slam 理解

前端VO:

1. 初始化

相机进行平移运动,然后匹配不同帧的特征点,归一化不同帧之间的t为1,作为尺度因子。然后根据对极约束,采用八点法,估计出E(本质矩阵),F(和E只差一个相机内参),和H(单应矩阵),进而分解E得到R,t。

2. 三角测量:

两帧图像a,b。知道a图像上p1点,知道b图像上对应的 p2点,知道a图像与b图像之间的Rt关系,可以求出三维p点的坐标,即求出该点对两幅图像的深度s1和s2。

3. 3D-2D:PnP

知道n个3D空间点及其投影位置,来估计相机 位姿。如果一张图像上有3个特征点的3D位置已知,就可以估计相机运动。额外再需要一个点对验证结果。单目相机必须先进行初始化,才能使用PnP。

4. BA优化(最小化重投影误差优化)

PnP问题可以构建成一个最小化重投影误差问题。即把3D空间点投影到目标帧图像,根据特征点匹配也能已知其在图像上的真实坐标位置,这样最小化投影与真实位置的误差进行PnP的解算。

BA优化不限于两幅图像,可以多帧图像匹配的位姿进行优化,甚至可以将整个SLAM过程放进来进行优化,这种主要在后端优化时候才会使用。这里只是小型BA优化。

如果上3D-3D的位姿解算,就是ICP(迭代最近点)问题。

5. 直接法

因为特征点提取与匹配耗时,而且有些地方容易缺失。有三个思路可以处理这个问题:

1)只计算关键点,不提描述子,使用 光流法 跟踪特征点运动。其余解算不变,仍使用对极几何,PnP,ICP等算法。

2)只计算关键点,不提描述子,使用 直接法 计算特征在下一帧的位置。

3)既不计算关键点,也不提描述子,根据像素差异直接计算相机运动。

2)和3)都属于直接法。1)因为采用特征点,所以优化方法是最小化重投影误差。2)3)直接法中通过优化最小化光度误差来求解。

直接法推导的推导流程参考《SLAM十四讲》的P195。

直接法分类:(都是在把点P当作已知的空间3D点,双目可以直接给出,单目的需要进行深度估计来得到)

- 稀疏关键点: 稀疏直接法。只使用数百个像素即可。

- 半稠密直接法:像素梯度为0的点使雅可比矩阵为0,没有贡献,只考虑带梯度的像素点。

- 稠密直接法: P为所有像素点,需要GPU加速,很难实时「

所以VO流程:

先通过初始化相机运动,得到归一化尺度的相机位姿Rt,然后根据此Rt,采用三角测量方法得到一些特征点的3D空间坐标。有了3D空间坐标,再根据PnP方法,估计相机位姿R t,有了Rt再进行三角测量得到新的3D点,有了新的3D点又可以计算新的Rt。这样一直循环下去。

后端:

主要进行优化。投影过程如下:

1)把世界坐标转换到相机坐标,用到相机外参R,t

2)然后将P’投影到归一化平面,得到归一化坐标

3)考虑归一化坐标畸变情况,得到去畸变前的原始像素坐标。

4)根据内参模型,计算像素坐标

这个过程就是 观测方程。

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