SLAM学习 | 对ORB-SLAM2运行结果KeyFrameTrajectory.txt内容的说明

概要： 这篇文章对ORB-SLAM2运行结果KeyFrameTrajectory.txt文件的内容进行简单的解释说明。KeyFrameTrajectory.txt文件内记录了ORB-SLAM2系统运行开始到结束这段时间内相机的关键帧位姿，理解KeyFrameTrajectory.txt文件内容是进行后续应用的第一步。
关键字： KeyFrameTrajectory.txt文件; 说明
 

1 文件说明

   KeyFrameTrajectory.txt文件的部分内容如图1所示：

图1 KeyFrameTrajectory.txt文件内容

 
   其中，每一行描述了一个关键帧的位姿。一行有8列，内容分别是：

[timestamp, t_x, t_y, t_z, q1, q2, q3, qw]

 

   其中timestamp是当前帧的时间戳，_x, t_y, t_z表示当前帧的位置，q1, q2, q3, qw是四元数，Q=q1*i+q2*j+q3*k+qw，表示当前帧的姿态。下面分别详细展开。

2.1 时间戳

   timestamp是当前帧的时间戳，在ORB-SLAM2的图片命名规则中，当前帧的时间戳也就是当前帧的图像名。例如这里的第一个关键帧的timestamp是12.720000（秒），就是说明ORB-SLAM2是在系统运行到了第12.7秒时才开始工作的，之前的时间都在尝试初始化。

   如果我们运行TUM数据集的话，第一列的时间戳数据却不是这样的，而是如图2所示：

图2 运行TUM得到的KeyFrameTrajectory.txt

 
   实际上在这里的时间戳，例如1572352037.147673，实际上是Linux系统下拍摄该帧时的Linux系统时间，单位是秒，这里精确到小数点后6位，说明精确到微秒。下面说说Linux系统时间。

   UNIX及Linux的时间系统是由“新纪元时间”——Epoch开始计算起，单位为秒，Epoch则是指定为1970年一月一日凌晨零点零分零秒，格林威治时间。目前大部份的UNIX系统都是用32bit来记录时间，正值表示为1970以後，负值则表示1970年以前。我们可以很简单地计算出其时间领域是（单位：年）：

[1901.9042, 2038.0958]

 
   准确的时间为2038年一月十八日星期一晚上十点十四分七秒，那一秒钟过去以后，时间将会转为负数，变成1901年十二月十三日星期五下午三点四十五分五十二秒。这就是所谓的UNIX 2038 BUG，或者Jason hatchet bug。当然，解决这个问题的办法也很简单：用64bit记录时间就OK了，这时Unix世界的末日将会推迟到银河系灭亡以后。

   在Linux系统下获得当前时间戳的代码很简单，如下：

#include 
#include 

int main(void)
{
	struct timeval stamp;
	gettimeofday(&stamp, NULL);
	printf("tv_sec  : %ld  \n",stamp.tv_sec);
	printf("tv_usec : %ld \n",stamp.tv_usec);

	return 0;
}

   结果如图3所示：

图3 在Linux系统下获得当前时间戳

 
   回到正文，第一列的1572352037秒就是2019年10月28日的某一秒。

2.2 位姿

   现在介绍剩下7列。第2-4列分别是关键帧在初始帧坐标系下的位置坐标，初始帧坐标系就是ORB-SLAM2初始化成功时那一帧的相机坐标系，也就是ORB-SLAM2中的“世界坐标系”。因此你可以看到任意一个KeyFrameTrajectory.txt文件的第一行的2-4列都是0。

   第5-8列分别是关键帧在初始帧坐标系下的姿态四元数，第5-7列为四元数的虚部，第8列为实部，因此你可以看到任意一个KeyFrameTrajectory.txt文件的第一行的5-7列都是0，第8列都是1。ORB-SLAM2系统下的相机坐标系的XYZ三轴朝向规定如下：

X、Y、Z三轴分别指向相机右侧、下侧和沿着光轴指向正前方

   如图4所示：

图4 ORB-SLAM2系统下的相机坐标系规定

 
   由此，以第一帧为参考可以得到剩余关键帧的位姿，如果知道第一帧在真实世界中的位姿，就可以知道剩余关键帧在真实世界中的位姿，也就知道了相机在真实世界中的运动轨迹。

2 注意事项

   有以下几点需要注意：

   1-时间戳是有单位的，一般情况下是秒；
   2-四元数可以转换为俯仰、滚转和航向角；
   3-在单目SLAM中，KeyFrameTrajectory.txt文件的第2-4列表示位移的数据是没有单位的，这就是单目相机的尺度不确定性。