VINS-Mono视觉SLAM总体设计框架解读

写在前面

VINS-Mono: A Robust and Versatile Monocular Visual-Inertial State Estimator 的设计思路主要突出两点：

1. 针对于单目的鲁棒性很强的VIO 系统
2. 通用性很强的VIO框架

从论文和工程的设计思路无不体现着这两点，从考虑周密的初始化过程，到球面相机模型的引入等等都有体现，至于中间的Keyframe、Sliding Windows 以及4-DoF Pose Graph Optimization都是为了既保证优化的性能，也兼顾系统的实时性所做的一些考量。

论文解读

vins-mono 概述

解读vins-mono

• 首先 Measurement Preprocessing (Vision Processing Front End + IMU Preintegration Processing)开始 ;

• 然后通过一个松耦合的方式来做初始化；

• 再通过一个紧耦合的方式来做 Local Visual-inertial Odometry；

1. Measurement Preprocessing 过程

• Visual Preprocessing 每一帧图像特征点提取和 KLT稀疏光流追踪
• IMU Preprocessing 两帧图像之间IMU预积分
• Keyframe Selection

2. Estimator Initialization 过程

• 首先是 Monocular Vision-Only SfM in Sliding Window 得到一个初步的平移和旋转
• Camera - IMU rotation calibration
• Visual-inertial alignment 对齐

3. Tightly Computed Monocular VIO

Nonlinear graph optimization-based, tightly-coupled, sliding windows, visual-inertial bundle adjustment

代码解读

各文件夹功能解读

code	功能
ar_demo	视觉定位的一个小应用demo
benchmark_publisher	订阅估计的estimated_odometry, 然后与CVS中的groundtruth对比
calibration_images	订阅相机的话题，保存成图片，用于相机校准，支持鱼眼相机，针孔相机
camera_model	各种相机模型的校准，入口函数
config	配置参数文件
feature_tracker	使用光流法追踪特征点
pose_graph	后端优化
vins_estimator	状态估计

从CMakeLists.txt分析

CMake files	function
vins_estimator/CmakeLists.txt	生成 vins_estimator Node
feature_tracker/CmakeLists.txt	生成 feature_tracker Node
pose_graph/CmakeLists.txt	生成 pose_graph Node
camera_model/CmakeLists.txt	生成Calibration可执行程序 和camera_model库

vins_estimator

• 入口函数为 estimator_node.cpp/main()

• readParameters(n); 读取优化参数，IMU噪声和偏置，IMU-camera内参等

• estimator.setParameter(); tic ric

• 订阅 imu_callback feature_callback restart_callback relocalization_callback

• 发布 Odometry path point-cloud

• 订阅话题的回调函数只是数据缓存到 buf

• 真正的处理在线程 std::thread measurement_process{process};中

  getMeasurements 通过时间戳，简单地对齐 IMU 和 feature point
  对于每一个IMU数据： estimator.processIMU(dt, Vector3d(dx, dy, dz), Vector3d(rx, ry, rz));
  对于每一帧CAM数据： estimator.processImage(image, img_msg->header);
  publish Odometry/KeyPoses/CameraPose/PointCloud/TF/Keyframe

vins-estimator 主要程序，
pose_garph
feature_tracker 使用光流法追踪特征点
intrinsic_calib.cc 从其他的库复制过来的

从多线程角度分析

功能类的问题

附录：

参数/变量 名称

参数名称	类型	来源	功能
IMAGE_TOPIC	string	yaml config file/image_topic	订阅图像话题名称
IMU_TOPIC	string	yaml config file/imu_topic	订阅IMU话题名称
MAX_CNT	int	yaml config file/max_cnt	max feature number in feature tracking
MIN_DIST	int	yaml config file/min_dist	min distance between two features
ROW	int	yaml config file/image_height	像素行数-图像高度
COL	int	yaml config file/image_width	像素列数-图像宽度
FREQ	int	yaml config file/freq	frequence (Hz) of publish tracking result. At least 10Hz for good estimation. If set 0, the frequence will be same as raw image
F_THRESHOLD	double	yaml config file/F_threshold	ransac threshold (pixel)
SHOW_TRACK	int	yaml config file/show_track	是否发布 tracking image话题
EQUALIZE	int	yaml config file/equalize	当图像太亮/暗，是否打开均衡补偿
FISHEYE	int	yaml config file/fisheye	是否使用鱼眼相机
FISHEYE_MASK	string	yaml config file/fisheye=1	fisheye_mask.jpg路径
CAM_NAMES	std::vector	parameter.cpp全局变量	像素列数-图像宽度
WINDOW_SIZE	int	parameter.cpp全局变量 20	滑动窗口的大小
STEREO_TRACK	int	parameter.cpp全局变量 false	是否使用双目追踪
FOCAL_LENGTH	int	parameter.cpp全局变量 460	焦距
PUB_THIS_FRAME	int	parameter.cpp全局变量 false	不发布这帧
NUM_OF_CAM	int	parameter.h 1	camera的数量
modelType	Camera::ModelType	yaml config file/model_type kannala_brandt/mei/scaramuzza/pinhole	camera的模型
SOLVER_TIME	double	max_solver_time	确保实时性，最大求解时间 0.04ms
NUM_ITERATIONS	int	max_num_iterations	确保实时性，最大迭代次数 8，避免冗余计算
MIN_PARALLAX	double	keyframe_parallax	关键帧选择的视差阈值 10 pixel
VINS_RESULT_PATH	int	output_path/vins_result_no_loop.csv	不加回环的输出结果
ESTIMATE_EXTRINSIC	int	estimate_extrinsic	IMU和cam相对外参的方式选择，0-有准确可信的参数；1-有一组初始值，后面将基于此再优化，2-完全不知道相对外参，启动之初进行在线校准(注意开始的时候要有旋转) 保存在 output_path/extrinsic_parameter.csv中
RIC[0] cv_R eigen_R	Eigen::Matrix3d	extrinsicRotation	IMU与camera的旋转
TIC[0] cv_T eigen_T	Eigen::Vector3d	extrinsicRotation	IMU与camera的平移
INIT_DEPTH	double	vins_estimator/parameters.h	camera的数量
BIAS_ACC_THRESHOLD	double	vins_estimator/parameters.h 1	acc偏置的阈值
BIAS_GYR_THRESHOLD	double	vins_estimator/parameters.h 1	陀螺仪偏置的阈值
TD	int	config/td	IMU与camera的固有时钟差
ESTIMATE_TD	int	config/estimate_td	置位online estimate time offset between camera and imu
ROLLING_SHUTTER	int	rolling_shutter: 0	0-全局快门；1-卷帘快门

NUM_OF_CAM | int | parameter.h 1 | camera的数量

class 名称

FeatureTracker 特征点追踪类

• FeatureTracker trackerData[NUM_OF_CAM];

CameraFactory 不同的相机类型和校准模型

• static boost::shared_ptr instance(void);

TicToc 计算时间差的功能类

Estimator

参考文档：