數(shù)字化技術(shù)助力古建筑文化保護與傳承

我從小就喜歡歷史，經(jīng)常參觀故宮這類古建筑，看到不少古建筑受到了損壞，比如北京很多老胡同和寺廟等都存在年久失修的問題。近年來，古建筑保護受到越來越多的關(guān)注，引發(fā)了我對于古建筑文化保護與傳承的思考：如何將前沿的計算機學(xué)科與傳統(tǒng)古建筑結(jié)合起來，利用數(shù)字化技術(shù)助力古建筑文化的保護與傳承？

帶著這個問題，我報名參加了英才計劃計算機學(xué)科的選拔。經(jīng)過層層面試，我有幸進入了清華大學(xué)高躍副教授的實驗室開展項目研究。項目開始之初，與導(dǎo)師討論研究方向時，我就提出了想結(jié)合前沿的數(shù)字化技術(shù)與古建筑文化進行創(chuàng)新性研究的想法。導(dǎo)師給予了大力的支持，并指導(dǎo)我將研究目標(biāo)細化為利用三維視覺技術(shù)進行古建筑實景建模。在1年的培養(yǎng)中，圍繞著這一目標(biāo)，我經(jīng)歷了緊湊、充實的研究過程，體會到了嚴(yán)謹(jǐn)細致的探索精神，在學(xué)術(shù)研究與自身興趣相融合的交叉領(lǐng)域收獲了很多。

緊湊、充實的研究過程

初次接觸計算機視覺這一前沿領(lǐng)域，進行專業(yè)知識的學(xué)習(xí)是開始項目研究的第一步。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我從基礎(chǔ)編程和計算機視覺相關(guān)知識學(xué)起，學(xué)習(xí)了Python和MATLAB語言的基本知識，自學(xué)了斯坦福大學(xué)的計算機視覺視頻課程，并上手入門了主流的計算機視覺框架。在搭建了基本的知識框架后，我學(xué)習(xí)了各項采集硬件設(shè)備的使用，包括點云采集設(shè)備的參數(shù)設(shè)定和使用、全景多視圖采集工具的使用和多設(shè)備的聯(lián)合標(biāo)定與參數(shù)計算等。在此基礎(chǔ)上，我進一步學(xué)習(xí)了軟件層面的三維點云等相關(guān)知識和技術(shù)，包括點云和視圖數(shù)據(jù)的預(yù)處理算法、點云上色模型和精細化點云配準(zhǔn)算法等。

在完成相關(guān)專業(yè)知識的初步學(xué)習(xí)后，我針對古建筑數(shù)字化建模領(lǐng)域開展了調(diào)研。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的古建筑實景重現(xiàn)仍然以二維實景為主，在建模體驗和新媒體應(yīng)用上存在較大的局限性。比如某游覽平臺，建筑實景展示還是以全景圖片形式呈現(xiàn)，這些二維實景僅限于個別固定位置拍攝到的建筑場景，不能在其中自由移動和改變視角，不能保存足夠的空間結(jié)構(gòu)信息，空間感、沉浸感和交互性都不足。這些問題極大地限制了古建筑的建模體驗，也制約了虛擬現(xiàn)實、元宇宙等新媒體技術(shù)在古建筑保護領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。

為了解決傳統(tǒng)二維實景中存在的上述問題，我和導(dǎo)師進行了深入的討論，提出了具體思路并進行了驗證。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，我選擇使用三維彩色點云模型對古建筑進行精細化的三維場景建模。與二維圖像不同，三維的彩色點云融合了三維的深度信息和二維的顏色信息，能夠保存更加豐富的建筑信息。為了在實際古建筑場景上進行應(yīng)用驗證，我在實際的古建筑場景中進行了實地采集和處理。這一過程既考驗了我們的技術(shù)，也讓我更深入地了解了古建筑建模的細節(jié)和特點。通過模擬實驗和實地建模結(jié)果，驗證了對古建筑進行三維實景建模的可行性，證明了我們的技術(shù)能夠精準(zhǔn)地重現(xiàn)古建筑的三維結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的二維數(shù)字化方式，我們的方法在保存古建筑結(jié)構(gòu)化信息方面更為精準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

嚴(yán)謹(jǐn)細致的研究精神

在項目推進過程中，我深刻體會到了科學(xué)研究過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和細致性。在三維視覺領(lǐng)域，算法的嚴(yán)謹(jǐn)性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對于三維實景重現(xiàn)的結(jié)果至關(guān)重要。這些挑戰(zhàn)不僅考驗了我的專業(yè)知識，也培養(yǎng)了我解決問題的能力和毅力。

在算法改進過程中，每一步的實現(xiàn)都需要堅實的理論基礎(chǔ)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，其中涉及大量高等數(shù)學(xué)知識，給我造成了很大的障礙。在對算法進行改進引入相關(guān)熵損失函數(shù)的過程中，我就遇到了一個新的優(yōu)化問題，需要用到很多大學(xué)數(shù)學(xué)知識對一個新的損失函數(shù)進行最大化求解。為了解決這個問題，一方面我與導(dǎo)師進行了交流討論，請教相關(guān)的數(shù)學(xué)問題，同時也利用知網(wǎng)、谷歌學(xué)術(shù)等平臺對相關(guān)論文進行了研讀，自學(xué)了相關(guān)知識。功夫不負有心人，我終于查到了一篇發(fā)表于2020年的論文，文中詳細解釋了這個損失函數(shù)的優(yōu)化過程，最終利用拉格朗日算子和奇異值分解等高等數(shù)學(xué)方法完成了這個問題的求解。通過不斷的檢索和學(xué)習(xí)，對問題進行分解并逐個解決，我終于完成了整個算法的優(yōu)化代碼實現(xiàn)，克服了數(shù)學(xué)知識不足帶來的困難，鍛煉了細致求證的能力。

在數(shù)據(jù)采集過程中，每一步操作都需要精密的設(shè)備配合和精確的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。三維視覺數(shù)據(jù)的采集需要用到激光雷達、RGB相機等較多的精密光學(xué)儀器，為了保證三維場景重建的效果，必須要準(zhǔn)確標(biāo)定測量出這些精密儀器之間的相對方向和位置，才能把雷達采集的點云數(shù)據(jù)和相機采集的視圖數(shù)據(jù)映射到同一個空間，進而構(gòu)建出完整的彩色點云。為了實現(xiàn)雷達和相機的精確標(biāo)定，我制作了用于校準(zhǔn)雷達和相機相對關(guān)系的標(biāo)定板，通過驅(qū)動設(shè)備采集標(biāo)定板信息獲取對應(yīng)測量數(shù)據(jù)，通過多設(shè)備標(biāo)定最終計算出雷達和相機準(zhǔn)確的相對位置，并通過多次測量求平均值以減少誤差，讓我更深刻體會到了“差之毫厘，謬以千里”的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。

學(xué)術(shù)研究與興趣愛好相交融

回顧1年的培養(yǎng)，對我而言，不僅是參與科學(xué)研究的一次探索，更是將學(xué)術(shù)研究和自身興趣相結(jié)合的一次嘗試。英才計劃提供了一個平臺，讓我能將自己對歷史的熱愛與前沿的計算機視覺技術(shù)相結(jié)合，利用三維視覺技術(shù)為古建筑的保護和傳承貢獻一份力量。在未來的工作中，我會繼續(xù)推動這個項目，一方面將項目拓展到更多的古建筑場景，更好地驗證算法的魯棒性，提高訓(xùn)練數(shù)據(jù)的容量；另一方面繼續(xù)尋求與古建筑單位合作，推動系統(tǒng)在文物保護、旅游文化等方面的落地應(yīng)用。

感謝英才計劃，為我提供了一個接受行業(yè)頂尖科學(xué)家指導(dǎo)、接觸國內(nèi)外前沿科研的寶貴機會。感謝導(dǎo)師，無論是在基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，研究框架構(gòu)建，還是在課題開展過程中，都給予了我耐心的指導(dǎo)和熱心的幫助。通過培養(yǎng)，我不僅收獲了人工智能和計算機視覺領(lǐng)域的科學(xué)知識和研究技能，更重要的是鍛煉了解決問題的能力和探索未知的勇氣，堅定了未來繼續(xù)從事科學(xué)研究的信心，這些收獲都將成為我前行道路上的寶貴財富。