創(chuàng)新，3D打印技術(shù)逐漸深入各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑、藝術(shù)等領(lǐng)域都能看到3D打印技術(shù)的影子。3D打印技術(shù)會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域中刮起一波新的革命，包括建筑行業(yè)。3D打

印技術(shù)將會(huì)改變我們的對(duì)事物的認(rèn)知。3D技術(shù)發(fā)展史

3D打印技術(shù)實(shí)際上是一系列快速原型成形技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理都是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y孚西內(nèi)通過(guò)掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。從上個(gè)世紀(jì)80年代到今天，3D打印技術(shù)走過(guò)了—條漫長(zhǎng)的發(fā)展之路[4]。

1984年，Charles Hull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，1986年，Chuck Hull發(fā)明了立體光刻工藝，利用紫外線照射將樹(shù)脂凝固成形，以此來(lái)制造物體，并獲得了專利。隨后他離開(kāi)了原來(lái)工作的Utra Violet Products，開(kāi)始成立一家名為3D SystEMS的公司，專注發(fā)展3D打印技術(shù)，1988年，3DSystems開(kāi)始生產(chǎn)第一臺(tái)3D打印機(jī)SLA-250，體型非常龐大。

1988年，Scott Crump發(fā)明了另外一種3D打印技術(shù)——熱熔解積壓成形(FDM)，利用蠟、ABS、PC、尼龍等熱塑性材料來(lái)制作物體，隨后

[5]

也成立了～家名為Stratasys的公司。

1989年，C．R．Dechard博士發(fā)明了選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)，利用離強(qiáng)度激光將尼龍、蠟、ABS、金屬和陶瓷等材料粉來(lái)烤結(jié)，直至成形。

1993年，麻省理工大學(xué)教授EmanuaI Sachs創(chuàng)造7三維打印技術(shù)(3DP)，將金屬、陶瓷的粉末通過(guò)粘接劑粘在一起戍形。1995年，麻省理工大學(xué)的畢業(yè)生Jim Bredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床，而不是把墨水?dāng)D壓在紙張上的方案，隨后創(chuàng)立了現(xiàn)代的三維打印企業(yè)Z Corporation。

1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分別推出了型號(hào)為Actua 2100、Genisys、2402的三款30打印譏產(chǎn)品，第一次使用了“3D打印機(jī)”的稱謂[6]。

2005年，Z Croooration推出了世界上第一臺(tái)離精度彩色3D打印機(jī)一SpeCTRum 2510，同一年，英國(guó)巴恩大學(xué)的Adrian Bowyer發(fā)起了開(kāi)源3D打日機(jī)項(xiàng)目RepRap，目標(biāo)是通過(guò)3D打印機(jī)本身，能夠制造出另一臺(tái)3D打印機(jī)。

2008年，第—個(gè)基于RepRap的30打印機(jī)發(fā)布，代號(hào)為“Darwin”[7]，它能夠打印自身50%元件，體積僅—個(gè)箱子大小。

2010年11月，第一臺(tái)用巨型3D打印機(jī)打印出整個(gè)身軀的轎車出現(xiàn)，它的所有外部組件都由3D打印制作完成，包括用Dimension 3D打印機(jī)和由Stratasys公司數(shù)字生產(chǎn)服務(wù)項(xiàng)目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系統(tǒng)制作完成的玻璃面板[8]。

2011年8月，世界上第一架3D打印飛機(jī)由英國(guó)南安營(yíng)敦大學(xué)的工程師劍建完成。9月，維也納科技大學(xué)開(kāi)發(fā)了更小、更輕、更便宜的3D打印機(jī)，這個(gè)超小3D打印機(jī)重1.5kg，報(bào)價(jià)約1200歐元。

2012年3月，維也納大學(xué)的研究人員宣布利用二光子平板印刷技術(shù)突破了3D打印的最小極限，展示了一輛長(zhǎng)度不到0.3mm的賽車模型。7月，比利時(shí)的international Univers時(shí) CollegeLeuven的一個(gè)研究組測(cè)試了一輛幾乎完全由3D打印的小型賽車，其車速達(dá)到了140千米／小時(shí)。12月，美國(guó)分布式防御組織成功測(cè)試了3D打印的槍支彈夾[10]。

從3D打印技術(shù)的發(fā)展史我們可以看出，隨著3D打印技術(shù)的種類變多，3D打印機(jī)可打印的東西越來(lái)越多。而且，3D打印機(jī)的價(jià)格在不斷下降，1999年3D Systems的SLA 7000要價(jià)80萬(wàn)美元，而Cube要價(jià)僅1299美元。另外，雖然對(duì)于普通用戶和制造業(yè)來(lái)說(shuō)，3D打印的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時(shí)機(jī)還沒(méi)有成熟，但我們也看到3D打印機(jī)開(kāi)始向兩極分化，除了百萬(wàn)元級(jí)的大型3D打印機(jī)之外，國(guó)內(nèi)目前也出現(xiàn)了面向個(gè)人用戶價(jià)格

為數(shù)千元的3D打印機(jī)。3D技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域正逐步拓展，市場(chǎng)空

間廣闊[11]。

過(guò)去幾年里，快速制造技術(shù)通過(guò)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)改善制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造水平起到了巨大作用，在工程和教學(xué)研

究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有了獨(dú)特地位[12]

。通常應(yīng)用在產(chǎn)品試制和試驗(yàn)階段，比如功能檢測(cè)和裝配檢測(cè)等環(huán)節(jié)應(yīng)用較多。

目前3D打印技術(shù)在航空器和醫(yī)學(xué)及牙科領(lǐng)域的應(yīng)用增速最快，2009至2011年的3年間，應(yīng)用于航空器制造領(lǐng)域的設(shè)備市場(chǎng)份額由9.9%上升到了12.1%，醫(yī)學(xué)和牙科的市場(chǎng)份額由

13.6%上升到了15.1%[13]

。此外，在個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)讓消費(fèi)者在家里就能直接制作出想要的衣服、首飾、裝飾品、玩具、樂(lè)器、自行車甚至食品。如同電腦從學(xué)院、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到家庭一樣，3D打印技術(shù)也逐步改變所有人的生活。和任何其他技術(shù)類似，3D打印機(jī)迅速地變得越來(lái)越便宜，功能卻越來(lái)越強(qiáng)大。

三維打印技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)處在了人人都用得

起的臨界點(diǎn)[15]

。在美國(guó)，5年前一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的3D打印機(jī)的價(jià)格是5000-50000美元，而近期3D Systems和Autodesk推出了1500美元左右的個(gè)人用產(chǎn)品，最簡(jiǎn)單的3D打印機(jī)的價(jià)格甚至已經(jīng)達(dá)到了800美元。3D打印技術(shù)在過(guò)去數(shù)十年里取得了重大進(jìn)展，但有關(guān)材料、設(shè)備和應(yīng)用的技

術(shù)挑戰(zhàn)依然存在[16]，具體有以下幾個(gè)方面：

材料特性:在3D打印技術(shù)能夠完全過(guò)渡到提供切實(shí)可行的制造解決方案之前，需要為材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)，也需要更詳細(xì)的由這些材料性能制成零部件的規(guī)范信息。在沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)材料屬性之前，是無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)零部

件設(shè)計(jì)的[17]

。目前，世界各國(guó)已經(jīng)研發(fā)了很多3D打印技術(shù)材料，因此，建立全面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)需要整合研究機(jī)構(gòu)以及系統(tǒng)與材料。

材料開(kāi)發(fā):雖然已有大量的同質(zhì)與異質(zhì)材料混合物應(yīng)用于3D打印技術(shù)，但仍然需要開(kāi)發(fā)更多的材料。其中包括更好地理解已經(jīng)使用的材料的加工-結(jié)構(gòu)-屬性之間關(guān)系，從而了解這些材料的局限性和優(yōu)點(diǎn)[18-23]。此外，還需要開(kāi)發(fā)質(zhì)量測(cè)試程序和方法，以幫助擴(kuò)展可用材料的種類。3D技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

三維打印技術(shù)的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機(jī)可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房子里；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機(jī)零件等大物品，則需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本[24]。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費(fèi)；而且，它還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無(wú)法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計(jì)出飛機(jī)機(jī)翼或熱交換器；另外，在具有良好設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)過(guò)程的情況下，三維打印技術(shù)還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)制造過(guò)程，快速有效又廉價(jià)地生產(chǎn)出單個(gè)物品。

三維打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)金屬和塑料零件為了生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，這就意味著它們會(huì)非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無(wú)關(guān)的剩余物。三維打印技術(shù)不是這樣的。在三維打印技術(shù)中，原材料只為生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品”，借用三維打印技術(shù)，他的團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒(méi)有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來(lái)的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅(jiān)固。3D技術(shù)的應(yīng)用

4.1 3D打印機(jī)

3D打印技術(shù)最直接的產(chǎn)物就是3D打印機(jī)。最早的3D打印機(jī)由恩里科·迪尼(Enrico Dini)的發(fā)明家所設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)的打印機(jī)還比較粗糙。如今3D打印機(jī)已經(jīng)比較普遍，便宜的售價(jià)不到2000元，能夠打印制造各種各樣的模型實(shí)物。3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品多樣化，效率高而成本比傳統(tǒng)工藝低，制造復(fù)雜物品不增加成本，無(wú)須組裝，減少?gòu)U棄副產(chǎn)品，材料無(wú)限組合，精確的實(shí)

體復(fù)制。

3D打印機(jī)是結(jié)合添加劑、制造技術(shù)和快速成形技術(shù)的一種機(jī)器。快速成形技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM 技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類似于數(shù)學(xué)上的積分過(guò)程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺(tái)“立體打印機(jī)”，因此得名“3D 打印機(jī)”。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，運(yùn)用一些金屬、蠟、塑料等可粘合材料，采用分層加工、迭加成形，即通過(guò)逐層增加材料

來(lái)生成3D實(shí)體[25]

。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，比如要打印一個(gè)立體的蘋(píng)果，就先要將蘋(píng)果的大小形狀等參數(shù)在設(shè)計(jì)軟件中設(shè)計(jì)出來(lái)，或者用掃描儀把蘋(píng)果的各參數(shù)掃描輸入計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)會(huì)把蘋(píng)果每一層截面的形狀計(jì)算出來(lái)，然后在3D打印機(jī)里由下到上一層一層地把蘋(píng)果薄片“疊”起來(lái)。（如圖4.1）

圖4.1 3D打印機(jī)

4.2 3D打印機(jī)種類

3D打印機(jī)的種類繁多，主要根據(jù)成型技術(shù)來(lái)劃分：

①立體光固化成型法SLA。該方法主要采用液態(tài)光敏樹(shù)脂原料，通過(guò)3D設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出三維數(shù)字模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂表面，分層掃描固化疊加成三維工件原型。②選擇性激光燒結(jié)法SLS。該方法主要采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。對(duì)于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。

③分層實(shí)體制造法LOM，又稱層疊法成形。該方法主要用片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為原材料，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。

④熔積成型法FDM。該方法主要采用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）作為原材料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點(diǎn)高 1℃），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y兩個(gè)維度的平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，這樣逐層堆積形成三維實(shí)體。

⑤生物繪圖技術(shù)Bioplotter。主要以細(xì)胞為原材料，復(fù)制一些簡(jiǎn)單的生命體組織，例如皮膚、肌肉以及血管等，甚至在未來(lái)可以制造人體組織如腎臟、肝臟甚至心臟，用于進(jìn)行器官移植。

⑥ 3D建筑打印機(jī)。下文中詳細(xì)介紹。4.3 應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在醫(yī)療行業(yè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品原型、文物保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)、制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)和配飾制造等領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域帶來(lái)革命性的改變。下面我就詳細(xì)講講3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

在工業(yè)中，3D打印機(jī)很難用于批量生產(chǎn)，因?yàn)閷?duì)比于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)還有一定的障礙，所以在工業(yè)中一般用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制，設(shè)計(jì)師可以把設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品用3D打印機(jī)很快地制造出來(lái)，然后根據(jù)實(shí)際需要來(lái)繼續(xù)下一步的研發(fā)，大大降低了研發(fā)的成本，還提升了研發(fā)速度。

在醫(yī)學(xué)中，3D打印機(jī)可以用來(lái)制造肌肉組織和特定的人體器官，通過(guò)打印人類胚胎干細(xì)胞生產(chǎn)3D結(jié)構(gòu)，能造成更精確的人體組織模型，這對(duì)藥物開(kāi)發(fā)，毒性測(cè)試非常有用，為人類提供可靠的藥物而不必再用動(dòng)物做藥物測(cè)試，提供用

于移植器官而無(wú)需捐獻(xiàn)，并能消除器官排斥和免

疫帶來(lái)的問(wèn)題。

3D打印機(jī)還可以用于藝術(shù)雕塑品的制作，有些工藝設(shè)計(jì)品難以用傳統(tǒng)工藝制造出來(lái)，而利用3D打印機(jī)，只需把作品的模型參數(shù)輸入電腦，打印出來(lái)，而且還打破了材料的局限和工藝的限制，使得藝術(shù)品更具可觀性。3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

讀土建類專業(yè)的我對(duì)建筑行業(yè)比較感興趣。我認(rèn)為3D打印技術(shù)在一些領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)瓶頸，要想再繼續(xù)發(fā)展很難，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到建筑中將是未來(lái)該技術(shù)的發(fā)展方向。

最近國(guó)內(nèi)有公司嘗試將3D打印技術(shù)運(yùn)用到建筑中（如圖5-1）。上海，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)正式交付使用，是首次打印出能夠住人的房子，這些“打印”出來(lái)的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過(guò)程僅花費(fèi)24小時(shí)（如圖5.1），用3D打印技術(shù)將房子直接打印出來(lái)，這個(gè)新聞令不少人驚嘆。整個(gè)打印過(guò)程形象來(lái)說(shuō)3D打印房子的技術(shù)流程就是：用巨大3D打印吊機(jī)裝置，噴頭裝著特殊的水泥，水泥從漏斗

圖5.1 3D打印建筑

噴嘴流出來(lái)，吊機(jī)上下左右控制噴嘴的運(yùn)動(dòng)，噴出水泥形成一層層的墻壁。就像早上刷牙擠牙膏一樣，只不過(guò)需要往 牙刷上擠出上千層的牙膏。其中還涉及材料技術(shù)和控制技術(shù)。

利用這種建筑打印技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)建造出多間標(biāo)準(zhǔn)的房子，而且不需要眾多的建筑工人，很大程度避免了建筑的誤差，而且能最大程度保留建筑設(shè)計(jì)師的想法，效率高，而且?guī)缀鯖](méi)有建筑垃圾（要知道一個(gè)城市的建筑垃圾占了所以垃圾的三分之一）。

利用3D打印技術(shù)建房子需要攻克很多技術(shù)難題，材料、結(jié)構(gòu)、工具。萬(wàn)科老總王石就斷言，未來(lái)3D打印房子會(huì)成為一個(gè)主流：“萬(wàn)科下一步準(zhǔn)備做什么呢，我們要用3D打印機(jī)打印房子。三年之后萬(wàn)科的建研中心就會(huì)用3D打印機(jī)打印出一個(gè)房子，萬(wàn)科要集中資源，集中全球最優(yōu)秀的資源，在中國(guó)廣闊的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，做很多以前想不到的事情。

目前3D打印建筑處于起步階段，相信隨著科技的發(fā)展和3D打印技術(shù)的成熟，未來(lái)將會(huì)在建筑界中刮起一股革命風(fēng)暴，我們不需要人工一磚一瓦地建房子，只需要把數(shù)據(jù)錄入電腦，一棟樓房就會(huì)聳立在我們面前。許多在如今無(wú)法建成的建筑結(jié)構(gòu)，利用3D打印就可以一絲不差地做出來(lái)，解決一切建筑建造技術(shù)問(wèn)題，使建筑設(shè)計(jì)和建造走向無(wú)限自由，完美地體現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)。無(wú)建筑垃圾使建筑工程過(guò)程更加環(huán)保。當(dāng)3D打印建房技術(shù)成熟后，建樓效率大大提高，成本大大降低，中國(guó)居高不下的房?jī)r(jià)肯定會(huì)下降，更多人能買得起房。只不過(guò)到那時(shí)候許多人會(huì)失業(yè)，建筑工地中不會(huì)再有那么多建筑工人，又會(huì)引起一系列社會(huì)問(wèn)題。但是科技總是要進(jìn)步，人類總是要發(fā)展，社會(huì)也會(huì)進(jìn)步，或許那時(shí)候人們不需要像今天一樣整天疲于工作掙錢。3D打印技術(shù)未來(lái)運(yùn)用前景

英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將“3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”，這充分可以看出3D 打印機(jī)將來(lái)不是要取代某一個(gè)制造業(yè)，而是要取代幾乎所有的制造業(yè)。未來(lái)你想要什么，只需下載圖紙，按一下?打印?鍵，就可以去喝咖啡聽(tīng)音樂(lè)了，剩下的所有事，請(qǐng)統(tǒng)統(tǒng)交給打印機(jī)[26]。

未來(lái)的3D打印我們可以做什么？也許我們的房屋不在是人工建造的而是用3D打印機(jī)打印一個(gè)，我們不會(huì)受食物的匱乏而限制，想吃什么自己打；家里的常用物品不在需要購(gòu)買，需要杯子自己打印一個(gè)，可以看出，3D打印會(huì)在將來(lái)給我們帶來(lái)的便捷之處。

3D打印機(jī)的未來(lái)或?qū)o(wú)所不能，只需要一個(gè)想法，一些材料，一臺(tái)3D打印機(jī)，就能將腦

中的一切轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體，高新區(qū)3D打印技術(shù)的發(fā)展設(shè)想和對(duì)策采取財(cái)稅金融政策上積極支持、積極引導(dǎo)建立行業(yè)協(xié)會(huì)，鼓勵(lì)研發(fā)，加強(qiáng)教育培訓(xùn)

等措施，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印社會(huì)化推廣[27]。

制定數(shù)字化制造規(guī)劃，促進(jìn)3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展。建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意、工業(yè)設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財(cái)稅金融政策上，鼓勵(lì)企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用3D打印，支持3D打印設(shè)備的進(jìn)出口。

加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會(huì)建設(shè)，推動(dòng)3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。積極引導(dǎo)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機(jī)及材料研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)的平臺(tái)加強(qiáng)研討和交流，共同推動(dòng)3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進(jìn)3D打印技術(shù)發(fā)展的市場(chǎng)平臺(tái)建設(shè)，包括3D打印電子商務(wù)平臺(tái)、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制、3D打印及周邊項(xiàng)目投融資機(jī)制等，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平。設(shè)立專項(xiàng)基金，重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績(jī)效評(píng)估體系，鼓勵(lì)各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強(qiáng)對(duì)3D打印產(chǎn)學(xué)研合作的支持，特別對(duì)實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場(chǎng)銷售、社會(huì)推廣上給予政策支持[28]。

加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印社會(huì)化推廣。將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系，培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會(huì)、博覽會(huì)、論壇等組織形式進(jìn)行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓(xùn)。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動(dòng)中心等公

共機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心，推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[29]

。結(jié)論

3D打印技術(shù)是一種能夠改變我們生活方式的一種技術(shù)，雖然這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，并取得了一定的成就，但是這項(xiàng)技術(shù)還在起步過(guò)程中，我相信3D打印技術(shù)還有更大的發(fā)展空間，特別是在建筑方面?；蛟S，未來(lái)將利用3D打印技術(shù)在火星上就地取材建立一個(gè)火星基地，還可以制作出各種生活用品。

3D打印還有很長(zhǎng)的道路要走，它的價(jià)值還沒(méi)發(fā)揮到極致，當(dāng)3D打印技術(shù)達(dá)到一個(gè)成熟的階段，將會(huì)在人類的進(jìn)程中刮起一波新的制造革命。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美），胡迪·利普森，（Hod Lipson），梅爾芭·庫(kù)曼，（Melba Kurman）著 賽迪研究院專家組 譯 [2]《3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實(shí)》

[3]（美），杰里米·里夫金 著 張?bào)w偉，孫豫寧 譯 《第三次工業(yè)革命》

[4]（美），彼得·馬什，（Peter Marsh）著 賽迪研究院專家組 譯 《新工業(yè)革命》

[5]Print me a Stradivarius[J]．Economist，2011-2-10． [6]The printed world[J]．Economist，2011-2-10． [7]Wohlers Associates Inc．Wohlers Report 2011[R]．2011． [8]Gartner Inc，上海市科學(xué)學(xué)研究所．新興技術(shù)的炒作周期曲線[R]．2011．

[9]古麗萍．蓄勢(shì)待發(fā)的3D打印機(jī)及其發(fā)展[J]．?dāng)?shù)碼印刷，2011，（10）．

[10]劉厚才，莫健華，劉海濤．三維打印快速成形技術(shù)及其應(yīng)用[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，[11]陳步慶，林柳蘭，陸齊，等．三維打印技術(shù)及系統(tǒng)研究[J]．機(jī)電一體化，2005，（4）． [11]M.Fang,S.Chandra,C.B.Park,Building hree-dimensional objects by deposition of molten metal droplets, Rapid Prototyp.J.14(2008)44–52.[12]U.Scheithauer, E.Schwarzer, H.Richter, T.Moritz, Thermoplastic 3D printing—anadditive manufacturing method for producing dense ceramics, Int.J.Appl.Ceram.Technol.12(2015)26 –31.[13]U.Scheithauer,A.Bergner,E.Schwarzer, Studies

on thermoplastic 3D printing of steel-zirconia composites, J.Mater.Res.29(2014)1931 –1940.[14]J.Ebert,E.Ozkol,R.Telle,H.Fischer, K.Uibel, Direct inkjet printing: a versatile method of complex shape manufacturing, Proceedings of the 10th International Conference of the European Ceramic Society 2008, pp.466 –469.[15] J.Ebert, E.Ozkol, A.Zeichner, K.Uibel, O.Weiss, U.Koops, H.Telle, H.Fischer, Direct inkjet printing of dental prostheses made of zirconia, J.Dent.Res.88(2009)673 –676.[16]Y.Li,L.Li,B.Li,Direct write printing of

three-dimensional ZrO2 biological scaffolds,Mater.Des.72(2015)16 –20.[17]B.Cappi,E.Ozkol,J.Ebert,Direct inkjet printing of Si3N4: characterization of ink,green samples and microstructure, J.Eur.Ceram.Soc.28(2008)2625 –2628.[18]A.C.Young, O.O.Omatete, J.M.Aanney, Gelcasting of alumina, J.Am.Ceram.Soc.74(1991)612 –618.[19]H.Shao, X.Liu, Y.Ji, Z.Guo, Near-net shape processing of spherical high Nb –TiAl alloy powder by gelcasting, Int.J.Min.Met.Mater 20(2013)1076 –1080.[20]Y.Li, Z.Guo, Gel casting of WC–8 wt% Co tungsten cemented carbide, Int.J.Refract.Met.Hard Mat.26(2008)472 –477.[21]Y.Li, Z.Guo, J.Hao, Gel casting of 316L stainless steel, J.Univ.Sci.Tech.14(2007)507 –511.[22]S.Spath, H.Seitz, In fluence of grain size and grain-size distribution on workability of granules with 3D printing, Int.J.Adv.Manuf.Technol.70(2014)135 –144.[23]R.C.Dorf, The Engineering Handbook, second ed.CRC Press, Florida, 2004.[24]B.Cappi, J.Ebert, R.Telle, Rheological properties of aqueous Si3N4 and MoS2 suspensions tailor-made for direct inkjet printing, J.Am.Ceram.Soc.94(2011)111 –116.[25]S.Hong, C.Sanchez, H.Du, N.Kim, Fabrication of 3D printed metal structures by use of high-viscosity Cu paste and a screw extruder, J.Electron.Mater.44(2015)836 –841.[26]E.Charles,Radical Polymerization，in:

Seymour/Carraher's Polymer Chemistry,seventh ed.CRC

Press, Florida, 2008 119 –196.[27] C.Yan, Y.Shi, J.Yang, J.Liu, Preparation and selective laser sintering of nylon-12 coated metal particles and post processing, J.Mater.Process.Technol.209(2009)5785 –5792.[28] M.A.Omar, H.A.Davies, P.F.Messer, B.Ellis, The influence of PMMA content on the properties of 316L stainless steel MIM compact, J.Mater.Process.Technol.113(2001)477 –481.[29] L.Tremblay, F.Chagnon, Y.Thomas, M.Gagne, Green machining of P/M parts using enhanced green strength lubricating systems, SAE Techni.Paper.No.2001-01-0399 2001, pp.1 –9.

第五篇：基于醫(yī)學(xué)影像分割3D統(tǒng)計(jì)形狀模型[最終版]

基于醫(yī)學(xué)影像分割3D統(tǒng)計(jì)形狀模型

在過(guò)去的30年里，基于模型的分割方法被認(rèn)為是最成功的圖像分析方法之一。通過(guò)將一個(gè)包含所期望的感興趣區(qū)域的結(jié)構(gòu)表面信息以及形狀信息與新的圖像進(jìn)行匹配，該分割方式被認(rèn)為是自頂向下的。由于該方法用到了圖像內(nèi)部的先驗(yàn)信息，因此相比傳統(tǒng)的分割方法，這種方法可以更穩(wěn)定地處理局部圖像信息擾動(dòng)。雖然一個(gè)單一的形狀模板對(duì)于工業(yè)制造而言已經(jīng)足夠了，只需要大量生產(chǎn)即可，但是對(duì)于生物器官而言，由于其內(nèi)部可觀的的可變性，因此該方法在這種情況下通常會(huì)分割失敗。為防止上述情況，通常需要該模型具備適用于變形的可調(diào)節(jié)參數(shù)。一種直觀的方法就是對(duì)大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行形變信息收集，從而根據(jù)收集的信息構(gòu)造統(tǒng)計(jì)形狀模型。

這方面最著名的方法就是由Cootes等人在1995年提出的主動(dòng)形狀模型以及于2001年提出的主動(dòng)表面模型。

針對(duì)統(tǒng)計(jì)形狀模型，首先需要明白的是自由形變模型。Kass等人于1988年提出了具有重要意義的基于形變的snake分割方法，該方法的主要思想就是模型進(jìn)化是由兩種能量驅(qū)動(dòng)的，一種圖像數(shù)據(jù)的外部能量，一種基于一般光滑性約束的內(nèi)部能量。內(nèi)部能量和外部能量達(dá)到平衡就意味著到達(dá)了感興趣區(qū)域的邊界。不久以后，Terzopoulos等人將該方法推廣到了三維圖像中。Delingette等人于1994年引入了可形變的單一網(wǎng)格，該網(wǎng)格可以使穩(wěn)定的內(nèi)部能量很順利地朝著特定的模板形狀進(jìn)行形變。Mclnerney和Terzopoulos等人于1999年提出了將拓?fù)渥兓瘧?yīng)用在可形變表面的方法?？尚巫兡Ｐ桶l(fā)展了將近30年，在這20多年里，很多與該話題相關(guān)的綜述性文章都已發(fā)表，其中最典型的就是由Mclnerney和Terzopoulos于1996年，Jain等人于1998年以及2001年Montagnat等人發(fā)表的綜述性文章。在這里就不討論上述綜述里的相關(guān)算法。也許是由于時(shí)間緣故，之前的算法并沒(méi)有應(yīng)用到有約束的形變當(dāng)中。雖然無(wú)約束的形變模型可以用于表示特定性狀，但無(wú)論是內(nèi)部能量還是外部能量都是基于邊緣平滑屬性的，并且該能量并不能根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行相應(yīng)演變。

如果要了解統(tǒng)計(jì)形狀模型，還需要了解水平集。水平集這一概念是由Osher和Sethian等人于1988年提出的，該概念于1995年在Malladiet等人的推廣（將模糊的形狀表示與局部或者邊緣信息進(jìn)行結(jié)合），在計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及圖像分析等方面被很廣泛的應(yīng)用。Leventon等人于2000年，將原始的能量方程進(jìn)行了改進(jìn)，給之前的方程中增加了額外項(xiàng)，該項(xiàng)可以使邊緣信息朝著之前學(xué)習(xí)到的先驗(yàn)形狀信息進(jìn)行演變。對(duì)于該方法的適用性，有很多人提出了質(zhì)疑。形狀模型的基礎(chǔ)在于具有標(biāo)記性的距離映射，該映射并不適用于線性空間，如果訓(xùn)練太多樣本，會(huì)導(dǎo)致形狀模型是無(wú)效的（可能會(huì)達(dá)到過(guò)擬合的效果）。然而，該方法收到了大量好評(píng)并且被推廣到很多領(lǐng)域，例如，Tsai等人于2003年就提出了將Leventon的模型與基于區(qū)域的能量方程相結(jié)合的方法。Pohl等人于2006年提出了將符號(hào)距離映射應(yīng)用到線性LogOdds空間的方法，該方法可以用于解決建模問(wèn)題。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用統(tǒng)計(jì)形狀模型，該訓(xùn)練數(shù)據(jù)必須包含已經(jīng)分割好的體素信息。取決于要應(yīng)用的分割方法，初始數(shù)據(jù)可以是二值化的體素?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)用概率方法的模糊體素?cái)?shù)據(jù)或者表面網(wǎng)格數(shù)據(jù)。事實(shí)上，所有的形狀表示是可以相互轉(zhuǎn)換的，而形狀模型的表現(xiàn)形式的選擇就是設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)形狀模型的第一步。接下來(lái)的一系列步驟都是在初始步驟的基礎(chǔ)上完成的。

最常用以及最簡(jiǎn)單的描述形狀的方法，就是將所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行向量表示。這些點(diǎn)一般都是特征點(diǎn)或者標(biāo)注點(diǎn)，標(biāo)注點(diǎn)上的法向量一般都是用來(lái)構(gòu)造表面重建的必備要素。具有相互連通性的點(diǎn)集就是表面網(wǎng)格。標(biāo)志點(diǎn)被Kendall于1989年，Bookstein等人于2003年廣泛應(yīng)用于生物形狀統(tǒng)計(jì)研究當(dāng)中?；诮y(tǒng)計(jì)形狀模型中標(biāo)記點(diǎn)的使用，Cootes于1992年提出了點(diǎn)云分布模型。目前大多數(shù)的形狀模型都是基于點(diǎn)云分布模型的。

血管模型以及骨骼模型于20世紀(jì)70年代經(jīng)常被用于描述生物形狀信息，常用于圖像分析當(dāng)中。這些模型經(jīng)常用中心線信息以及相應(yīng)的半徑信息描述目標(biāo)，這種描述方式相比特征點(diǎn)的描述更緊密。Pizer等人于1999年用一種二維的從粗略到精細(xì)的表現(xiàn)方式表示血管模型。該方式通常包括中心線上的點(diǎn)云以及從該點(diǎn)云出發(fā)，指向邊界的法向量信息。后來(lái)該方法被Pizer等人于2003年擴(kuò)展到三維空間，并命名為m-rep。2006年，Yushkevich等人將m-rep應(yīng)用到連續(xù)的或者序列性的醫(yī)學(xué)影像中。后來(lái)m-reps在大量醫(yī)學(xué)影像的連續(xù)處理過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，該過(guò)程包括圖像分割，圖像配準(zhǔn)以及感興趣區(qū)域的形狀區(qū)分。

1996年Staib和Duncan等人用Fourier表面描述各種各樣的拓?fù)湫螤睢３酥猓€有就是利用球諧函數(shù)，即用一系列基函數(shù)去描述球的拓?fù)浔砻妗Ｔ摲椒ū籗zekely等人于1996年以及Kelemen等人于1999年應(yīng)用在圖形分割的形變模型當(dāng)中。Matheny和Goldgof等人于1995年提出了面調(diào)和函數(shù)，是對(duì)SPHARM 進(jìn)行了拓展，可以用來(lái)對(duì)非球狀拓?fù)溥M(jìn)行建模。Nikou等人于2001年用球狀網(wǎng)格的振動(dòng)模式描述物體表面。Davatzikos等人于2003年應(yīng)用小波變換描述形狀信息（當(dāng)時(shí)只是描述2維信息）。后來(lái) Nain和Yu等人于2007年將球型小波變化應(yīng)用在3維情況下。2002年Tsagaan等人提出了非均勻有理B樣條描述沒(méi)有太多細(xì)節(jié)信息的形狀，這種情況下，一般需要的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)就很少。2005年Golland等人提出了形狀特征描述子，該描述子用于形狀信息分類這一單一目標(biāo)就已足夠了。

構(gòu)造統(tǒng)計(jì)模型，需要得到平均形狀模型以及收集到的許多訓(xùn)練樣本。統(tǒng)計(jì)形狀模型的構(gòu)建很大程度上取決于所選擇的形狀信息。點(diǎn)云信息的有效性就在于所標(biāo)記的標(biāo)記點(diǎn)必須在所對(duì)應(yīng)的位置。只有在這種情況下，才能順利的進(jìn)行對(duì)齊這一步驟。形狀作為一個(gè)在相似性變換條件下不變的屬性，基本不受平移，旋轉(zhuǎn)，縮放的影響。通常而言，一個(gè)統(tǒng)計(jì)形狀模型不能作用于由全局變換引起的形狀改變，目的是盡可能的保持形狀的細(xì)節(jié)信息。因此，對(duì)齊的第一步就是將所有的訓(xùn)練樣本放在同一個(gè)坐標(biāo)系下。解決該問(wèn)題的方法就是1975年和1991年，Gower和Goodall兩人提出的廣義普魯克形狀對(duì)齊。標(biāo)準(zhǔn)的普魯克對(duì)齊（命名于希臘神話故事）最小化了兩個(gè)形狀之間的均方距離。對(duì)齊方式一般是將一組樣本與未知的平均形狀進(jìn)行對(duì)齊，這個(gè)過(guò)程是迭代完成的。Dryden和Mardia于1998年提出了該方法的細(xì)節(jié)信息。需要指出的是，GPA對(duì)異常值點(diǎn)并不特殊對(duì)待，都是將L1范數(shù)和無(wú)窮范數(shù)替代歐幾里得距離矩陣。

對(duì)齊之后，接下來(lái)就是降維，尋找最能描述形狀信息的最少變量。通常使用的是Jolliffe于2002年提出的主成分分析方法以及Horn于1965年提出的平行分析的方法，這兩種方法的特征值是等價(jià)的。PCA的降維會(huì)同時(shí)影響到很多變量，所降維數(shù)的不同，將會(huì)導(dǎo)致所選取的特征點(diǎn)的不同，不同的降維方式會(huì)導(dǎo)致不同的區(qū)域中有限的標(biāo)記點(diǎn)的聚類。PCA最終獲取的特征向量具有正交性。比較流行的是獨(dú)立主成分分析，由Hyvarinen等人于2001年提出。該方法并沒(méi)有假設(shè)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，但傳達(dá)的是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性的性質(zhì)或者是映射。除了PCA和LDA等降維方法，還有獨(dú)立成分分析以及由Hilger等人于2003年提出的最大化自相關(guān)因素M AF。經(jīng)證明，MAF與ICA是等價(jià)的。至于給統(tǒng)計(jì)形狀模型選擇適用的降維方法，可以參考stegmann等人于2006年提出的一系列選擇技巧。除了探索不同的線性分解，當(dāng)然也可以構(gòu)造非線性統(tǒng)計(jì)形狀模型。Sozou等人于1994年提出了基于多項(xiàng)式壓縮的非線性PCA，以及他的團(tuán)隊(duì)于1995年提出的多層感知器。Twining和Taylor等人于2001年提出了核PCA的方法，這種方法比其他方法更適用。很多情況下都是將核PCA與水平集結(jié)合起來(lái)，這樣的距離映射就不再局限于線性向量空間。

統(tǒng)計(jì)模型建立的好壞很大程度上取決于用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。在3D統(tǒng)計(jì)形狀模型的構(gòu)建過(guò)程中，建模結(jié)果經(jīng)常不盡如人意，那是因?yàn)橛?xùn)練圖片的量太少，還有就是手動(dòng)分割比較困難，而且很耗時(shí)。也許訓(xùn)練數(shù)據(jù)不少，但是符合要求的數(shù)據(jù)量不太多。這樣會(huì)導(dǎo)致模型的泛化性能比較差。Cottes和Taylor等人于1995年應(yīng)用有限元思想為每一個(gè)訓(xùn)練樣本生成與其相差不大的樣本。還有一種增加模型復(fù)雜性的方法就是將統(tǒng)計(jì)形狀模型分成不同相互獨(dú)立的小塊。Davatzikos等人于2003年應(yīng)用小波變換將整個(gè)模型分成不同的等級(jí)：最底層對(duì)應(yīng)的是全局轉(zhuǎn)換，較高層對(duì)應(yīng)的是局部區(qū)域的轉(zhuǎn)換。

統(tǒng)計(jì)建模需要一系列的合適的，具有已經(jīng)標(biāo)注好的訓(xùn)練樣本。在所有訓(xùn)練樣本的點(diǎn)云集合中找出相應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)就是一項(xiàng)很繁瑣的事情，手動(dòng)標(biāo)記特征點(diǎn)因?yàn)榭菰锖臅r(shí)會(huì)增大任務(wù)難度，更不用提在三維樣本上。三位樣本很難精確定位特征點(diǎn)位置，即使對(duì)于專家而言，這也是一項(xiàng)大工程。這就涉及到了點(diǎn)的配準(zhǔn)。點(diǎn)的配準(zhǔn)一般分為5種，分別是網(wǎng)格到網(wǎng)格，網(wǎng)格到體積，體積到體積，參數(shù)化到參數(shù)化，以及基于最優(yōu)化的配準(zhǔn)。針對(duì)網(wǎng)格到網(wǎng)格，主要用到的方法是由Besl和Mckay提出來(lái)的最近迭代點(diǎn)算法，以及由Rangaraian等人于1997年提出來(lái)的軟分配海盜算法。這兩種方法都是使用不同數(shù)量的頂點(diǎn)來(lái)表示形狀，并且將其中一個(gè)形狀通過(guò)最佳相似度變化匹配到另一個(gè)形狀以得到最后的匹配結(jié)果。當(dāng)然在這兩種方法的基礎(chǔ)上也發(fā)展了許多更加簡(jiǎn)單的方法，例如通過(guò)選擇任意形狀作為參考形狀，然后將這個(gè)參考形狀匹配到所有的其他形狀上去，因此其他形狀就可以使用與參考形狀相同數(shù)量的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行形狀表示。這種方案的缺點(diǎn)是即使使用平均形狀再次作為參考形狀也會(huì)引起一定的偏差。