AI深度估计案例：MiDaS在考古数字化中的应用

1. 引言：AI单目深度估计的现实价值

1.1 考古数字化中的三维重建挑战

在考古学领域，文物现场的三维记录至关重要。传统方法依赖激光扫描仪或立体相机进行空间建模，但这些设备成本高昂、操作复杂，且难以在狭小或脆弱遗址中部署。随着AI技术的发展，单目深度估计（Monocular Depth Estimation）为低成本、高效率的空间感知提供了全新路径。

尤其在田野考古、墓葬测绘和器物建档等场景中，研究人员往往只能获取普通2D照片。如何从这些静态图像中还原出可靠的深度信息，成为推动数字化保护的关键瓶颈。

1.2 MiDaS模型的技术突破

Intel ISL 实验室推出的MiDaS（Mixed Data Set Network for Monocular Depth Estimation）模型，通过在大规模混合数据集上训练，实现了跨场景的通用深度预测能力。其核心优势在于：

不依赖双目或多视角输入
可泛化至未见过的环境类型
输出连续的相对深度图（Relative Depth Map）

这使得MiDaS特别适合应用于考古现场——仅需一部手机拍摄的照片，即可生成具有空间层次感的热力图，辅助判断地形起伏、建筑结构或器物摆放关系。

2. 技术方案选型：为何选择轻量级CPU版MiDaS？

2.1 方案对比分析

方案	模型来源	硬件要求	部署难度	是否需要Token	适用场景
MiDaS_small (本方案)	PyTorch Hub 官方	CPU即可运行	极低	❌ 否	快速原型、边缘设备
MiDaS_large	ModelScope / HuggingFace	GPU推荐	中等	✅ 是	高精度科研分析
DPT-Hybrid	HuggingFace Transformers	GPU必需	高	✅ 是	工业级三维重建

📌结论：对于考古一线工作人员而言，稳定、免鉴权、低门槛的部署方式远比极致精度更重要。因此我们选择基于MiDaS_small的CPU优化版本。

2.2 核心优势解析

✅ 3D空间感知能力强

MiDaS v2.1 在 NYU Depth、KITTI、Make3D 等多个基准数据集上联合训练，具备良好的跨域泛化能力。即使面对古代建筑内部昏暗走廊、洞穴壁画等非标准光照条件，仍能有效识别近远景深变化。

✅ 可视化效果直观

系统集成 OpenCV 后处理管线，将原始深度值映射为Inferno 色彩空间热力图： - 🔥 红黄色区域 → 近处物体（如陶罐前缘） - 💠 紫黑色区域 → 远端背景（如墓室后墙）

这种视觉表达让非技术人员也能快速理解空间布局。

✅ 免Token验证，开箱即用

直接调用 PyTorch Hub 上发布的官方权重文件：

model = torch.hub.load("intel-isl/MiDaS", "MiDaS_small")

避免了 ModelScope 或 HuggingFace 的登录认证流程，极大提升野外作业系统的稳定性。

✅ CPU级轻量化推理

MiDaS_small模型参数量仅约 1800 万，在 Intel i5 处理器上单张图像推理时间控制在1.5秒以内，满足现场实时反馈需求。

3. 实践应用：WebUI集成与操作流程

3.1 系统架构概览

整个服务采用极简设计，包含以下模块：

前端界面：Gradio 构建的 WebUI，支持拖拽上传
预处理模块：图像归一化 + 尺寸调整（384x384）
深度估计引擎：PyTorch 加载 MiDaS_small 推理
后处理渲染：OpenCV 应用 Inferno 调色板
结果展示：左右对比图（原图 vs 深度热力图）

3.2 关键代码实现

以下是核心推理逻辑的完整实现（含详细注释）：

import torch import cv2 import numpy as np from torchvision import transforms # 加载预训练模型 model = torch.hub.load("intel-isl/MiDaS", "MiDaS_small") model.eval() # 图像预处理管道 transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]), ]) # 设备自动检测 device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model.to(device) def estimate_depth(image_path): """ 输入图像路径，输出深度热力图 """ # 读取并转换图像 img = cv2.imread(image_path) original_shape = img.shape[:2] # 记录原始尺寸 # 转RGB并缩放至模型输入大小 rgb_img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB) resized_img = cv2.resize(rgb_img, (384, 384)) # 预处理 input_tensor = transform(resized_img).unsqueeze(0).to(device) # 推理 with torch.no_grad(): prediction = model(input_tensor) # 上采样到原图尺寸 depth_map = ( cv2.resize(prediction.squeeze().cpu().numpy(), original_shape[::-1]) ) # 归一化并应用Inferno调色板 depth_normalized = cv2.normalize( depth_map, None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX ).astype(np.uint8) heat_map = cv2.applyColorMap(depth_normalized, cv2.COLORMAP_INFERNO) return heat_map