中国科学院空间科学与应用研究中心

一、单位介绍

彭晓东，男，研究员，硕士生导师，2008年毕业于中国科学院空间科学与应用研究中心，获博士学位。目前为空间中心信息仿真室仿真与可视化相关技术负责人，在三维视景、科学数据可视化、信息可视化等技术领域具有丰富经验。相关项目经历：

（1） 负责国家天文台嫦娥三号地面应用系统遥科学探测分系统仿真推演系统，实现月球表面的地形地貌、着陆器、巡视器的三维场景构建，并在头戴VR设备中实现虚拟展示。

（2） 负责军口863-702专题某协同设计与仿真评估系统，掌握地球表面局部区域的高精度GIS数据的建模与展示，近地空间任务仿真与场景构建。

（3） 2011-今年负责先导科技专项背景空间科学公共支撑系统的概念设计与仿真分析子课题，目前采用AR眼镜已成功实现空间科学任务流程的增强现实显示。

大疆2016年度全球无人机挑战赛；实现基于单目视觉的室内场景感知与避障。

二、技术和产品介绍

1、技术和产品。

（1）基于多传感器融合的复杂环境的高精度室内定位技术

面向救援任务的复杂环境的高精度室内定位技术，采用多传感器数据融合的方法，即基于LiDAR/视觉/IMU/声混合定位技术，从视觉、声音两种探测方式入手，支持在烟雾、遮挡、光照不理想的情况下，对复杂室内环境高精度定位。此技术路线旨在降低定位技术对专用硬件的依赖；避免室内烟雾和多径干扰因素的影响；弥补单个定位技术的不足，从而在复杂室内环境下的实现厘米级的定位精度。

2、其他技术和产品。

（1）空间科学任务协同论证系统

研制建设了包含30多个岗位的协同论证软硬件环境，在国内属于领先地位，先后完成了暗物质、量子、空间毫米波、夸父等多项空间科学卫星任务的设计、论证、仿真工作。

技术特点

· 基于模型系统工程；

· 图形化概念设计工具；

· 快速仿真分析

· 综合效果评估

（2）基于物理模型的光学成像仿真

实现了全链路模型构建和计算，生成了第一幅基于数字靶场的仿真图像。技术特点：

· 数字靶场多特性建模及构建技术

· 基于七维光场的入射、出射辐射场计算模型

· 目标-背景-大气紧耦合模型

· 空间光谱耦合建模

（3）地磁+天文组合自主导航

使用SWARM卫星实际地磁数据测试，依靠磁强计和星敏感器将近地卫星自主定位精度提升至百米量级，达到国际先进水平。目前已经完成导航样机初版工作。

三、核心技术、简要介绍掌握的核心技术情况

1、高动态场景的视觉SLAM技术

传统的视觉同步定位与场景重构技术（Simultaneous localization and mapping，以下简称SLAM）解决的是当视点自身位置未知、场景未知的情况下，利用视觉图像对自身定位的同时完成场景构建。本项技术针对动态场景下视觉SLAM定位的矩阵病态问题，地图构建问题以及柔性动态物体的重建问题，提出了综合解决方案，从而适应复杂环境的应用场景中，大量存在的动态物体的SLAM算法计算。

2、基于声音的SLAM技术

由于声音信号的衍射性能，声学探测具有全向性，相较于可见光、激光等其他的传感信号，利用声信号探测不需要直线视野，在有视野遮蔽障碍物的情况下依然可以有效地工作，非常适合现代战争中，常因遮挡、烟雾、伪装、干扰等原因造成的恶劣的光学和电磁探测环境，可以提高对作战场景重构、敌方火力来源判断、人员定位等战场感知的全面性、准确性。

基于听觉的声源定位与场景感知技术着重解决利用回声对场景进行重构和利用回声提高目标声源定位精度，同时还有机会对障碍物后的目标声源进行定位，不将多声源问题纳入考虑范围，因此本研究中的声源都是单声源。本技术首要难题是对不同传声器的回波信号按照反射面进行分组，得到对应相同反射面的回波信号组合。

3、基于光场感知与模拟技术

场景仿真是成像仿真的基础。几何、空间、光谱和辐射特性是重要的场景特性。借鉴光场理论，以包含三维坐标、空间分布、波长、强度的全光函数作为表征参数，建立基于光场的数字场景仿真理论与方法。针对可见光-近红外波段，分析能量来源，分别建立了太阳直射和天空漫射产生的数字场景入射辐照度场模型；针对背景对目标的辐射贡献，通过对太阳直射/天空漫射-背景反射-目标反射-遥感器这种辐射传输路径的详细分析，建立了背景产生的场景入射辐照度场模型；采用地表方向反射模型，建立了数字场景出射辐照度场模型。

4、基于头戴式AR的虚实场景一致性融合技术

虚实场景的几何一致性指虚拟影像要与现实世界在位置关系、透视关系和遮挡关系等几何因素上保持一致。因此，通过虚拟场景的局部修正与注册技术研究，计算观察者视点方位，将大场景模型坐标与视点坐标进行匹配，针对近距离的空间位置误差，通过头戴式AR设备的场景感知进行修正，从而把虚拟信息精确的叠加到真实环境上。同时，通过研究虚拟场景与真实场景的遮挡与融合技术，实时计算虚实场景之间的遮挡关系，使虚拟场景能够在视觉上更好地与真实环境融合；通过基于AR眼镜的虚拟场景交互技术研究，建立依靠自然手势的人与虚拟信息的交互方法。

四、应用领域

民用：室内煤场巡检、空间科学任务增强现实展示

军用：战场态势感知、成像全链路仿真评估

五、应用案例

1、 无人机室内煤场巡检

2、 无人机的三维场景实时仿真模拟、动力学控制仿真

3、 装备发展部预研领域基金课题“多源战场态势信息的AR场景实时重构技术研究”项目

4、 基于增强现实的空间任务虚拟展示

应用构想

1、智慧旅游

增强现实技术的虚实融合特点，非常适合对现有旅游、购物进行粘性更强服务升级，这包括三个层面：

· 智能导览：扩展了旅游业的发展模式，所具备的解说、指导、虚实融合、现实增强等功能让旅游者了解目前无法触及到的景点，吸引更多游客，刺激市场发展。

· 古迹修复

· 景区文化增值：将历史人文背景、奇闻趣事等虚拟内容加入旅游全过程，增强景区文化价值，同时虚拟内容重建方便、成本较低，能够为游客带来更多体验，增加景区粘性

2、基于增强现实技术的智能安保

实验室以及开展与地方公司合作，为公安系统提供智能基于增强现实眼镜的智能安保服务，实现了现场执行的快速人脸检测与身边识别。目前正在向人体姿势识别、人群行为识别技术的应用推进。为可疑人员的排查、群体事件的预警提供支持。该项技术能够为部队、银行、政府机关等重要部门安保系统的建设升级提供支持。

3、设备维修、医疗手术的远程指导

基于增强现实技术的远程维修能够为一线工作人员提供非常直观、准确、及时的指导，既包括在线视频指导，也包括专家知识的图形化指导。