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他将严格的形式化逻辑推理和良好的直觉化顿悟洞察结合起来，突破传统符号主义人工智能难以处理视觉等形象知识的局限，为计算机美术的智能化发展提供理论基础。
在技术应用方面，他把综合推理应用于计算机美术软件及自动创作，实现对视觉元素等视觉知识进行组合和推理以生成新的图案。
他改变了传统计算机美术创作依赖人工输入和操作的模式，提高了计算机美术创作的效率和质量，研发的计算机美术程序得到国际高度认可。
在数字图书馆领域，潘云鹤院士联合发起“中美百万册数字图书馆国际合作计划”，并取得成功。
其后，他又联合国内30所大学实施“高等学校中英文图书数字化国际合作计划（CADAL）”。
截至2020年，CADAL数字图书馆实现数字图书280多万册，数据容量逾1.5PB，成为世界上最大的公益性数字图书馆。
在文物保护领域，潘云鹤院士带领团队，对敦煌莫高窟进行壁画保护与修复，研制了具有独立自主知识产权的文物预防性保护监测与高保真数字化采集技术。
该技术实现了对珍贵壁画彩塑等文物的本体安全预警、环境调控支持以及原真性永久记录和沉浸式展示，让多处文化遗产地在科技护航下绝美长存。
在人工智能理论领域，潘云鹤院士作为人工智能2.0核心理念的重要推动者，早在2015年就提出“人工智能2.0”概念。
他组织和主持了《人工智能2.0发展战略研究》。
