基于RGBD的slam_rgb算法

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一.引言

       首先，我们需要知道什么是SLAM（simultaneous localization and mapping， 详见SlamCN），SLAM，即时定位与制图，包含3个关键词：实时、定位、制图，就是实时完成定位和制图的任务，这就是SLAM要解决的基本任务。按照使用的传感器分为激光SLAM（LOAM、V-LOAM、cartographer）与视觉SLAM，其中视觉SLAM又可分为单目SLAM（MonoSLAM、PTAM、DTAM、LSD-SLAM、ORB-SLAM（单目为主）、SVO）、双目SLAM（LIBVISO2、S-PTAM等）、RGBD SLAM（KinectFusion、ElasticFusion、Kintinous、RGBD SLAM2、RTAB SLAM）；视觉SLAM由前端（视觉里程计）、后端（位姿优化）、闭环检测、制图4个部分组成，按照前端方法分为特征点法（稀疏法）、光流法、稀疏直接法、半稠密法、稠密法（详见高翔《视觉slam十四讲》第xx章）；按照后端方法分为基于滤波（详见SLAM中的EKF，UKF，PF原理简介）与基于图优化（详见深入理解图优化与g2o：图优化篇与深入理解图优化与g2o：g2o篇）的方法。

    视觉SLAM框架：

       本文主要讲RGBD SLAM，RGBD SLAM属于视觉SLAM中的一种，使用的RGBD传感器包括zed（双目立体，适用于室外）、Kinect（结构光，仅限室内）、Kinect v2（TOF，主要用于室内）等（详见深度相机简介）。RGBD SLAM是SLAM中难度最小的，当然其具体实现也很复杂，对于不同的深度相机以及不同的应用场景，其实现也需要作出相应调整。RGBD SLAM可以应用在以下领域：室内三维建模、AR/VR、机器人室内定位导航、高精地图、自动驾驶、无人机避障与测图等；在定位与导航应用方面，SLAM朝着轻量化方向发展，而在室内三维重建方面，SLAM则越来越复杂（如BundleFusion）。

    视觉SLAM应用：

二.RGBD SLAM的研究现状

    1）现有的RGBD SLAM方法

    (1)前端

       前端就是我们所熟知的视觉里程计（VO），现有的前端方法包括特征点法、光流法、直接法、特征线面法等，简而言之，前端就是根据几何和光度一致性约束估计像机的运动。大多数的RGBD SLAM都是使用特征点、光流法或者直接法，较少使用特征线面等约束，原因是一般场景都能提供丰富的特征点，能适用于各种场景，而特征线面则只适用于人工场景，对于特征的使用场景，我们可以考虑使用线面提供约束条件。

       ICP：对于RGBD SLAM来说，我们可以直接使用ICP算法估计相机运动，但是几何特征缺失时，ICP法会失败；

       特征点法：优点是一般场景都能提供丰富的特征点，场景适应性较好，能够利用特征点进行重定位。缺点是特征点计算法耗时；特征点利用到的信息太少，丢失了图像中的大部分信息；对于弱纹理区域，特征点法将失去效用；特征点匹配容易产生误匹配，对结果产生很大影响。

       光流法：优点是不需要计算特征描述子，耗时短，不会产生误匹配的情况，比较稳健。缺点是它所基于的灰度不变假设是强假设，在实际环境中不成立，得到的结果不一定可靠；要求像机运动速度不能太快，不能自动曝光。

       直接法：优点是不需要计算特征点和描述子，可以得到稠密或半稠密的地图；在特征缺失时也可正常使用。缺点是与光流法一样，灰度不变假设在实际环境中不成立，得到的结果不一定可靠；要求像机运动速度不能太快，不能自动曝光。

       特征线面：优点是特征层次比点要高，不容易产生误匹配的情况。缺点是线面这样高层次的特征在场景中的数量较少。

       前端需要考虑的问题：匹配策略（两两帧匹配、多帧联合匹配、当前帧与局部特征地图匹配）、缺少深度信息的特征点如何处理（2D-2D/2D-3D/3D-2D/3D-3D混合使用）、如何加速特征匹配（FLANN等）、如何让特征分布均匀、如何剔除误匹配、考虑RGBD像机的噪声特性（依据噪声进行加权）、关键帧的选择等等（lz后面会详细介绍前端的各种细节）。

    (2)后端

       后端就是将前端的结果进行优化，分为基于滤波和图优化（非线性优化）两种方法，现在绝大部分SLAM系统都采用图优化。基于滤波的方法包括EKF、UKF、PF等，其优点是计算量相对较小，缺点是对非线性问题进行线性化近似之后，得到的往往是次优解；基于图优化的方法包括BA、位姿图、因子图等，常用的后端优化库有g2o、ceres、gtsam。相对于前端来说，后端的方法较为成熟稳定，没有什么变化的地方（lz后面会详细介绍后端的理论知识与实践）。

    (3)闭环检测

       为什么要进行闭环检测呢？原因是前端得到像机轨迹会随着时间不断漂移（drift），而且累积的误差会越来越大，这样，过不了多久，我们得到的像机运动轨迹就完全不可靠。当像机走到之前来过的位置时，我们可以得到一个强有力的约束，将像机轨迹拉回到正确的地方，这就是为什么我们要大费周章的寻找闭环。从数据关联的角度讲，VO只考虑短时间的数据关联，保证局部位姿的准确性，闭环检测则考虑长时间的数据关联，保证全局位姿的准确性。常用的闭环检测的方法包括BOW（词袋模型）、fabmap，现在深度学习也已经应用在闭环检测。此外，我们还可以结合其他数据进行闭环检测，比如OSM。

    闭环检测前后：

    (4)制图

       根据应用（定位/导航/避障/重建/交互）的不同，地图的表达类型也不同，常见的地图类型包括稀疏地图、稠密地图、语义地图、拓扑地图。

    地图类型： 

    2）优秀RGBD SLAM介绍

    (1)KinectFusion

       KinectFusion是首个基于RGBD相机的实时三维重建系统，用深度图像生成的点云通过ICP估计相机位姿，再依据相机位姿拼接多帧点云采，并用TSDF模型表达重建结果。KinectFusion虽然能实时构建三维模型，但它也存在很明显的缺点：RGBD相机的RGB信息完全没有得到利用；为保证实时性，需要用到GPU加速，增加实现的成本；当环境主要由平行平面构成时，ICP会失败；它在对同一个环境重复建模时误差不会无限累积，但对新环境进行建模时，误差仍会累积；使用固定体积的网格模型表示重建的三维场景，因而只能重建固定大小的场景；没有使用闭环检测进行优化。

    KinectFusion：

    (2)ElasticFusion

       ElasticFusion（见Thomas Whelan个人主页和ElasticFusion解析）充分利用RGBD相机的信息，利用RGB的颜色一致性估计相机位姿，以及利用深度图像生成点云进行ICP来估计相机位姿，通过不断优化重建的map来提高相机位姿的估计精度，最后用surfel模型进行地图表达。ElasticFusion的优点是充分利用颜色与深度信息，缺点是由于代码没有进行优化，它只适合对房间大小的场景进行重建。

    (3)Kintinuous

       Kintinuous（见Kintinuous解析）是对KinectFusion的改进，位姿估计通过ICP和直接法使用GPU实现，有闭环检测，并首次使用deformation graph对三维刚体重建做非刚体变换，使得闭环中两次重建的结果能够重合。

    (4)RGBD SLAM2

       RGBD SLAM2（见rgbdslam-ROS Wiki和视觉SLAM实战）是一个非常全面优秀的系统，将SLAM领域的图像特征、优化、闭环检测、点云、octomap等技术融为一体，非常适合RGBD SLAM初学者，也可以在其基础上继续开发。RGBD SLAM2的缺点是其算法实时性不好，相机必须慢速运动，此外，用点云表达三维地图很耗费内存。

    (5)RTAB Map（RTAB SLAM）

       RTAB Map（见RTAB-Map’s homepage和RTAB-Map中文详解）是当前最优秀的RGBD SLAM，它通过STM/WM/LTM的内存管理机制，减少图优化和闭环检测中需要用到的结点数，保证实时性以及闭环检测的准确性，能够在超大场景中运行。著名的Google Tango（见如何评价Google 的 Project Tango和Google Project Tango 有哪些黑科技）就是使用RTAB Map做SLAM，当然Tango中的RTAB Map还融合IMU等传感器数据（据说使用的是MSCKF，而且做了硬件同步）。今天还体验了一下Tango，不得不说Google的东西就是屌，无论在室内还是室外都能运行，当然室内效果更好，只要手机运动不是太快，基本上都能稳健运行，并构建mesh地图。

    RTAB Map结果：

    3）RGBD SLAM难点（见知乎：视觉SLAM难点以及可能的解决思路）

    (1)相机运动太快

       相机运动过快的影响：其一，相机运动过快时，帧间的重叠区变小，对于特征点法来说，同名特征点变少，对于光流法和直接法来说，灰度不变假设不成立，这将导致位姿估计不准或者没法估计（可使用广角、鱼眼、全景相机，或者多放几个相机解决）；其二，相机运动过快时，rolling shutter相机会产生运动模糊，严重影响特征点的提取与匹配，以及使用直接法进行位姿估计的准确性（可使用global shutter相机解决）。

    (2)视场角不够

       视场角不够，帧间的重叠区自然就小（zed视场角较大，而Kinect太小），可使用视场角大的相机解决，或者多用几个RGBD相机。

    (3)深度测量范围小、精度低

       zed深度测量虽然可达20m，但是精度不高，而且弱纹理环境下深度很不准；Kinect深测量范围为0.5~4m，精度可达2~4mm。

    (4)实时难度大

       当前的许多RGBD SLAM都需要计算特征（点线面），产生巨大的计算开销，为了保证SLAM系统实时运行，我们可以通过选择计算量小的特征、并行计算、利用指令集、放到硬件上计算等手段进行加速，当然还可以减少特征点数。实时性与SLAM结果的精度存在天然的矛盾，需要在两者间进行权衡。

    (5)遮挡

       相机运动到墙角时，许多信息会被遮挡；相机可能会被操作人员无意遮挡。

    (6)特征缺失

       许多应用场景包含大面积的弱纹理区域，导致位姿估计精度低或者失败。除了增加视场范围，使用IMU，好像没有太好的办法。

    (7)动态光源

       变化的光源会导致特征提取与匹配的不准，也让直接法的灰度不变假设不成立；此外，强光对Kinect会产生巨大干扰。

    (8)运动物体的干扰

       所有的SLAM都假设环境是静止的，但是运动物体会破坏这一假设。解决办法就是检测出运动物体，减小它们的影响。

    (9)时间同步

       现在许多SLAM系统都使用多个传感器，这就涉及到传感器间的时间同步问题，时间同步分为软同步和硬同步。软同步当然赶不上硬同步，但是硬件时间同步只能由硬件开发商解决，对于RGBD传感器来说，这是一个相当棘手但却十分重要的问题，但是绝大多数论文都避而不谈（即使我们无法解决）。

       上述问题在视觉SLAM中普遍存在，自然也在RGBD SLAM中存在，6、7、8这几个问题还在研究阶段，远达不到应用的要求，前面的几个问题倒是可以在一定程度上解决。比如使用广角相机，或者增加RGBD相机个数（时间同步问题无法解决），再或者使用IMU进行辅助（IMU优点是能测量快速运动，在视觉里程计失败时提供短时间的位姿估计）。

    4）RGBD-inertial SLAM

       为了解决相机运动过快、特征缺失带来的问题，以及减小运动物体的干扰，我们常常需要使用IMU辅助RGBD SLAM。相机与IMU数据融合方式（VIO概述）有多种，根据Davide Scaramuzza的分类，可以分为filter-based和optimization-based两类，这种分类与SLAM后端的分类一样；按照是否将图像特征添加到状态向量中，可以分为紧耦合与松耦合。基于滤波的松耦合的经典方法有SSF（single sensor fusion）和MSF（multi-sensor fusion）（见ETHZ的Stephen weiss的博士论文），紧耦合的经典方法有MSCKF。