​基于点线特征的激光雷达+单目视觉里程计

编辑丨深蓝学院

标题：Lidar-Monocular Visual Odometry using Point and Line Features

作者：Shi-Sheng Huang1, Ze-Yu Ma1, Tai-Jiang Mu1, Hongbo Fu2, and Shi-Min Hu1

摘要

本文介绍了一种新颖的使用点和线的激光雷达+单目视觉的里程计方法。与以往的基于lidar+视觉里程计相比，通过在姿态估计中引入点和线特征来利用更多的环境结构信息。

提出了一种稳健的点线特征深度提取方法，并将提取的深度值作为点线捆集平差法的先验因子。

该方法大大降低了特征的三维模糊度，提高了姿态估计精度。此外，本文还提出了一种纯视觉运动跟踪方法和一种新的尺度校正方案，从而实现了一种高效、高精度的单目视觉里程计系统。

对公开的 KITTI数据集的评估表明，该方法比最新的方法实现了更精确的姿态估计，有时甚至比那些利用语义信息的方法更好。

相关内容与介绍

激光雷达视觉里程计因其在机器人、虚拟现实、自主驾驶等领域的广泛应用而成为一个活跃的研究课题，将视觉传感器和激光雷达传感器结合起来作为激光雷达视觉里程计，实现了两种传感器的优点，因此，在计算机视觉、计算机图形学、机器人学等领域的研究越来越受到重视。

相关方案有LOAM,LIMO,DVL-SLAM,ORB-SLAM,DSO等等。

本文提出了一种稳健而有效的激光雷达单目视觉里程计方法，它以纯几何的方式结合点和线的特征，从场景环境中提取比单个特征点系统更多的结构信息。

更具体地说，我们的系统融合了摄像机跟踪过程中的点和线特征作为地标，并将基于点和线的地标的重投影误差作为后端束调整的因素。

在传感器融合过程中，提出了一种鲁棒的方法从激光雷达数据中提取点和线的深度，并利用该深度辅助相机跟踪。

这样避免了仅仅基于可能模糊的三维三角化创建的三维地标，特别是对于三维直线。在点-线捆集调整中，将深度先验作为先验因子，进一步提高姿态估计精度。

内容精华

预处理

给定一个单目图像序列和一个激光雷达序列，假设两个传感器的内、外参数已经校准，并且两个传感器的数据已经进行了时间对齐。

将相机的局部坐标设置为body坐标，世界坐标设置为body坐标的起始点。

上图显示了我们系统的框架，其中包含三个运行线程：运动跟踪线程（前端）、捆集调整线程（后端）和回环闭合线程。

前端首先在每一帧中提取点和线特征，然后在每个关键帧中估计特征的深度，最后使用帧间里程计估计相机姿势。进行尺度校正优化帧间里程计的尺度漂移。

后端使用点线约束因子进行点线捆集调整。并基于具有点和线特征词袋的的回环闭合检测，以进一步细化关键帧的姿势。

A. 特征提取

可以使用各种点特征（SIFT、SURF、ORB等）作为跟踪特征。为了提高效率，这里采用了ORB特征作为点特征，如ORB-SLAM2中所述。

在检测过程中，要求ORB特征尽可能均匀地分布在图像中。线特征对于每幅图像，使用流行的线特征检测器，线段检测器（line segment detector，LSD）来检测线段，并计算提取线的描述子（lineband Descriptor，LBD）。

如图可以将将短线段连接为长线段（左），或将临近线段合并为新线段（右），以提高LSD提取线的质量

B. 点线深度提取

在本节将介绍一种从激光雷达数据中提取点和线深度的方法。

这里，2D点特征的深度是指其对应的3D点的深度，2D线特征的深度是指两个端点对应的3D地标的深度。

一个简单的点和线深度提取说明。将稀疏的lidar数据（灰点）对准像面后，分别在点邻域和线邻域中提取点深度和线深度

C. 帧与帧间的里程计

使用纯视觉帧间里程计来估计每个帧的相机姿态，这比其他基于ICP的里程计（如V-LOAM）更有效。

D. 基于优化的尺度校正

由于估计的尺度可能会偏离其实际物理尺度，这里提出尺度校正优化。

其核心思想是融合由ICP对齐步骤计算出的相对相机姿态，通过比例校正优化来调整新估计的关键帧相机姿态和相关的3D地标。

E. 点线捆集调整

在滑动相邻窗口的关键帧之间的后端形成一个点-线捆集调整，类似于ORB-SLAM2中的方法。

将三维直线地标L_w重新投影到图像平面上，产生与线段li（左）匹配的二维直线Li，其中p0和Q0是提取的深度先验值。重投影的直线Li和匹配线段li之间的误差由其两个端点到直线的距离定（右）

F. 回环检测

在运动估计过程中，回环闭合包括基于关键帧的循环检测和循环校正。

对于循环检测，首先使用DBoW算法分别训练点特征（ORB描述符）和线特征（LBD描述符）的词袋。

然后将每个关键帧转换为点向量和线向量。在评估关键帧之间的相似性时进行循环校正。

实验

该系统是基于ORB-SLAM2实现的，有三个线程，即帧间里程计、基于关键帧的捆集调整和回环检测。

在执行ICP校准时，我们使用PCL库中实现的正态分布变换（NDT）来计算两个相邻点云之间的相对相机姿态。

我们在公开的 KITTI训练数据集上测试了我们的方法，该训练数据集包含具有地面真实轨迹的00-10序列，并在64位Linux操作系统的Inte Core i7-2600@2.6GHz和8G内存的计算机上分析了方法的精度和时间效率。

从KITTI数据集序列00的第1380帧看，纯点特征系统（左）和我们的系统（右）之间的运动跟踪精度比较。

单个特征点系统的跟踪结果有明显的漂移，而我们的结果有无漂移的运动跟踪。

我们在KITTI数据集序列00（左）和05（右）上的运动跟踪轨迹，分别用我们的完整的系统（*）、没有深度优先模块的系统（-）和没有尺度校正模块的系统（#）与地面真值（GT）轨迹进行比较的结果

对深度先验和尺度校正的评估。将其精度与我们的完整系统进行了比较。如表所示，（-）表示没有深度先验，（#）没有尺度校正（*）具有完整系统。

对DEMO、DVL-SLAM、LIMO和我们的KITTI训练数据集进行了误差分析

使用我们的完整系统对NuScenes一部分数据集测试结果，包括点线检测结果（左）和使用估计相机姿态的最终点云重建结果（右）。

总结

在这篇论文中提出了一个准确而有效的利用点和线特征的激光雷达+视觉里程计方法。

通过利用更多的结构信息，证明了我们的方法比纯几何技术更精确，并且与使用额外语义信息（如LIMO）的系统达到了相当的精度。

希望这项工作能对后续的工作有所启发，比如探索其他类型的结构先验信息，如平面先验、平行、正交或共面规则等，以获得更精确的激光雷达+相机传感器融合系统。