SLAM算法解析：抓住视觉SLAM难点，了解技术发展大趋势

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SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)是业界公认视觉领域空间定位技术的前沿方向，中文译名为“同步定位与地图构建”，它主要用于解决机器人在未知环境运动时的定位和地图构建问题。本次阅面科技资深研究员赵季也将从SLAM方向着手，为大家展现更深层次的技术干货。

 

 

赵季：阅面科技资深研究员。2012年获华中科技大学博士学位，2012年至2014年在CMU机器人研究所做博士后。曾在三星研究院从事深度相机、SLAM、人机交互方面的研究。目前专注于空间感知技术的研发。

 

 

目前科技发展速度飞快，想让用户在AR/VR、机器人、无人机、无人驾驶领域体验加强，还是需要更多前沿技术做支持，SLAM就是其中之一。实际上，有人就曾打比方，若是手机离开了WIFI和数据网络，就像无人车和机器人，离开了SLAM一样。

 

SLAM主要解决的是相机在空间中的定位、以及创建环境的地图。在当前比较热门的一些创业方向中，都可以看到它的身影：

 

• 在VR/AR方面，根据SLAM得到地图和当前视角对叠加虚拟物体做相应渲染，这样做可以使得叠加的虚拟物体看起来比较真实，没有违和感。

   

• 在无人机领域，可以使用SLAM构建局部地图，辅助无人机进行自主避障、规划路径。

   

• 在无人驾驶方面，可以使用SLAM技术提供视觉里程计功能，然后跟其他的定位方式融合。

   

• 机器人定位导航方面，SLAM可以用于生成环境的地图。基于这个地图，机器人执行路径规划、自主探索、导航等任务。

 

SLAM技术的发展距今已有30余年的历史，涉及的技术领域众多。由于本身包含许多步骤，每一个步骤均可以使用不同算法实现，SLAM技术也是机器人和计算机视觉领域的热门研究方向。

 

SLAM技术大解析

 

SLAM的英文全程是Simultaneous Localization and Mapping，中文称作“同时定位与地图创建”。SLAM试图解决这样的问题：一个机器人在未知的环境中运动，如何通过对环境的观测确定自身的运动轨迹，同时构建出环境的地图。SLAM技术正是为了实现这个目标涉及到的诸多技术的总和。

 

SLAM技术涵盖的范围非常广，按照不同的传感器、应用场景、核心算法，SLAM有很多种分类方法。按照传感器的不同，可以分为基于激光雷达的 2D/3D SLAM、基于深度相机的RGBD SLAM、基于视觉传感器的visual SLAM（以下简称vSLAM）、基于视觉传感器和惯性单元的visual inertial odometry（以下简称VIO）。

 

基于激光雷达的2D SLAM相对成熟，早在2005年，Sebastian Thrun等人的经典著作《概率机器人学》将2D SLAM研究和总结得非常透彻，基本确定了激光雷达SLAM的框架。目前常用的Grid Mapping方法也已经有10余年的历史。2016年，Google开源了激光雷达SLAM程序Cartographer，可以融合IMU信息，统一处理2D与3D SLAM 。目前2D SLAM已经成功地应用于扫地机器人中。

 

2006年使用激光雷达生成的实验室地图

 

基于深度相机的RGBD SLAM过去几年也发展迅速。自微软的Kinect推出以来，掀起了一波RGBD SLAM的研究热潮，短短几年时间内相继出现了几种重要算法，例如KinectFusion、Kintinuous、Voxel Hashing、DynamicFusion等。微软的Hololens应该集成了RGBD SLAM，在深度传感器可以工作的场合，它可以达到非常好的效果。

 

视觉传感器包括单目相机、双目相机、鱼眼相机等。由于视觉传感器价格便宜，在室内室外均可以使用，因此vSLAM是研究的一大热点。早期的vSLAM如monoSLAM更多的是延续机器人领域的滤波方法。现在使用更多的是计算机视觉领域的优化方法，具体来说，是运动恢复结构（structure-from-motion）中的光束法平差（bundle adjustment）。在vSLAM中，按照视觉特征的提取方式，又可以分为特征法、直接法。当前vSLAM的代表算法有ORB-SLAM、SVO、DSO等。

 

 

视觉SLAM

 

视觉传感器对于无纹理的区域是没有办法工作的。惯性测量单元（IMU）通过内置的陀螺仪和加速度计可以测量角速度和加速度，进而推算相机的姿态，不过推算的姿态存在累计误差。视觉传感器和IMU存在很大的互补性，因此将二者测量信息进行融合的VIO也是一个研究热点。按照信息融合方式的不同，VIO又可以分为基于滤波的方法、基于优化的方法。VIO的代表算法有EKF、MSCKF、preintegration、OKVIS等。Google的Tango平板就实现了效果不错VIO。

 

总的来说，相比于基于激光雷达和基于深度相机的SLAM，基于视觉传感器的vSLAM和VIO还不够成熟，操作比较难，通常需要融合其他传感器或者在一些受控的环境中使用。

 

Visual SLAM为什么比较难？

 

我们通过分析传感器的测量信息做个定性的分析。激光雷达或者RGBD相机可以直接获取环境的点云。对于点云中的一个点，它告诉我们在某个方位和距离上存在一个障碍点。而视觉传感器获取的是灰度图像或者彩色图像。对于图像中的一个像素，它只能告诉我们在某个方位有障碍点、障碍点周围的表观（local appearance）如何，但它不能告诉我们这个障碍点的距离。要想计算该点的距离，需要把相机挪动一个位置再对它观察一次，然后按照三角测量的原理进行推算。

 

原理上很清晰，实际做起来并不简单。首先需要在两幅图像中寻找点的对应，这涉及到特征点的提取和匹配、或者准稠密点之间的匹配。计算机视觉发展到今天，其实还不存在性能和速度上很好满足vSLAM的特征提取和匹配算法。常见的特征点提取算法，性能上大致可以认为SIFT>SURF>ORB>FAST，效率上可以认为FAST>ORB>SURF>SIFT（大于号左边代表更优。性能主要包括匹配精度、特征点的数量和空间分布等）。为了在性能和效率上取得折中，通常采用FAST或者ORB，只能舍弃性能更好的SIFT、SURF等。

 

其次，匹配点的图像坐标与空间坐标之间的关系是非线性的，例如2D-2D点的对应满足对极几何、2D-3D点的对应满足PnP约束。这些匹配数量较多，前后两帧图像中一般有几十至数百的匹配。这些匹配会引入众多约束关系，使得待估计变量的关系错综复杂。为了得到一个较优的估计，通常需要建立优化问题，整体优化多个变量。说起来这无非是一个非线性最小二乘优化问题，但实现起来并不简单，因为存在非线性约束、约束数量很多、存在误差和野值点，并且要将计算时间控制在允许范围。目前广泛采用关键帧技术，并且通过很多方法来控制问题规模、保持问题的稀疏性等。

 

非线性优化问题的形象图示。圆饼代表待优化的变量（相机姿态、特征点的空间坐标），杆子代表约束（对线几何、PnP等）。

 

前面分析了vSLAM的两个困难。前者导致了前端的特征跟踪不易，后者导致了后端的优化不易。想做出一个高效率、鲁棒的vSLAM系统还是一个非常有挑战的任务。效率方面，SLAM必须是实时运行的。如果不能做到实时，就不能称作SLAM。不考虑实时性，采用从运动恢复结构（structure-from-motion）效果会更好。鲁棒性方面，一个脆弱的系统会导致用户体验很差，功能有限。

 

使用structure-from-motion对玲珑塔进行三维重建

 

vSLAM的核心算法

 

预备阶段，包括传感器的选型和各种标定。Visual SLAM自PTAM算法以来，框架基本趋于固定。通常包括3个线程，前端tracking线程、后端mapping优化线程、闭环检测（loop closure）线程。

 

前端tracking线程主要涉及到：

 

(1) 特征的提取、特征的匹配；

 

(2) 多视图几何的知识，包括对极几何、PnP、刚体运动、李代数等。

 

后端优化线程涉及到非线性最小二乘优化，属于数值优化的内容。闭环检测线程涉及到地点识别，本质上是图像检索问题。对于VIO，还涉及到滤波算法、状态估计等内容。

 

将SLAM算法拆解了看，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算法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。如果仅仅跑跑开源程序，没有什么核心竞争力。不论是做产品还是做学术研究，都应当熟悉各种技术，才能有所创造。

 

SLAM的未来发展趋势

 

VSLAM的发展感觉是中规中矩，各个环节在前人的基础上一点点优化，同时不断吸收其他方向的最新成果。短期内肯定会在现有框架下不停地改进。至于长远一些的趋势，IEEE TRO 2016有一篇综述文章Past, present, and future of SLAM: towards the robust-perception age。几位有声望的学者在文中对SLAM的趋势做了非常好的总结。这里仅就自己感兴趣的点提一些个人感想。

 

新型传感器的出现会不停地为SLAM注入活力。如果我们能够直接获取高质量的原始信息，SLAM的运算压力就可以减轻很多。举例来说，近几年在SLAM中逐渐有使用低功耗、高帧率的event camera（又称 dynamic vision system, DVS）。如果这类传感器的成本能降下来，会给SLAM的技术格局带来许多变化。

 

自从深度学习在诸多领域所向披靡，不少研究者试图用深度学习中end-to-end的思想重构SLAM的流程。目前有些工作试图把SLAM的某些环节用深度学习代替。不过这些方法没有体现出压倒性优势，传统的几何方法依然是主流。在深度学习的热潮之下，SLAM涉及的各个环节应该会逐渐吸收深度学习的成果，精度和鲁棒性也会因此提升。也许将来SLAM的某些环节会整体被深度学习取代，形成一个新的框架。

 

SLAM原本只关注环境的几何信息，未来跟语义信息应该有更多的结合。借助于深度学习技术，当前的物体检测、语义分割的技术发展很快，可以从图像中可以获得丰富的语义信息。这些语义信息是可以辅助推断几何信息的，例如已知物体的尺寸就是一个重要的几何线索。