数字化技术助力古建筑文化保护与传承

我从小就喜欢历史，经常参观故宫这类古建筑，看到不少古建筑受到了损坏，比如北京很多老胡同和寺庙等都存在年久失修的问题。近年来，古建筑保护受到越来越多的关注，引发了我对于古建筑文化保护与传承的思考：如何将前沿的计算机学科与传统古建筑结合起来，利用数字化技术助力古建筑文化的保护与传承？

带着这个问题，我报名参加了英才计划计算机学科的选拔。经过层层面试，我有幸进入了清华大学高跃副教授的实验室开展项目研究。项目开始之初，与导师讨论研究方向时，我就提出了想结合前沿的数字化技术与古建筑文化进行创新性研究的想法。导师给予了大力的支持，并指导我将研究目标细化为利用三维视觉技术进行古建筑实景建模。在1年的培养中，围绕着这一目标，我经历了紧凑、充实的研究过程，体会到了严谨细致的探索精神，在学术研究与自身兴趣相融合的交叉领域收获了很多。

紧凑、充实的研究过程

初次接触计算机视觉这一前沿领域，进行专业知识的学习是开始项目研究的第一步。在导师的指导下，我从基础编程和计算机视觉相关知识学起，学习了Python和MATLAB语言的基本知识，自学了斯坦福大学的计算机视觉视频课程，并上手入门了主流的计算机视觉框架。在搭建了基本的知识框架后，我学习了各项采集硬件设备的使用，包括点云采集设备的参数设定和使用、全景多视图采集工具的使用和多设备的联合标定与参数计算等。在此基础上，我进一步学习了软件层面的三维点云等相关知识和技术，包括点云和视图数据的预处理算法、点云上色模型和精细化点云配准算法等。

在完成相关专业知识的初步学习后，我针对古建筑数字化建模领域开展了调研。通过调研发现，现有的古建筑实景重现仍然以二维实景为主，在建模体验和新媒体应用上存在较大的局限性。比如某游览平台，建筑实景展示还是以全景图片形式呈现，这些二维实景仅限于个别固定位置拍摄到的建筑场景，不能在其中自由移动和改变视角，不能保存足够的空间结构信息，空间感、沉浸感和交互性都不足。这些问题极大地限制了古建筑的建模体验，也制约了虚拟现实、元宇宙等新媒体技术在古建筑保护领域的应用和推广。

为了解决传统二维实景中存在的上述问题，我和导师进行了深入的讨论，提出了具体思路并进行了验证。在导师的指导下，我选择使用三维彩色点云模型对古建筑进行精细化的三维场景建模。与二维图像不同，三维的彩色点云融合了三维的深度信息和二维的颜色信息，能够保存更加丰富的建筑信息。为了在实际古建筑场景上进行应用验证，我在实际的古建筑场景中进行了实地采集和处理。这一过程既考验了我们的技术，也让我更深入地了解了古建筑建模的细节和特点。通过模拟实验和实地建模结果，验证了对古建筑进行三维实景建模的可行性，证明了我们的技术能够精准地重现古建筑的三维结构，相较于传统的二维数字化方式，我们的方法在保存古建筑结构化信息方面更为精准，具有广阔的应用前景。

严谨细致的研究精神

在项目推进过程中，我深刻体会到了科学研究过程的严谨性和细致性。在三维视觉领域，算法的严谨性和数据的准确性对于三维实景重现的结果至关重要。这些挑战不仅考验了我的专业知识，也培养了我解决问题的能力和毅力。

在算法改进过程中，每一步的实现都需要坚实的理论基础和严谨的数学推导，其中涉及大量高等数学知识，给我造成了很大的障碍。在对算法进行改进引入相关熵损失函数的过程中，我就遇到了一个新的优化问题，需要用到很多大学数学知识对一个新的损失函数进行最大化求解。为了解决这个问题，一方面我与导师进行了交流讨论，请教相关的数学问题，同时也利用知网、谷歌学术等平台对相关论文进行了研读，自学了相关知识。功夫不负有心人，我终于查到了一篇发表于2020年的论文，文中详细解释了这个损失函数的优化过程，最终利用拉格朗日算子和奇异值分解等高等数学方法完成了这个问题的求解。通过不断的检索和学习，对问题进行分解并逐个解决，我终于完成了整个算法的优化代码实现，克服了数学知识不足带来的困难，锻炼了细致求证的能力。

在数据采集过程中，每一步操作都需要精密的设备配合和精确的数据校准。三维视觉数据的采集需要用到激光雷达、RGB相机等较多的精密光学仪器，为了保证三维场景重建的效果，必须要准确标定测量出这些精密仪器之间的相对方向和位置，才能把雷达采集的点云数据和相机采集的视图数据映射到同一个空间，进而构建出完整的彩色点云。为了实现雷达和相机的精确标定，我制作了用于校准雷达和相机相对关系的标定板，通过驱动设备采集标定板信息获取对应测量数据，通过多设备标定最终计算出雷达和相机准确的相对位置，并通过多次测量求平均值以减少误差，让我更深刻体会到了“差之毫厘，谬以千里”的严谨科学态度。

学术研究与兴趣爱好相交融

回顾1年的培养，对我而言，不仅是参与科学研究的一次探索，更是将学术研究和自身兴趣相结合的一次尝试。英才计划提供了一个平台，让我能将自己对历史的热爱与前沿的计算机视觉技术相结合，利用三维视觉技术为古建筑的保护和传承贡献一份力量。在未来的工作中，我会继续推动这个项目，一方面将项目拓展到更多的古建筑场景，更好地验证算法的鲁棒性，提高训练数据的容量；另一方面继续寻求与古建筑单位合作，推动系统在文物保护、旅游文化等方面的落地应用。

感谢英才计划，为我提供了一个接受行业顶尖科学家指导、接触国内外前沿科研的宝贵机会。感谢导师，无论是在基础知识学习，研究框架构建，还是在课题开展过程中，都给予了我耐心的指导和热心的帮助。通过培养，我不仅收获了人工智能和计算机视觉领域的科学知识和研究技能，更重要的是锻炼了解决问题的能力和探索未知的勇气，坚定了未来继续从事科学研究的信心，这些收获都将成为我前行道路上的宝贵财富。