漫谈 SLAM 技术(下)

《漫谈 SLAM 技术(上)》

3. 视觉SLAM系统关键问题

结合上述介绍的SLAM系统,我们从以下几个方面分析视觉SLAM系统需要考虑的关键问题。

(1)图像信息使用

视觉SLAM方法根据使用图像信息的不同可分为直接法,间接法。

直接法,常见于稠密或半稠密的SLAM中,指的是采用图像上每个像素的信息(亮度值)来估计相机位姿;间接法,常用于稀疏的SLAM中,只使用显著的图像部位(即特征)用于位姿估计的计算。

直接法最基本的原理是亮度一致性约束,由于摄像机可以直接测量光的亮度,那么它的优化目标函数是光度误差(如下图),优化变量可以是两幅图像之间的位姿关系,也可以是特征Patch的位置。

根据直接法使用的像素的不同,可以分为稠密直接法和半稠密直接法。在上述介绍的SLAM系统中,DTAM为稠密直接法,它使用了所有的像素;LSD-SLAM和DSO为半稠密直接法,它使用了梯度明显的像素;SVO也为半稠密直接法,它使用了FAST特征点周围邻域的像素。直接方法较多的使用了图像上像素的信息,在纹理较差的部分比间接法更鲁棒。但当场景中的光照变化后,直接法容易失效,亮度一致性约束要求两幅图像之间的光度误差尽可能地小。

间接法使用图像中的特征(点或者线)进行匹配,然后根据匹配关系求解(如下图),它的优化目标函数是特征的重投影误差,优化的变量一般为相对位姿。间接法选取的特征一般要求比较显著,对视角和光照变化具有不变性,对模糊和噪声有一定的弹性,这需要在计算速度和特征质量上取得平衡。计算机视觉领域研究了很多不同的特征提取和特征描述,它们对旋转、尺度不变,和计算速度的性能都不一样。选择合适的特征依赖于平台的计算能力,视觉SLAM算法运行的环境,还有图像的帧率。可选的角点提取器如Harris角点(Harris and Stephens, 1988)、Shi-Tomasi角点(Shi and Tomasi, 1994),FAST角点(Mair et al, 2010)等,特征描述包括但不限于BRIEF,BRISK,SURF,SIFT,FREAK,ORB和像素级别局部区块特征等。

使用间接法的SLAM系统一般都是稀疏的,因为它们只使用了图像的很少一部分像素的信息。在上述介绍的SLAM系统中,PTAM、ORBSLAM、VINS都属于间接法的SLAM系统。

(2)数据关联

数据关联就是在不同图像之间建立对应关系,也就是把在多个视角看到的同样的图像部分关联起来,这样才能为后续恢复三维结构做好基础。

特征对应主要有三类:2D-2D,3D-2D和3D-3D。

2D-2D的对应通常用于SLAM系统初始化的时机,这时没有地图,也没有两幅图像之间的相机变换,只能使用2D-2D的数据关联。为了减少计算时间,避免错误数据关联的可能性,可以用第一幅图像的特征2D位置定义一个搜索窗口在第2幅图像中进行搜索,并采用特征描述之间的相似度进行度量。对于像素描述子的局部区块,通常使用模板(patch)匹配中差值的平方和(SSD),或者为了增加对于光照变化的鲁棒性,使用零均值像素灰度差平方和 (ZMSSD),或者零均值归一化交叉相关(ZNCC);对于高层特征描述子,比如ORB,SIFT和SURF,可能会采用L1范数(向量中各个元素绝对值之和,就是绝对值相加,又称曼哈顿距离),L2范数(就是欧几里德距离)或汉明距离,为了加速匹配的搜索过程,可以采用KD树或词袋(BoW)。

3D-2D的特征对应常用于SLAM系统的运行阶段,前一相机位姿估计和场景3D结构已知,需要估计2D特征和这些3D路标在图像中投影的对应关系,有了这个对应关系,就可以通过PnP的方法来求解当前图像和上一帧之间的相对位姿,通常计算PnP时为了排除外点的干扰会结合RANSAC的方法进行。

3D-3D的数据对应主要用来估计和校正回环的累积误差,计算能使回环对齐的相似变换。在RGBD或双目系统中,还可以利用两帧之间的3D结构信息进行三维ICP配准来计算相对位姿,实现三维结构的对齐。

(3)初始化

单目的SLAM系统需要进行初始化,因为单帧图像数据并不能获取深度信息,也不能生成初始的地图。而RGBD和双目的SLAM系统由于单帧图像数据即可获取深度信息,所以不需要进行初始化操作。单目SLAM的初始化,只知道两幅图像之间的关联数据,初始相机位姿和场景结构都是未知的。

早期的MonoSLAM,系统初始化利用一个已知尺寸的平面矩形实现,将相机摆放在该矩形前已知距离的地方,利用平面矩形的四个角点计算初始位姿。

后来的SLAM系统,包括PTAM、SVO、ORBSLAM,都采用如下的流程进行初始化。

PTAM使用单应矩阵初始化,此时场景应该由2D平面组成。PTAM要求用户手工选择前两个关键帧,而且用户在第一个和第二个关键帧之间,需要与场景平行地执行一个缓慢平滑且相对明显的平移运动。PTAM从第1个关键帧提取FAST特征点,在后来的每一帧图像中,采用2D-2D数据关联方法追踪,直到用户插入第2个关键帧。 特征匹配采用ZMSSD,由于没有考虑图像形变,匹配过程对运动模糊和由于相机旋转比较敏感,因此在初始化过程中对用户的运动状态要求比较严格。为了使匹配错误最小化,特征需要在两帧之间对称搜索,如果两个方向的匹配不一致,特征就会被丢弃。第2个关键帧成功加入之后,则采用MLESAC28的方法来计算两个关键帧之间的单应矩阵H,随后利用文献29的方法对H进行分解来恢复相机相对位姿。PTAM初始化非常脆弱,需要技巧去运行,尤其是对于没有经验的用户。另外,当初始化场景不是二维平面,或用户运动状态不恰当的时候,系统退化,容易崩溃。

SVO也使用单应矩阵进行初始化,但SVO不需要用户输入,系统启动时获取第一个关键帧并提取FAST特征,然后用图像间的KLT算法跟踪特征,为了避免用户二次输入,SVO实时检测第一个关键帧和当前图像间的特征点平移量的中值,当这个值达到一定的阈值,算法认为已经获得了足够的视差,开始估计单应矩阵,然后分解单应矩阵并校验相机位姿,得到正确的位姿估计,并三角化对应的内点形成地图点。在第二个图像作为关键帧加入地图管理线程之前,利用捆集调整优化这两个图像帧以及其关联的地图点。与PTAM一样,SVO的初始化同样要求平面场景。

LSD-SLAM的初始化不需要使用两视图几何,它从第1个视角随机初始化场景的深度,然后通过随后的图像不断对场景深度进行修正。图像中梯度明显的像素点的深度被初始化为随机的分布,并赋值为较大的方差后放入系统。第一个初始化的关键帧和后面的图像配准后,跟踪直接开始。图像不断输入,初始特征点的深度测量用滤波方法优化,直到收敛。这种方法不存在两视图几何的退化问题;但在深度收敛之前需要处理大量图像,需要一个中间跟踪过程,生成的地图也不可靠。

在ORB-SLAM中,为了解决上述问题,作者建议并行计算基本矩阵和单应矩阵(用RANSAC方法),并评估两种方法的对称传输误差来选择合适的模型。完成之后,就会进行适当的分解,恢复出相机的位姿,并三角化生成初始地图点,最后通过捆集调整优化地图。如果选择的模型导致跟踪质量差,或者图像上的特征匹配较少,初始化就会迅速被系统丢弃,重新进行初始化,这保证了初始化的可靠性。

(4)位姿估计

因为数据关联计算量巨大,对于每个新图像的位姿,如果能够有个位姿先验,那么对于缩小数据关联的范围就会非常有益。所以,建立这么一个先验是大部分SLAM系统位姿估计的第一个任务。PTAM,ORB SLAM,都在平滑的相机运动状态下采用恒定速度运动模型作为当前图像位姿的先验。但是,在相机运动方向上突然改变时,这样的模型就容易失效。LSD-SLAM和SVO都假设在随后的图像上(这种情况下都是用高帧率相机)相机位姿没有明显改变,因此它们给当前图像位姿和前一个跟踪到的图像分配相同的先验信息。

下图是位姿估计的流程,前一幅图像的位姿用于指导数据关联流程,它可以帮助从当前地图中提取可见的子图,从而减少盲目投影整个地图的计算开销;另外,它还可以为当前图像位姿提供先验,这样特征匹配只在很小的区域内进行搜索,而不是搜索整个图像;最后,它还可以作为优化相机位姿的迭代初值。

下图演示了间接法的相机位姿是如何估计的,Cm是用运动模型估计的新图像位姿,C2是真实的相机位姿。利用Cm,将上一帧可见的地图点重投影到新图像上,在投影点周围一个搜索窗口Sw内进行数据关联,系统使用欧式变换参数(SE3变换)最小化重投影误差d。为了获得对外点(错误匹配的特征)的鲁棒性,目标函数最小化会利用核函数处理掉重投影误差比较大的特征。

(5)地图构建

不同的SLAM系统采用的地图表示形式不同,对于直接法的SLAM系统,由于恢复所有像素或者像素块的三维信息,它们生成地图为稠密或者半稠密的地图;而对于间接法的SLAM系统,它们仅恢复特征点的三维信息,生成的地图为稀疏的地图。无论是稠密、半稠密还是稀疏的地图,都可以看做三维的点云,虽然点云可以存储地图点的位置、特征和法线等,但是它们却不能反映相机位姿之间的关联,所以在SLAM系统中引入了位姿图(Pose Graph),如LSD-SLAM、ORB-SLAM。为了构建位姿图,SLAM系统会从图像帧中挑选一些帧作为关键帧,这些关键帧即为真实场景在不同位姿处的快照。关键帧包含了位姿信息和与地图点云的观测关系,这些关键帧构成了位姿图顶点,它们之间的连接构成了位姿图的边,两个关键帧之间共视的地图点的个数就是这条边的权值。

下图是地图构建的一般流程。可以看到地图构建需要处理两个方面的工作:新的地图元素的加入和已有地图数据的维护。

新地图元素的加入主要是三维地图点和关键帧。现代的SLAM系统一般都会选取适当的关键帧,以达到场景的精简表示(如PTAM、SVO、LSD-SLAM通过明显的位姿变化原则添加新关键帧,ORB-SLAM通过明显的场景视图变化原则添加新关键帧);在新地图点生成方面,PTAM和ORB-SLAM通过优化关键帧位姿,根据匹配点三角化生成新的地图点,而SVO和LSD-SLAM通过图像帧与关键帧的匹配不断更新深度滤波器,最后利用收敛的特征点的深度来描述新地图点。

已有地图数据的维护主要采用优化的方法对关键帧和地图点位姿进行优化,减少累积误差,并对冗余或错误的关键帧和地图点进行筛除,维护地图数据的有效性和正确性。由于地图数据维护多采用局部BA和全局BA的方法,计算较为耗时,PTAM、LSD-SLAM和ORB-SLAM均单独开辟线程进行处理。

(6)重定位

重定位解决SLAM系统在遭遇突然的剧烈运动或者无特征区域等情况时,跟踪丢失后重新找回的问题。如果不能有效的重定位,SLAM系统前面建立的地图就不能再利用,系统就会失败。

PTAM在检测到跟踪失败后,会将后续每一帧的缩略图SBI(Small Blurry Image)与所有关键帧的SBI进行比较,如果与其灰度的差异小于一定的阈值,那么通过ESM方法估计其相对旋转,然后将地图点投影到当前帧寻找匹配,如果匹配足够,则计算精确位姿,重定位成功。这种方法需要丢失时的位姿与已有关键帧的位姿比较相近才可以成功,在有大的平移时会失败。

SVO简单将图像帧与丢失前最后一次有效位姿附近最近的关键帧进行匹配,如果匹配成功则重定位成功。这种重定位策略对于光照变化和大的平移都很敏感,很容易失败。

LSD-SLAM随机从位姿图中选择一个具有两个以上相邻关键帧的关键帧,并试图将当前帧与它进行匹配,如果外点/内点比率较大,那么丢弃该关键帧,重新随机选择;否则接着测试所有与它相邻的关键帧,如果相邻的关键帧中内点/外点比率较大的关键帧数多于外点/内点比率较大的关键帧数,或者存在多于五个的内点/外点比率较大的关键帧,那么选择内点/外点比率最大的关键帧进行跟踪,重定位成功。

ORB-SLAM的重定位会调用它的位置识别模块,该模块基于BoW进行,它计算当前图像的BoW向量,与地图中所有关键帧的BoW向量比较,找出所有匹配得分高于75%最好低分的关键帧作为候选。对这些候选进行匹配和RANSAC PnP计算,如果内点满足阈值条件,就认为重定位成功。

(7)回环检测

回环检测对于消除SLAM系统长时间运行的漂移有非常重要的作用,如果能够识别到过的地方,那么回环的两端就可以对齐,全局的尺度一致性就能够保证。

LSD-SLAM的做法是每当加入一个新关键帧时,通过FABMAP (Glover et al, 2012)中的Appearance Bbased model搜索与空间最近的10个关键帧的匹配,一旦检测到闭环,则对位姿图进行优化,计算相似变换对齐回环两端,并将回环误差分散到到各个关键帧中。

ORB-SLAM回环检测使用重定位时同样的基于BoW的地点识别模块,它可以为新加入的关键帧从已有关键帧数据库中高效快速的提取回环候选。为了确信回环和排除干扰,它引入连续一致性约束。确信回环之后,同样计算一个相似变换对齐回环两端。然后对关键帧和地图点进行调整,融合重复的地图点,并且执行一个基于位姿图的全局优化。

4. SLAM的实现难点

在《SLAM for Dummy》中,有一句话说的好:“SLAM并不是一种算法,而是一个概念”。(SLAM is more like a concept than a single algorithm.)

SLAM是多个学科多个算法的不同策略组合,它融合了图像处理,几何学,图理论,优化和概率估计等学科的知识,需要扎实的矩阵、微积分、数值计算知识,SLAM跟使用的传感器和硬件平台也有关系,研究者需要具备一定的硬件知识,了解所使用的传感器的硬件特性。所以,根据不同的应用场景,SLAM研究者和工程师必须处理从传感器模型构建到系统集成的各种实践问题。

从上面章节的分析可以看出,SLAM的各个环节用到的技术是偏传统的。与当前大热的深度学习“黑箱模型”不同,SLAM的各个环节基本都是白箱,能够解释得非常清楚。但SLAM却并不是上述各种算法的简单叠加,而是一个系统工程,里面有很多TradeOff。

比如SLAM需要平衡实时性和准确性,SLAM一般是多线程并发执行,资源的分配、读写的协调、地图数据的管理、优化和准确性、关键参数和变量的不确定性以及高速高精度度的姿态跟踪等,都是需要解决的问题。

SLAM还需要考虑硬件的适配,SLAM的数据来源于传感器,有时是多个传感器融合,传感器的质量对SLAM的效果影响很大。例如,如果SLAM使用的相机图像噪点非常多,那么就会对姿态跟踪产生不好的影响,因为特征点提取会很不一致;再比如在VIO系统中,如果相机和IMU的时间戳不一致(至少毫秒级),也会影响算法精度甚至算法失败。多个传感器的分别校准和互相校准,乃至整个系统众多参数的调整,都是非常耗费时间的工程问题。

由于产品和硬件高度差异化,而SLAM相关技术的整合和优化又很复杂,导致算法和软件高度碎片化,所以市场上目前还没有一套通用普适的解决方案,在短时间内也不会有。

5. SLAM的未来

SLAM未来的发展趋势有两大类[]:一是朝轻量级、小型化方向发展,让SLAM能够在嵌入式或手机等小型设备上良好运行,然后考虑以它为底层功能的应用,比如手机端的AR和无人机SLAM等。在这些应用中,我们不希望SLAM占用所有计算资源,所以对SLAM的小型化和轻量化有非常强烈的需求。另一方面则是利用高性能计算设备,实现精密的三维重建、场景理解等功能。在这些应用中,我们的目的是完美地重建场景,而对于计算资源和设备的便携性则没有多大限制,由于可以利用GPU,这个方向和深度学习也有结合点。

(1)多传感器融合SLAM

实际的机器人和硬件设备,通常都不会只携带一种传感器,往往是多种传感器的融合。比如机器人除了视觉传感器,还通常具有激光雷达、里程计、IMU等,手机除了摄像头,也带有IMU、磁力计等传感器。融合多种传感器的信息对于提高SLAM系统的精度和鲁棒性有着重要的意义。比如目前手机上的VIO的研究,它将视觉信息和IMU信息融合,实现了两种传感器的优势互补,为SLAM的小型化与低成本化提供了非常有效解决方案,取得了良好的效果(如苹果ARKit)。

(2)语义SLAM

SLAM的另一个方向就是和深度学习技术结合。到目前为止,SLAM的方案都处于特征点或者像素的层级。关于这些特征点或像素到底来自于什么东西,我们一无所知。这使得计算机视觉中的SLAM与我们人类的做法不怎么相似,至少我们自己从来看不到特征点,也不会去根据特征点判断自身的运动方向。我们看到的是一个个物体,通过左右眼判断它们的远近,然后基于它们在图像当中的运动推测相机的移动。SLAM和语义的结合点主要有两个方面:

语义帮助SLAM。如果有了物体识别的语义信息,就能得到一个带有标签的地图,物体信息可为回环检测、BA优化带来更多的条件。

SLAM帮助语义。物体识别和分割都需要大量的训练数据。要让分类器识别各个角度的物体,需要从不同视角采集该物体的数据,然后进行人工标定,非常辛苦。而SLAM中,由于我们可以估计相机的运动,可以自动地计算物体在图像中的位置,节省人工标定的成本。如果有自动生成的带高质量标注的样本数据,能够很大程度上加速分类器的训练过程。

此外,未来的SLAM技术将会越来越注重算法和硬件的深度结合,专用处理器(如HoloLens HPU)和一体化功能模组(如Tango模组)也是未来的发展方向,这将会大大降低现有硬件平台的计算能力瓶颈和算法调试门槛,带给用户更流畅的体验。

技术发展永无止境,SLAM的未来也才刚刚开始,让我们拭目以待!

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24Ethan Rublee, Vincent Rabaud et al. ORB:an efficient alternative to SIFT or SURF. ICCV2011

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30高翔.《视觉SLAM十四讲》从理论到实践

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