/**
* This file is part of ORB-SLAM2.
* ORB_ 匹配点
* * 该类负责
* 1特征点与特征点之间,
* 2地图点与特征点之间通过投影关系
* 3词袋模型 DBow2进行匹配
* 4Sim3位姿匹配。
*
* 用来辅助完成单目初始化,三角化恢复新的地图点,tracking,relocalization以及loop closing,
* 因此比较重要。
*
* 各类之间的匹配 局部匹配 全局匹配等
何时用投影匹配,何时用DBow2进行匹配?
在Relocalization和LoopClosing中进行匹配的是在很多帧关键帧集合中匹配,
属于Place Recognition,因此需要用DBow,
而 投影匹配 适用于两帧之间,
或者投影范围内(局部地图,前一个关键帧对应地图点)的MapPoints与当前帧之间。
*/
#include "ORBmatcher.h"
#include
#include
#include
#include "Thirdparty/DBoW2/DBoW2/FeatureVector.h"
#include
using namespace std;
namespace ORB_SLAM2
{
// 阈值等参数
const int ORBmatcher::TH_HIGH = 100;// 相似变换 描述子匹配 阈值
const int ORBmatcher::TH_LOW = 50; // 欧式变换 描述子匹配 阈值
const int ORBmatcher::HISTO_LENGTH = 30;// 匹配点对 观察方向差 的 直方图 格子数量
ORBmatcher::ORBmatcher(float nnratio, bool checkOri): mfNNratio(nnratio), mbCheckOrientation(checkOri)
{
}
// 当前帧 和 局部地图 之间的匹配
// 最好的匹配 和 次好的 匹配在 同一金字塔层级 并且 最短的距离不小于次短距离的 80% 不被选为匹配点
/**
* @brief 通过投影,对Local MapPoint进行跟踪
*
* 将Local MapPoint投影到当前帧中, 由此增加当前帧的MapPoints \n
* 在SearchLocalPoints()中已经将Local MapPoints重投影(isInFrustum())到当前帧 \n
* 并标记了这些点是否在当前帧的视野中,即 mbTrackInView \n
* 对这些MapPoints,在其投影点附近根据描述子距离选取匹配,
* 以及最终的方向投票机制进行剔除
* @param F 当前帧
* @param vpMapPoints Local MapPoints 局部地图点 和当前帧有关连的帧对应的 地图点集合
* @param th 阈值
* @return 成功匹配的数量
* @see SearchLocalPoints() isInFrustum()
*/
int ORBmatcher::SearchByProjection(Frame &F, const vector &vpMapPoints, const float th)
{
int nmatches=0;
const bool bFactor = th != 1.0;
for(size_t iMP=0; iMPmbTrackInView)//不在视野内
continue;
if(pMP->isBad())
continue;
// 步骤2 : 通过距离预测的金字塔层数,该层数相对于当前的帧
const int &nPredictedLevel = pMP->mnTrackScaleLevel;
// The size of the window will depend on the viewing direction
// 步骤3 : 搜索窗口的大小取决于视角, 若当前视角和平均视角夹角接近0度时, r取一个较小的值
float r = RadiusByViewingCos(pMP->mTrackViewCos);
// 如果需要进行更粗糙的搜索,则增大范围
if(bFactor)
r *= th;
// 在当前帧中获取候选匹配点
// 步骤4: 通过投影点(投影到当前帧,见isInFrustum())以及搜索窗口和预测的尺度进行搜索, 找出附近的兴趣点
const vector vIndices =
F.GetFeaturesInArea(pMP->mTrackProjX,pMP->mTrackProjY,r*F.mvScaleFactors[nPredictedLevel],nPredictedLevel-1,nPredictedLevel);
if(vIndices.empty())
continue;
const cv::Mat MPdescriptor = pMP->GetDescriptor();// 局部地图点的描述子
int bestDist=256;
int bestLevel= -1;
int bestDist2=256;
int bestLevel2 = -1;
int bestIdx =-1 ;
// 步骤5: 地图点描述子 和 当前帧候选 关键点描述子 匹配
// Get best and second matches with near keypoints
// vector::const_iterator vit
for(auto vit=vIndices.begin(), vend=vIndices.end(); vit!=vend; vit++)// 每一个候选匹配点
{
const size_t idx = *vit;// 每一个候选匹配点
// 步骤6: 当前帧关键点已经有对应的地图点 或者 地图点计算出来的匹配点 y偏移 比当前的 立体匹配点 误差过大 跳过
// 如果当前帧Frame中的该兴趣点 已经有对应的MapPoint了,则退出该次循环
if(F.mvpMapPoints[idx])
if(F.mvpMapPoints[idx]->Observations() > 0)// 已经找到过观测帧 就跳过
continue;
// 跟踪到的 匹配点坐标 与实际立体匹配的 误差过大 跳过
if(F.mvuRight[idx]>0)// 双目 / 深度相机
{
const float er = fabs(pMP->mTrackProjXR - F.mvuRight[idx]);//
if(er > r*F.mvScaleFactors[nPredictedLevel])// 跟踪到的 匹配点坐标 与实际立体匹配的 误差过大
continue;
}
const cv::Mat &d = F.mDescriptors.row(idx);// 每一个候选匹配点 的描述子
const int dist = DescriptorDistance(MPdescriptor,d);// 局部地图点 与 当前帧地图点 之间的 描述子距离
// 步骤7:根据描述子距离 寻找 距离最小和次小的特征点
if(dist mfNNratio*bestDist2)
continue;// 最好的匹配 和 次好的 匹配在 同一金字塔层级 并且 最短的距离不小于次短距离的 80%
// 步骤7:为Frame中的兴趣点增加对应的MapPoint
F.mvpMapPoints[bestIdx]=pMP;//
nmatches++;
}
}
return nmatches;
}
float ORBmatcher::RadiusByViewingCos(const float &viewCos)
{
if(viewCos>0.998)
return 2.5;
else
return 4.0;
}
/**
* @brief 检查 给出在匹配点对 是否在 极线范围内
* @Param kp1 帧1上的关键点kp1
* @Param kp2 帧2 pKF2 上的关键点kp2
* @Param F12 帧1到帧2的基本矩阵F12 p2转置 * F * p1 = 0
* @Param pKF2 帧2 pKF2
* @return kp2 距离 kp1 在帧2图像上极线 的距离在合理范围内 足够小 认为有可能匹配
*/
bool ORBmatcher::CheckDistEpipolarLine(const cv::KeyPoint &kp1,const cv::KeyPoint &kp2,const cv::Mat &F12,const KeyFrame* pKF2)
{
// Epipolar line in second image l = kp1(齐次表示)转置F12 = [a b c]
// 求出关键点kp1在 关键帧图像pKF2上对应的极线
const float a = kp1.pt.x * F12.at(0,0) + kp1.pt.y * F12.at(1,0) + F12.at(2,0);
const float b = kp1.pt.x * F12.at(0,1) + kp1.pt.y * F12.at(1,1) + F12.at(2,1);
const float c = kp1.pt.x * F12.at(0,2) + kp1.pt.y * F12.at(1,2) + F12.at(2,2);
// 计算kp2特征点到 极线 的距离:
// 极线l:ax + by + c = 0
// (u,v)到l的距离为:d = |au+bv+c| / sqrt(a^2+b^2)
// d^2 = |au+bv+c|^2/(a^2+b^2)
const float num = a*kp2.pt.x + b*kp2.pt.y + c;
const float den = a*a + b*b;
if(den==0)
return false;
const float dsqr = num*num/den;
return dsqr < 3.84 * pKF2->mvLevelSigma2[kp2.octave];// 距离在合理范围内 3.84卡方约束
}
// 当前帧 和 参考关键帧 中的地图点 进行特征匹配 匹配到已有地图点
// 关键帧和 当前帧 均用 字典单词线性表示
// 对应单词的 描述子 肯定比较相近 取对应单词的描述子进行匹配可以加速匹配
// 当前帧每个关键点的描述子 和 参考关键帧每个地图点的描述子匹配
// 保留距离最近的匹配地图点 且最短距离和 次短距离相差不大 ( mfNNratio)
// 如果需要考虑关键点的方向信息
// 统计当前帧 关键点的方向 到30步长 的方向直方图
// 保留方向直方图中最高的三个bin中 关键点 匹配的 地图点 匹配点对
/**
* @brief 通过词包,对参考关键帧的地图点进行跟踪
*
* 通过bow对pKF和F中的点描述子 进行快速匹配(不属于同一node(词典单词)的特征点直接跳过匹配) \n
* 对属于同一node(词典单词)的特征点通过描述子距离进行匹配 \n
* 根据匹配,用参考关键帧pKF中特征点对应的MapPoint更新 当前帧F 中特征点对应的MapPoints \n
* 每个特征点都对应一个MapPoint,因此pKF中每个特征点的MapPoint也就是F中对应点的MapPoint \n
* 通过 距离阈值、比例阈值 和 角度投票进行剔除误匹配
* @param pKF KeyFrame 参考关键帧
* @param F Current Frame 当前帧
* @param vpMapPointMatches 当前帧 F中关键点 匹配到的地图点MapPoints ,NULL表示未匹配
* @return 成功匹配的数量
*/
int ORBmatcher::SearchByBoW(KeyFrame* pKF,Frame &F, vector &vpMapPointMatches)
{
// 参考关键帧 的地图点
const vector vpMapPointsKF = pKF->GetMapPointMatches();
// 当前帧 关键点个数 个 匹配点 (对应原关键帧 中的地图点)
vpMapPointMatches = vector(F.N,static_cast(NULL));
// 参考关键帧 的地图点 描述子 的特征向量
const DBoW2::FeatureVector &vFeatVecKF = pKF->mFeatVec;
int nmatches=0;
vector rotHist[HISTO_LENGTH];// 方向向量 直方图
for(int i=0;ifirst == Fit->first)// 同一个单词下的 描述子
{
const vector vIndicesKF = KFit->second;
const vector vIndicesF = Fit->second;
// 步骤2:遍历关键帧KF中属于该node的地图点 其对应一个描述子
for(size_t iKF=0; iKF < vIndicesKF.size(); iKF++)// 每一个参考 关键帧 地图点
{
const unsigned int realIdxKF = vIndicesKF[iKF];
MapPoint* pMP = vpMapPointsKF[realIdxKF];// 取出KF中该特征对应的MapPoint
// 剔除 不好的地图点
if(!pMP)
continue;
if(pMP->isBad())
continue;
// 取出关键帧KF中该特征对应的描述子
const cv::Mat &dKF= pKF->mDescriptors.row(realIdxKF);
int bestDist1=256;// 最好的距离(最小距离)
int bestIdxF =-1 ;
int bestDist2=256;// 最好的距离(最小距离)
// 步骤3:遍历当前帧 F 中属于该node的特征点,找到了最佳匹配点
for(size_t iF=0; iF(bestDist1) < mfNNratio*static_cast(bestDist2))
{
// 步骤6:更新当前帧特征点对应的 地图点MapPoint
vpMapPointMatches[bestIdxF]=pMP;// 匹配到的 参考关键中 的地图点
const cv::KeyPoint &kp = pKF->mvKeysUn[realIdxKF];//地图点在 参考关键帧中的 像素点
if(mbCheckOrientation)// 查看方向是否 合适
{
// trick!
// angle:每个特征点在提取描述子时的旋转主方向角度,如果图像旋转了,这个角度将发生改变
// 所有的特征点的角度变化应该是一致的,通过直方图统计得到最准确的角度变化值
float rot = kp.angle - F.mvKeys[bestIdxF].angle;// 当前帧 的 关键点 的方向和匹配点方向 变化
if(rot<0.0)
rot+=360.0f;
int bin = round(rot*factor);
if(bin==HISTO_LENGTH)
bin=0;
// 对于每一对匹配点的角度差,均可以放入一个bin的范围内(360/HISTO_LENGTH)
assert(bin>=0 && binfirst < Fit->first)
{
KFit = vFeatVecKF.lower_bound(Fit->first);
}
else
{
Fit = F.mFeatVec.lower_bound(KFit->first);
}
}
// 步骤7: 根据方向剔除误匹配的点
if(mbCheckOrientation)
{
int ind1=-1;
int ind2=-1;
int ind3=-1;
// 统计方向偏差直方图 频率最高的三个bin保留,其他范围内的匹配点剔除。
// 另外,若最高的比第二高的高10倍以上,则只保留最高的bin中的匹配点。
// 若最高的比第 三高的高10倍以上,则 保留最高的和第二高bin中的匹配点。
ComputeThreeMaxima(rotHist,HISTO_LENGTH,ind1,ind2,ind3);
for(int i=0; i(NULL);// 其他范围内的匹配点剔除。
nmatches--;
}
}
}
return nmatches;
}
/**
* @brief 为关键帧 pKF 中 还没有匹配到3D地图点的 2D特征点 从所给的地图点中匹配 地图点
* 根据Sim3变换 转化到 欧式变换,
* 将每个vpPoints投影到 参考关键帧pKF的图像像素坐标系上,并根据尺度确定一个搜索区域, \n
* 根据该MapPoint的描述子 与 该区域内的 特征点 进行匹配 \n
* 如果匹配误差小于TH_LOW即匹配成功,更新vpMatched \n
* @param pKF KeyFrame 参考关键帧
* @param Scw 参考关键帧 的 相似变换 [s*R t]
* @param vpPoints 地图点
* @param vpMatched 参考关键帧特征点 对应的匹配点
* @param th 匹配距离 阈值
* @return 成功匹配的数量
*/
int ORBmatcher::SearchByProjection(KeyFrame* pKF, cv::Mat Scw, const vector &vpPoints, vector &vpMatched, int th)
{
// Get Calibration Parameters for later projection
// 相机内参数
const float &fx = pKF->fx;
const float &fy = pKF->fy;
const float &cx = pKF->cx;
const float &cy = pKF->cy;
// 步骤1:相似变换转换到欧式变换 归一化相似变换矩阵 Decompose Scw
// | s*R t|
// | 0 1|
cv::Mat sRcw = Scw.rowRange(0,3).colRange(0,3);// 相似变换 旋转矩阵
const float scw = sqrt(sRcw.row(0).dot(sRcw.row(0)));// 计算相似变换矩阵 的尺度s
cv::Mat Rcw = sRcw/scw;// 归一化的 旋转矩阵
cv::Mat tcw = Scw.rowRange(0,3).col(3)/scw;// 归一化的 计算相似变换矩阵
cv::Mat Ow = -Rcw.t()*tcw;// pKF坐标系下,世界坐标系到pKF的位移,方向由世界坐标系指向pKF
// Rwc * twc 用来计算 地图点 距离相机的距离 进而推断 在图像金字塔中可能的尺度
// Set of MapPoints already found in the KeyFrame
// 步骤2: 使用set类型,并去除没有匹配的点,用于快速检索某个MapPoint是否有匹配
set spAlreadyFound(vpMatched.begin(), vpMatched.end());
spAlreadyFound.erase(static_cast(NULL));
int nmatches=0;
// For each Candidate MapPoint Project and Match
// 步骤3: 遍历所有的 地图点 MapPoints
for(int iMP=0, iendMP=vpPoints.size(); iMPisBad() || spAlreadyFound.count(pMP))
continue;
// 步骤4:地图点 根据变换 转到当前帧 相机坐标系下
// Get 3D Coords.
// 地图点的 世界坐标
cv::Mat p3Dw = pMP->GetWorldPos();
// Transform into Camera Coords.
cv::Mat p3Dc = Rcw*p3Dw + tcw;// 转到当前帧 相机坐标系下
// 剔除深度<0 的点Depth must be positive
if(p3Dc.at(2) < 0.0)
continue;
// Project into Image
// 步骤5:根据相机内参数 投影到 当前帧的图像像素坐标系下
const float invz = 1/p3Dc.at(2);
const float x = p3Dc.at(0)*invz;
const float y = p3Dc.at(1)*invz;
const float u = fx*x+cx;
const float v = fy*y+cy;
// Point must be inside the image
// 地图点投影过来 如果不在图像范围内 就没有匹配点
if(!pKF->IsInImage(u,v))
continue;// 剔除
// Depth must be inside the scale invariance region of the point
//步骤6: 判断距离是否在尺度协方差范围内 剔除
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
cv::Mat PO = p3Dw-Ow;
//地图点 距离相机的距离 进而推断 在图像金字塔中可能的尺度 越远尺度小 越近尺度大
const float dist = cv::norm(PO);
if(distmaxDistance)
continue;//剔除
// Viewing angle must be less than 60 deg
// 观察视角 必须小于 60度
cv::Mat Pn = pMP->GetNormal();
if(PO.dot(Pn) < 0.5*dist)
continue;
// 步骤7: 根据尺度确定搜索半径 进而在图像上确定 候选 关键点
int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist,pKF);//更加距离预测点处于的 图像金字塔尺度
// Search in a radius
const float radius = th * pKF->mvScaleFactors[nPredictedLevel];
// 在图像上确定 候选 关键点
const vector vIndices = pKF->GetFeaturesInArea(u,v,radius);
if(vIndices.empty())
continue;
// Match to the most similar keypoint in the radius
// 步骤8:遍历候选关键点 地图点 和 关键帧上 候选关键点 进行描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 地图点 对应的 描述子
int bestDist = 256;//距离上限
int bestIdx = -1;
// 遍历搜索区域内所有特征点,与该MapPoint的描述子进行匹配
// vector::const_iterator
for( auto vit=vIndices.begin(), vend=vIndices.end(); vit!=vend; vit++)
{
const size_t idx = *vit;
//跳过 已经匹配上地图点 MapPoints 的像素点
if(vpMatched[idx])
continue;
// 候选关键点 不在 由地图点预测的尺度到 最高尺度范围内 直接跳过
const int &kpLevel= pKF->mvKeysUn[idx].octave;
if(kpLevel < nPredictedLevel-1 || kpLevel > nPredictedLevel)
continue;// 直接跳过
// 计算距离 保存 最短的距离 对应的 关键点
const cv::Mat &dKF = pKF->mDescriptors.row(idx);// 关键点对应的描述子
const int dist = DescriptorDistance(dMP,dKF);
if(dist &vbPrevMatched, vector &vnMatches12, int windowSize)
{
int nmatches=0;
// 为帧1初始化 帧中关键点数量 个 匹配点
vnMatches12 = vector(F1.mvKeysUn.size(),-1);
// 统计匹配点对的 方向差值 同一个匹配 方向相差不大
vector rotHist[HISTO_LENGTH];// 角度直方图 30个
for(int i=0;i vMatchedDistance(F2.mvKeysUn.size(),INT_MAX);// 帧2 的匹配点对距离
vector vnMatches21(F2.mvKeysUn.size(),-1);// 帧2 的匹配点
// 步骤1:为帧1的 每一个 关键点 在帧2 中 寻找匹配点
for(size_t i1=0, iend1=F1.mvKeysUn.size(); i1 0)
continue;
//在 2图上 对应 方块区域的 特征点 候选匹配点
vector vIndices2 = F2.GetFeaturesInArea(vbPrevMatched[i1].x,vbPrevMatched[i1].y, windowSize,level1,level1);
if(vIndices2.empty())
continue;
// 步骤2:描述子匹配计算距离
// 获取帧1 的 关键点的特征描述子
cv::Mat d1 = F1.mDescriptors.row(i1);// 1图的 特征点的 描述子
int bestDist = INT_MAX;// 初始最小距离
int bestDist2 = INT_MAX;
int bestIdx2 = -1;
// vector::iterator vit
// 对 帧2中可能的特征点进行遍历
for(auto vit = vIndices2.begin(); vit!=vIndices2.end(); vit++)// 对应2图中 对应区域的 每一个的关键点
{
size_t i2 = *vit;//关键点下标
// 对应帧2 候选区域 关键点的 特征描述子
cv::Mat d2 = F2.mDescriptors.row(i2);// 描述子
// 描述子之间的距离
int dist = DescriptorDistance(d1,d2);
if(vMatchedDistance[i2] <= dist)// 距离过大,这一点直接跳过
continue;
// 步骤3:保留最小和次小距离对应的 匹配点
if(dist= 0)
{
vnMatches12[ vnMatches21[bestIdx2] ] = -1;
nmatches--;
}
vnMatches12[i1]=bestIdx2;// 帧1 关键点 匹配到的帧2 中的关键点 下标
vnMatches21[bestIdx2 ] = i1;// 帧2 关键点 匹配到的 帧1 中的关键点 下标
vMatchedDistance[bestIdx2]=bestDist;// 距离
nmatches++;
if(mbCheckOrientation)
{
float rot = F1.mvKeysUn[i1].angle-F2.mvKeysUn[bestIdx2].angle;
if(rot<0.0)
rot += 360.0f;
int bin = round(rot*factor);
if(bin==HISTO_LENGTH)
bin=0;
assert(bin>=0 && bin=0)
{
vnMatches12[idx1]=-1;
nmatches--;
}
}
}
}
// 步骤6:更新匹配
//Update prev matched
for(size_t i1=0, iend1=vnMatches12.size(); i1=0)// 帧1 匹配到帧2
vbPrevMatched[i1]=F2.mvKeysUn[vnMatches12[i1]].pt;//对应帧2 的特征点坐标
return nmatches;
}
/**
* @brief 通过词包,对关键帧的特征点进行跟踪,该函数用于闭环检测时两个关键帧间的特征点匹配
*
* 通过bow对pKF1和pKF2中的特征点进行快速匹配(不属于同一node(单词)的特征点直接跳过匹配) \n
* 对属于同一node的特征点通过描述子距离进行匹配 \n
* 根据匹配,更新vpMatches12 \n
* 通过距离阈值、比例阈值和角度投票进行剔除误匹配
* @param pKF1 KeyFrame1
* @param pKF2 KeyFrame2
* @param vpMatches12 pKF2中与pKF1匹配的MapPoint,null表示没有匹配
* @return 成功匹配的数量
*/
int ORBmatcher::SearchByBoW(KeyFrame *pKF1, KeyFrame *pKF2, vector &vpMatches12)
{
const vector &vKeysUn1 = pKF1->mvKeysUn; // 关键帧1 特征点
const DBoW2::FeatureVector &vFeatVec1 = pKF1->mFeatVec;// 关键帧1 特征点 词典描述向量
const vector vpMapPoints1 = pKF1->GetMapPointMatches();// 关键帧1 特征点 匹配的 地图点
const cv::Mat &Descriptors1 = pKF1->mDescriptors;// 键帧1 特征点的 描述子 矩阵
const vector &vKeysUn2 = pKF2->mvKeysUn; // 关键帧2 特征点
const DBoW2::FeatureVector &vFeatVec2 = pKF2->mFeatVec;// 关键帧2特征点 词典描述向量
const vector vpMapPoints2 = pKF2->GetMapPointMatches();// 关键帧2 特征点 匹配的 地图点
const cv::Mat &Descriptors2 = pKF2->mDescriptors;// 键帧2 特征点的 描述子 矩阵
// 为关键帧1的地图点 初始化 匹配点
vpMatches12 = vector(vpMapPoints1.size(),static_cast(NULL));
vector vbMatched2(vpMapPoints2.size(),false);// 关键帧地图点 匹配标记
// 统计匹配点对的 方向差值 同一个匹配 方向相差不大
vector rotHist[HISTO_LENGTH];
for(int i=0;ifirst == f2it->first)
{
// 步骤2:遍历KF1中属于该node的特征点
for(size_t i1=0, iend1=f1it->second.size(); i1 < iend1; i1++)
{
const size_t idx1 = f1it->second[i1];
// 取出KF1 中该特征对应的 地图点MapPoint
MapPoint* pMP1 = vpMapPoints1[idx1];
// 没有匹配的地图点跳过
if(!pMP1)
continue;
// 是坏点 跳过
if(pMP1->isBad())
continue;
// 取出KF1中该特征对应的描述子
const cv::Mat &d1 = Descriptors1.row(idx1);
int bestDist1=256;// 最好的距离(最小距离)
int bestIdx2 =-1 ;
int bestDist2=256; // 倒数第二好距离(倒数第二小距离)
// 步骤3:遍历KF2中属于该node的特征点,找到了最佳匹配点
for(size_t i2=0, iend2=f2it->second.size(); i2second[i2];
// 对应 的 地图点
MapPoint* pMP2 = vpMapPoints2[idx2];
// 已经和 KF1 中某个点匹配过了 跳过 或者 该特征点 无匹配地图点 或者 该地图点是坏点 跳过
if(vbMatched2[idx2] || !pMP2)
continue;
if(pMP2->isBad())
continue;
// 步骤4:求描述子的距离 保留最小和次小距离对应的 匹配点
const cv::Mat &d2 = Descriptors2.row(idx2);// 取出F中该特征对应的描述子
int dist = DescriptorDistance(d1,d2);
if(dist(bestDist1) < mfNNratio*static_cast(bestDist2))
{
vpMatches12[idx1]=vpMapPoints2[bestIdx2];// 匹配到的 对应 KF2 中的 地图点
vbMatched2[bestIdx2]=true;// KF2 中的地图点 已经和 KF1中的某个地图点匹配
if(mbCheckOrientation)
{
// trick!
// angle:每个特征点在提取描述子时的旋转主方向角度,如果图像旋转了,这个角度将发生改变
// 所有的特征点的角度变化应该是一致的,通过直方图统计得到最准确的角度变化值
float rot = vKeysUn1[idx1].angle - vKeysUn2[bestIdx2].angle;//匹配点方向差
if(rot<0.0)
rot+=360.0f;
int bin = round(rot*factor);
if(bin==HISTO_LENGTH)
bin=0;
assert(bin>=0 && binfirst < f2it->first)
{
f1it = vFeatVec1.lower_bound(f2it->first);
}
else
{
f2it = vFeatVec2.lower_bound(f1it->first);
}
}
// 根据方向差一致性约束 剔除误匹配的点
if(mbCheckOrientation)
{
int ind1=-1;
int ind2=-1;
int ind3=-1;
// 统计直方图最高的三个bin保留,其他范围内的匹配点剔除。
// 另外,若最高的比第二高的高10倍以上,则只保留最高的bin中的匹配点。
// 若最高的比第 三高的高10倍以上,则 保留最高的和第二高bin中的匹配点。
ComputeThreeMaxima(rotHist,HISTO_LENGTH,ind1,ind2,ind3);
for(int i=0; i(NULL);
nmatches--;
}
}
}
return nmatches;
}
/**
* @brief 利用基本矩阵F12,在两个关键帧之间 两帧特征点均未有匹配的地图点 中 产生 2d-2d 匹配点对
* 关键帧1的每个特征点 与 关键帧2 特征点 同属于 词典同一个node(包含多的类似单词)
* 节点下的 特征点进行描述子匹配,在符合对极几何约束的条件下,选择距离最近的匹配
* 最后在进行 匹配点 方向差 一致性约束 检测 去除一些误匹配
* @param pKF1 关键帧1
* @param pKF2 关键帧2
* @param F12 基础矩阵F p2转置 × F × p1 = 0
* @param vMatchedPairs 存储匹配特征点对,特征点用其在关键帧中的索引表示
* @param bOnlyStereo 在双目和rgbd情况下,要求特征点在右图存在匹配
* @return 成功匹配的数量
*/
int ORBmatcher::SearchForTriangulation(KeyFrame *pKF1, KeyFrame *pKF2, cv::Mat F12,
vector > &vMatchedPairs, const bool bOnlyStereo)
{
const DBoW2::FeatureVector &vFeatVec1 = pKF1->mFeatVec;// 关键帧pKF1 描述子 的 词典向量表示
const DBoW2::FeatureVector &vFeatVec2 = pKF2->mFeatVec;// 关键帧pKF2 描述子 的 词典向量表示
//Compute epipole in second image
// 计算KF1的相机中心在KF2图像平面的坐标,即极点坐标
cv::Mat Cw = pKF1->GetCameraCenter();// KF1 O1 世界坐标系下
cv::Mat R2w = pKF2->GetRotation();// 世界坐标系 -----> KF2 旋转矩阵
cv::Mat t2w = pKF2->GetTranslation();// 世界坐标系 -----> KF2 平移向量
cv::Mat C2 = R2w*Cw+t2w;// KF1 O1 在 KF2坐标系下坐标
const float invz = 1.0f/C2.at(2);//深度归一化坐标
// KF1 O1 投影到KF2像素坐标系上
const float ex =pKF2->fx * C2.at(0) * invz + pKF2->cx;//
const float ey =pKF2->fy * C2.at(1) * invz + pKF2->cy;//
// Find matches between not tracked keypoints
// Matching speed-up by ORB Vocabulary
// Compare only ORB that share the same node
int nmatches=0;
vector vbMatched2(pKF2->N,false);// pKF2 关键帧2 地图点是否被 pKF1 地图点匹配标志
vector vMatches12(pKF1->N,-1);// 帧1 pKF1 地图点 在pKF2中的 匹配 地图点
// 匹配点 方向差 一致性约束
vector rotHist[HISTO_LENGTH];
for(int i=0;ifirst对应node编号,f1it->second对应属于该node的所有特特征点编号
DBoW2::FeatureVector::const_iterator f1it = vFeatVec1.begin();
DBoW2::FeatureVector::const_iterator f2it = vFeatVec2.begin();
DBoW2::FeatureVector::const_iterator f1end = vFeatVec1.end();
DBoW2::FeatureVector::const_iterator f2end = vFeatVec2.end();
// 步骤1:遍历pKF1和pKF2中词典线性表示的特征向量树中 的node节点
while(f1it!=f1end && f2it!=f2end)
{
// 如果f1it和f2it属于同一个node节点
// 分别取出属于同一node的ORB特征点(只有属于同一node,才有可能是匹配点)
if(f1it->first == f2it->first)
{
// 步骤2:遍历该node节点下关键帧1 pKF1 (f1it->first)的所有特征点
for(size_t i1=0, iend1=f1it->second.size(); i1second[i1];
// 步骤2.1:通过特征点索引idx1在pKF1中取出对应的 地图点 MapPoint
MapPoint* pMP1 = pKF1->GetMapPoint(idx1);
// If there is already a MapPoint skip
// 特征点已经存在 地图点不用计算了 直接跳过
// 由于寻找的是未匹配的特征点,所以pMP1应该为NULL
if(pMP1)
continue;
// 如果mvuRight(右图像 有匹配点)中的值大于0,表示是双目/深度 ,且该特征点有深度值
const bool bStereo1 = pKF1->mvuRight[idx1] >= 0;
if(bOnlyStereo)
if(!bStereo1)
continue;// 非双目/深度 跳过
// 步骤2.2:通过特征点索引idx1在pKF1中取出对应的特征点
const cv::KeyPoint &kp1 = pKF1->mvKeysUn[idx1];
// 步骤2.3:通过特征点索引idx1在pKF1中取出对应的特征点的描述子
const cv::Mat &d1 = pKF1->mDescriptors.row(idx1);
int bestDist = TH_LOW;//50
int bestIdx2 = -1;//匹配点 下标
// 步骤3:遍历该node节点下关键帧2 pKF2 (f2it->first)的所有特征点
for(size_t i2=0, iend2=f2it->second.size(); i2second[i2];
// 步骤3.1:通过特征点索引idx2在pKF2中取出对应的MapPoint
MapPoint* pMP2 = pKF2->GetMapPoint(idx2);
// If we have already matched or there is a MapPoint skip
// 如果关键帧2 pKF2当前特征点索引idx2已经被匹配过或者对应的3d点非空
// 那么这个索引idx2就不能被考虑
if(vbMatched2[idx2] || pMP2)
continue;// pMP2 的特征点 也不能有匹配的地图点 有的话 就已经匹配过了 生成了地图点了
// 如果mvuRight(右图像 有匹配点)中的值大于0,表示是双目/深度 ,且该特征点有深度值
const bool bStereo2 = pKF2->mvuRight[idx2]>=0;
if(bOnlyStereo)
if(!bStereo2)
continue;
// 步骤3.2:通过特征点索引idx2在pKF2中取出对应的特征点的描述子
const cv::Mat &d2 = pKF2->mDescriptors.row(idx2);
// 计算idx1与idx2在两个关键帧中对应特征点的描述子距离
const int dist = DescriptorDistance(d1,d2);
if(dist>TH_LOW || dist>bestDist)// 距离过大 直接跳过
continue;
// 步骤3.3:通过特征点索引idx2在pKF2中取出对应的特征点
const cv::KeyPoint &kp2 = pKF2->mvKeysUn[idx2];
if(!bStereo1 && !bStereo2)
{
// KF1 O1 投影到KF2像素坐标系上 ex ey
const float distex = ex - kp2.pt.x;
const float distey = ey - kp2.pt.y;
// 该特征点距离极点 太近,表明kp2对应的MapPoint距离pKF1相机太近
if(distex*distex + distey*distey < 100 * pKF2->mvScaleFactors[kp2.octave])
continue;
}
// 步骤4:计算特征点kp2 到 kp1极线(kp1对应pKF2的一条极线)的距离是否小于阈值
if(CheckDistEpipolarLine(kp1,kp2,F12,pKF2))
{
bestIdx2 = idx2;// 保留匹配点
bestDist = dist;
}
}
// 步骤1、2、3、4总结下来就是:将左图像的每个特征点与右图像同一node节点的所有特征点
// 依次检测,判断是否满足对极几何约束,满足约束就是匹配的特征点
if(bestIdx2 >= 0)// KF1 特征点 在 KF2中匹配点的下标 初始化为 -1
// > 0 找到了匹配点
{
const cv::KeyPoint &kp2 = pKF2->mvKeysUn[bestIdx2];// 匹配点在 KF2中的 像素坐标
vMatches12[idx1]=bestIdx2;
nmatches++;
// 步骤5: 匹配点 方向差 一致性约束
if(mbCheckOrientation)
{
float rot = kp1.angle-kp2.angle;// 匹配点 方向差
if(rot<0.0)
rot+=360.0f;
int bin = round(rot*factor);
if(bin==HISTO_LENGTH)
bin=0;
assert(bin>=0 && binfirst < f2it->first)
{
f1it = vFeatVec1.lower_bound(f2it->first);
}
else
{
f2it = vFeatVec2.lower_bound(f1it->first);
}
}
// 根据方向差一致性约束 剔除误匹配的点
if(mbCheckOrientation)
{
int ind1=-1;
int ind2=-1;
int ind3=-1;
// 统计直方图最高的三个bin保留,其他范围内的匹配点剔除。
// 另外,若最高的比第二高的高10倍以上,则只保留最高的bin中的匹配点。
// 若最高的比第 三高的高10倍以上,则 保留最高的和第二高bin中的匹配点。
ComputeThreeMaxima(rotHist,HISTO_LENGTH,ind1,ind2,ind3);
for(int i=0; i &vpMapPoints, const float th)
{
// 关键帧 的 旋转矩阵 和 平移矩阵 欧式变换
cv::Mat Rcw = pKF->GetRotation();
cv::Mat tcw = pKF->GetTranslation();
// 相机内参数
const float &fx = pKF->fx;
const float &fy = pKF->fy;
const float &cx = pKF->cx;
const float &cy = pKF->cy;
const float &bf = pKF->mbf;// 基线×f
// 关键帧 的 相机坐标中心点坐标
cv::Mat Ow = pKF->GetCameraCenter();
int nFused=0;// 融合地图点的数量
const int nMPs = vpMapPoints.size();// 需要融合的 地图点数量
//步骤1: 遍历所有的MapPoints
for(int i=0; iisBad() || pMP->IsInKeyFrame(pKF))
continue;
// 步骤3: 将地图点 投影在 关键帧 图像像素坐标上
cv::Mat p3Dw = pMP->GetWorldPos();// 地图点在 世界坐标系下的坐标
cv::Mat p3Dc = Rcw*p3Dw + tcw;// 地图点在 关键帧下相机坐标系下的 坐标
// Depth must be positive
// 深度值必须为正 在 帧(相机)的前方
if(p3Dc.at(2)<0.0f)
continue;
const float invz = 1/p3Dc.at(2);// 深度归一化 因子
const float x = p3Dc.at(0)*invz;// 相机归一化尺度下的坐标
const float y = p3Dc.at(1)*invz;
// 像素坐标
const float u = fx*x+cx;
const float v = fy*y+cy;
// 像素坐标 必须在 图像尺寸范围内 Point must be inside the image
if(!pKF->IsInImage(u,v))
continue;
//步骤4: 判断距离是否在尺度协方差范围内
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
cv::Mat PO = p3Dw-Ow;
//地图点 距离相机的距离 进而推断 在图像金字塔中可能的尺度 越远尺度小 越近尺度大
const float dist3D = cv::norm(PO);
// Depth must be inside the scale pyramid of the image
if(dist3DmaxDistance )
continue;// 剔除
//步骤5:观察视角 必须小于 60度 Viewing angle must be less than 60 deg
cv::Mat Pn = pMP->GetNormal();
if(PO.dot(Pn)<0.5*dist3D)
continue;
// 根据深度 预测 地图点 在 帧 图像上 的尺度 深度大尺度小 深度小尺度大
int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist3D,pKF);
// 步骤6: 根据尺度确定搜索半径 进而在图像上确定 候选 关键点
const float radius = th*pKF->mvScaleFactors[nPredictedLevel];
const vector vIndices = pKF->GetFeaturesInArea(u,v,radius);
if(vIndices.empty())
continue;
// 步骤7:遍历候选关键点 计算与地图点 描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
// Match to the most similar keypoint in the radius
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 地图点描述子
int bestDist = 256;
int bestIdx = -1;
// vector::const_iterator
for(auto vit=vIndices.begin(), vend=vIndices.end(); vit!=vend; vit++)
{
const size_t idx = *vit;
// 关键点的尺度 需要在 预测尺度 之上
const cv::KeyPoint &kp = pKF->mvKeysUn[idx];// 关键帧 候选关键点
const int &kpLevel= kp.octave;// 关键点尺度
if(kpLevelnPredictedLevel)
continue;
// 步骤8:计算MapPoint投影的坐标与这个区域特征点的距离,如果偏差很大,直接跳过特征点匹配
// 深度/双目相机 有 右图像 匹配点横坐标差值
if(pKF->mvuRight[idx]>=0)
{
const float ur = u - bf*invz;//和 匹配点 横坐标 深度相机和 双目相机 有
// Check reprojection error in stereo
const float &kpx = kp.pt.x;
const float &kpy = kp.pt.y;
const float &kpr = pKF->mvuRight[idx];
const float ex = u - kpx;// 横坐标差值
const float ey = v - kpy;//纵坐标差值
const float er = ur - kpr;// 右图像 匹配点横坐标差值
const float e2 = ex*ex + ey*ey + er*er;
if(e2 * pKF->mvInvLevelSigma2[kpLevel] > 7.8)
continue;// 差值过大 直接跳过
}
// 单目相机 无右图像 匹配点横坐标差值
else
{
const float &kpx = kp.pt.x;
const float &kpy = kp.pt.y;
const float ex = u-kpx;
const float ey = v-kpy;
const float e2 = ex*ex+ey*ey;
// 基于卡方检验计算出的阈值(假设测量有一个像素的偏差)
if(e2*pKF->mvInvLevelSigma2[kpLevel]>5.99)
continue;
}
// 步骤9:计算地图点和 关键帧 特征点 描述子之间的距离 选出最近距离的 关键点
const cv::Mat &dKF = pKF->mDescriptors.row(idx);// 关键帧 特征点 描述子
const int dist = DescriptorDistance(dMP,dKF);// 地图点和 关键帧 特征点 描述子之间的距离
if(distGetMapPoint(bestIdx);
// 步骤10: 如果MapPoint能匹配关键帧的特征点,并且该特征点有对应的MapPoint,那么将两个MapPoint合并(选择观测数多的)
// 本身已经 匹配到 地图点
if(pMPinKF)
{
if(!pMPinKF->isBad())//是好点
{
// 地图点 和 关键帧 特征点对应的地图点 匹配了 保留被观测到次数多的 地图点
if(pMPinKF->Observations() > pMP->Observations())//帧地图点观测次数多 保留帧地图点
pMP->Replace(pMPinKF);//原地图点 用帧地图点替代
else
pMPinKF->Replace(pMP);// 帧地图点替代用 原地图点替代
}
}
// 步骤11: 如果MapPoint能匹配关键帧的特征点,并且该特征点没有对应的MapPoint,那么为该特征点点添加地图点MapPoint
// 关键帧 特征点 还没有匹配的地图点 把匹配到的地图点 对应上去
else
{
pMP->AddObservation(pKF,bestIdx);// pMP 地图点 观测到了 帧pKF 上第 bestIdx 个 特征点
pKF->AddMapPoint(pMP,bestIdx);// 帧 的 第 bestIdx 个 特征点 对应pMP地图点
}
nFused++;// 融合次数++
}
}
return nFused;
}
/**
* @brief 将MapPoints投影到 关键帧pKF 中,并判断是否有重复的MapPoints
* Scw为世界坐标系到pKF机体坐标系的Sim3 相似变换变换 ,
* 需要先将相似变换转换到欧式变换SE3 下 将世界坐标系下的vpPoints变换到机体坐标系
* 1 地图点匹配到 帧 关键点 关键点有对应的地图点时, 用帧关键点对应的地图点 替换 原地图点
* 2 地图点匹配到 帧 关键点 关键点无对应的地图点时,为该特征点 添加匹配到的地图点MapPoint
* @param pKF 相邻关键帧
* @param Scw 世界坐标系到pKF机体坐标系的Sim3 相似变换变换 [s*R t]
* @param vpPoints 需要融合的 地图点 MapPoints
* @param th 搜索半径的因子
*@param vpReplacePoint
* @return 重复MapPoints的数量
*/
int ORBmatcher::Fuse(KeyFrame *pKF, cv::Mat Scw, const vector &vpPoints, float th, vector &vpReplacePoint)
{
// Get Calibration Parameters for later projection
// 相机内参数
const float &fx = pKF->fx;
const float &fy = pKF->fy;
const float &cx = pKF->cx;
const float &cy = pKF->cy;
// Decompose Scw
// 相似变换Sim3 转换到 欧式变换SE3
cv::Mat sRcw = Scw.rowRange(0,3).colRange(0,3);
const float scw = sqrt(sRcw.row(0).dot(sRcw.row(0)));//相似变换里的 旋转矩阵的 相似尺度因子
cv::Mat Rcw = sRcw/scw;// 欧式变换 里 的旋转矩阵
cv::Mat tcw = Scw.rowRange(0,3).col(3)/scw;// 欧式变换 里 的 平移向量
cv::Mat Ow = -Rcw.t()*tcw;//相机中心在 世界坐标系下的 坐标
// Set of MapPoints already found in the KeyFrame
// 关键帧已有的 匹配地图点
const set spAlreadyFound = pKF->GetMapPoints();
int nFused=0;// 融合计数
const int nPoints = vpPoints.size();// 需要融合的 地图点 数量
// For each candidate MapPoint project and match
// 步骤1: 遍历所有需要融合的 地图点 MapPoints
for(int iMP=0; iMPisBad() || spAlreadyFound.count(pMP))
continue;
//步骤3: 地图点 投影到 关键帧 像素平面上 不在平面内的 不考虑
// Get 3D Coords.
cv::Mat p3Dw = pMP->GetWorldPos();// 地图点世界坐标系坐标
// Transform into Camera Coords.
cv::Mat p3Dc = Rcw*p3Dw+tcw;// 地图点在 帧坐标系 下的 坐标
// Depth must be positive
if(p3Dc.at(2)<0.0f)// 地图点在相机前方 深度不能为负值
continue;
// Project into Image 投影到像素平面
const float invz = 1.0/p3Dc.at(2);
const float x = p3Dc.at(0)*invz;
const float y = p3Dc.at(1)*invz;
const float u = fx*x+cx;
const float v = fy*y+cy;
// Point must be inside the image
if(!pKF->IsInImage(u,v))// 不在图像内 跳过
continue;
//步骤4: 判断距离是否在尺度协方差范围内
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
cv::Mat PO = p3Dw-Ow;
//地图点 距离相机的距离 进而推断 在图像金字塔中可能的尺度 越远尺度小 越近尺度大
const float dist3D = cv::norm(PO);
// Depth must be inside the scale pyramid of the image
if(dist3DmaxDistance )
continue;// 剔除
//步骤5:观察视角 必须小于 60度 Viewing angle must be less than 60 deg
cv::Mat Pn = pMP->GetNormal();
if(PO.dot(Pn)<0.5*dist3D)
continue;
// 根据深度 预测 地图点 在 帧 图像上 的尺度 深度大尺度小 深度小尺度大
int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist3D,pKF);
// 步骤6: 根据尺度确定搜索半径 进而在图像上确定 候选 关键点
const float radius = th*pKF->mvScaleFactors[nPredictedLevel];
const vector vIndices = pKF->GetFeaturesInArea(u,v,radius);
if(vIndices.empty())
continue;
// 步骤7:遍历候选关键点 计算与地图点 描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
// Match to the most similar keypoint in the radius
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 地图点 对应的 描述子
int bestDist = INT_MAX;
int bestIdx = -1;
// vector::const_iterator
for(auto vit=vIndices.begin(); vit!=vIndices.end(); vit++)
{
const size_t idx = *vit;
// 关键点的尺度 需要在 预测尺度 之上
const int &kpLevel = pKF->mvKeysUn[idx].octave;
if(kpLevelnPredictedLevel)
continue;// 不符合的 跳过
// 步骤8:计算地图点和 关键帧 特征点 描述子之间的距离 选出最近距离的 关键点
const cv::Mat &dKF = pKF->mDescriptors.row(idx);// 关键点描述子
int dist = DescriptorDistance(dMP,dKF);// 地图点 对应的 描述子 和 关键点描述子 之间的 汉明匹配距离
if(distGetMapPoint(bestIdx);
// 步骤10: 如果MapPoint能匹配关键帧的特征点,并且该特征点有对应的MapPoint,
if(pMPinKF)
{
if(!pMPinKF->isBad())
vpReplacePoint[iMP] = pMPinKF;// 用关键点对应的地图点 替换 原地图点
}
// 步骤11: 如果MapPoint能匹配关键帧的特征点,并且该特征点没有对应的MapPoint,那么为该特征点点添加地图点MapPoint
// 关键帧 特征点 还没有匹配的地图点 把匹配到的地图点 对应上去
else
{
pMP->AddObservation(pKF,bestIdx);// pMP 地图点 观测到了 帧pKF 上第 bestIdx 个 特征点
pKF->AddMapPoint(pMP,bestIdx);// 帧 的 第 bestIdx 个 特征点 对应pMP地图点
}
nFused++;
}
}
return nFused;
}
/**
* @brief 通过Sim3变换,确定pKF1的特征点在pKF2中的大致区域,
* 同理,确定pKF2的特征点在pKF1中的大致区域
* 在该区域内通过描述子进行匹配捕获pKF1和pKF2之前漏匹配的特征点,
* 更新vpMatches12(之前使用SearchByBoW进行特征点匹配时会有漏匹配)
* @param pKF1 关键帧1
* @param pKF2 关键帧2
* @param vpMatches12 两帧原有匹配点 帧1 特征点 匹配到 帧2 的地图点
* @param s12 帧2->帧1 相似变换 尺度
* @param R12 帧2->帧1 欧式变换 旋转矩阵
* @param t12 帧2->帧1 欧式变换 平移向量
* @param th 搜索半径参数
* @return 成功匹配的数量
*/
int ORBmatcher::SearchBySim3(KeyFrame *pKF1, KeyFrame *pKF2, vector &vpMatches12,
const float &s12, const cv::Mat &R12, const cv::Mat &t12, const float th)
{
// 步骤1:变量初始化-----------------------------------------------------
//相机内参数
const float &fx = pKF1->fx;
const float &fy = pKF1->fy;
const float &cx = pKF1->cx;
const float &cy = pKF1->cy;
// 世界坐标系 到 帧1 的 欧式变换 Camera 1 from world
cv::Mat R1w = pKF1->GetRotation();
cv::Mat t1w = pKF1->GetTranslation();
// 世界坐标系 到 帧2 的 欧式变换 Camera 2 from world
cv::Mat R2w = pKF2->GetRotation();
cv::Mat t2w = pKF2->GetTranslation();
//Transformation between cameras
// 相似变换 旋转矩阵 平移向量
cv::Mat sR12 = s12*R12;// 帧2->帧1 相似变换旋转矩阵 = 帧2->帧1相似变换尺度 * 帧2->帧1欧式变换旋转矩阵
cv::Mat sR21 = (1.0/s12)*R12.t();// 帧1->帧2相似变换旋转矩阵 = 帧1->帧2相似变换尺度 * 帧1->帧2欧式变换旋转矩阵
cv::Mat t21 = -sR21*t12;// 帧1->帧2相似变换 平移向量
// 帧1地图点数量 关键点数量
const vector vpMapPoints1 = pKF1->GetMapPointMatches();
const int N1 = vpMapPoints1.size();
// 帧2地图点数量 关键点数量
const vector vpMapPoints2 = pKF2->GetMapPointMatches();
const int N2 = vpMapPoints2.size();
// 来源于 两帧 先前 已有的 匹配
vector vbAlreadyMatched1(N1,false);// 帧1 在帧2中 是否有 匹配
vector vbAlreadyMatched2(N2,false);// 帧2 在帧1中 是否有 匹配
// 步骤2:用vpMatches12更新 已有的匹配 vbAlreadyMatched1和vbAlreadyMatched2------------------------------------
for(int i=0; iGetIndexInKeyFrame(pKF2);// 帧2 的地图点 在帧2中对应的 下标
if(idx2>=0 && idx2 vnMatch1(N1,-1);
vector vnMatch2(N2,-1);
// 步骤3:通过Sim变换,确定pKF1的地图点在pKF2帧图像中的大致区域,
// 在该区域内通过描述子进行匹配捕获pKF1和pKF2之前漏匹配的特征点,更新vpMatches12
// (之前使用SearchByBoW进行特征点匹配时会有漏匹配)
// 每一个帧1中的地图点 投影到 帧2 上
for(int i1=0; i1isBad())
continue;// 坏点跳过 SE3 Sim3
//步骤3.2: 帧1地图点(世界坐标系)-------> 帧1地图点(帧1坐标系)-------> 帧1地图点(帧2坐标系)---->帧2像素坐标系下
// 帧1 pKF1 地图点在世界坐标系中的点坐标
cv::Mat p3Dw = pMP->GetWorldPos();// 帧1地图点(世界坐标系)
// 帧1 pKF1 地图点在帧1 坐标系下的点坐标
cv::Mat p3Dc1 = R1w*p3Dw + t1w;// 帧1地图点(帧1坐标系)
// 帧1 pKF1 地图点在帧1 坐标系下的点坐标 通过帧1到帧2的相似变换 变换到 帧2坐标系下
cv::Mat p3Dc2 = sR21*p3Dc1 + t21;// 帧1地图点(帧2坐标系)
// Depth must be positive
if(p3Dc2.at(2)<0.0)// 深度值必须为正 相机前方
continue;
// 投影到 帧2 像素平面上
const float invz = 1.0/p3Dc2.at(2);
const float x = p3Dc2.at(0)*invz;
const float y = p3Dc2.at(1)*invz;
const float u = fx*x+cx;
const float v = fy*y+cy;
// Point must be inside the image
if(!pKF2->IsInImage(u,v))// 坐标必须在 图像平面尺寸内
continue;
//步骤3.3: 判断帧1地图点距帧2的距离 是否在尺度协方差范围内
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
const float dist3D = cv::norm(p3Dc2);
// Depth must be inside the scale pyramid of the image
if(dist3DmaxDistance )
continue;// 剔除
// 步骤3.4: 根据深度确定尺度 再根据 尺度确定搜索半径 进而在图像上确定 候选 关键点
// Compute predicted octave 根据深度 预测 地图点 在 帧 图像上 的尺度 深度大尺度小 深度小尺度大
const int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist3D,pKF2);// 尺度 也就是在 金字塔哪一层
// Search in a radius
const float radius = th*pKF2->mvScaleFactors[nPredictedLevel];// 再根据 尺度确定搜索半径
const vector vIndices = pKF2->GetFeaturesInArea(u,v,radius);//进而在图像上确定 候选 关键点
if(vIndices.empty())
continue;
// 步骤3.5:遍历候选关键点 计算与地图点 描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
// Match to the most similar keypoint in the radius
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 帧1 地图点 描述子
int bestDist = INT_MAX;
int bestIdx = -1;
// 遍历搜索 帧2区域内的所有特征点,与帧1地图点pMP进行描述子匹配
// vector::const_iterator
for(auto vit=vIndices.begin(), vend=vIndices.end(); vit!=vend; vit++)
{
const size_t idx = *vit;
// 关键点的尺度 需要在 预测尺度nPredictedLevel 之上
const cv::KeyPoint &kp = pKF2->mvKeysUn[idx];// 帧2候选区域内的 关键点
if(kp.octavenPredictedLevel)
continue;
// 帧2 关键点描述子
const cv::Mat &dKF = pKF2->mDescriptors.row(idx);
const int dist = DescriptorDistance(dMP,dKF);// 帧1 地图点描述子 和 帧2关键点 描述子 距离
if(distisBad())// 帧2地图点是坏点
continue;// 坏点跳过 SE3 Sim3
//步骤4.2: 帧2地图点(世界坐标系)-------> 帧2地图点(帧2坐标系)-------> 帧2地图点(帧1坐标系)---->帧1像素坐标系下
cv::Mat p3Dw = pMP->GetWorldPos();// 帧2 pKF1 地图点在世界坐标系中的点坐标
cv::Mat p3Dc2 = R2w*p3Dw + t2w; // 帧2地图点(帧2坐标系)
cv::Mat p3Dc1 = sR12*p3Dc2 + t12;// 帧2地图点(帧1坐标系) 相似变换
// Depth must be positive
if(p3Dc1.at(2)<0.0)// 深度值 为正
continue;
// 帧2地图点 投影到帧1 像素平面上
const float invz = 1.0/p3Dc1.at(2);
const float x = p3Dc1.at(0)*invz;
const float y = p3Dc1.at(1)*invz;
const float u = fx*x+cx;
const float v = fy*y+cy;
// Point must be inside the image
if(!pKF1->IsInImage(u,v))// 必须在 图像平面内
continue;
//步骤4.3: 判断帧2地图点距帧1的距离 是否在尺度协方差范围内
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
const float dist3D = cv::norm(p3Dc1);
// Depth must be inside the scale pyramid of the image
if(dist3DmaxDistance)
continue;
// 步骤4.4: 根据深度确定尺度 再根据 尺度确定搜索半径 进而在图像上确定 候选 关键点
// Compute predicted octave 根据深度 预测 地图点 在 帧 图像上 的尺度 深度大尺度小 深度小尺度大
const int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist3D,pKF1);// 尺度
// Search in a radius of 2.5*sigma(ScaleLevel)
const float radius = th*pKF1->mvScaleFactors[nPredictedLevel];// 半径
const vector vIndices = pKF1->GetFeaturesInArea(u,v,radius);// 在搜索区域的 候选点
if(vIndices.empty())
continue;
// 步骤4.5:遍历候选关键点 计算与地图点 描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
// Match to the most similar keypoint in the radius
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 帧2 地图点描述子
int bestDist = INT_MAX;
int bestIdx = -1;
// vector::const_iterator
// 遍历搜索 帧1区域内的所有特征点,与帧2地图点pMP进行描述子匹配
for(auto vit=vIndices.begin(), vend=vIndices.end(); vit!=vend; vit++)
{
const size_t idx = *vit;
// 关键点的尺度 需要在 预测尺度nPredictedLevel 之上
const cv::KeyPoint &kp = pKF1->mvKeysUn[idx];
if(kp.octavenPredictedLevel)
continue;
// 帧1 关键点描述子
const cv::Mat &dKF = pKF1->mDescriptors.row(idx);
// 帧2 地图点描述子 和 帧1关键点 描述子 距离
const int dist = DescriptorDistance(dMP,dKF);
if(dist=0)// 帧1 地图点 匹配到的 帧2 关键点 下标
{
int idx1 = vnMatch2[idx2];// 帧2 关键点 对应的 帧1 地图点下标
if(idx1==i1)// 匹配 相互符合
{
vpMatches12[i1] = vpMapPoints2[idx2];// 更新帧1 在帧2 中匹配的 地图点
nFound++;
}
}
}
return nFound;
}
// b. 匹配上一帧的地图点,即前后两帧匹配,用于TrackWithMotionModel
//运动模型(Tracking with motion model)跟踪 速率较快 假设物体处于匀速运动
// 用 上一帧的位姿和速度来估计当前帧的位姿使用的函数为TrackWithMotionModel()。
//这里匹配是通过投影来与上一帧看到的地图点匹配,使用的是matcher.SearchByProjection()。
/**
* @brief 通过投影,对上一帧的特征点(地图点)进行跟踪
* 运动跟踪模式
* 上一帧中包含了MapPoints,对这些MapPoints进行跟踪tracking,由此增加当前帧的MapPoints \n
* 1. 将上一帧的MapPoints投影到当前帧(根据速度模型可以估计当前帧的Tcw)
* 2. 在投影点附近根据描述子距离选取匹配,以及最终的方向投票机制进行剔除
* @param CurrentFrame 当前帧
* @param LastFrame 上一帧
* @param th 搜索半径参数
* @param bMono 是否为单目
* @return 成功匹配的数量
* @see SearchByBoW()
*/
int ORBmatcher::SearchByProjection(Frame &CurrentFrame, const Frame &LastFrame, const float th, const bool bMono)
{
int nmatches = 0;
// 步骤1:变量初始化----------------------------------------------------------
// Rotation Histogram (to check rotation consistency)
// 匹配点 观测方向差 直方图 统计 用来筛选 最好的 匹配
vector rotHist[HISTO_LENGTH];
for(int i=0;i(2) > CurrentFrame.mb && !bMono;
// 非单目情况,如果Z>0且大于基线,则表示前进
const bool bBackward = -tlc.at(2) > CurrentFrame.mb && !bMono;
// 非单目情况,如果Z<0,且绝对值大于基线,则表示前进
// 步骤2:遍历 上一帧 所有的关键点(对应 地图点)-------------------------------------------
for(int i=0; iGetWorldPos();// 上一帧地图点(世界坐标系下)
cv::Mat x3Dc = Rcw*x3Dw+tcw;//上一帧地图点(当前帧坐标系下)
const float xc = x3Dc.at(0);
const float yc = x3Dc.at(1);
const float invzc = 1.0/x3Dc.at(2);// 深度>0 逆深度>0
if(invzc<0)
continue;
float u = CurrentFrame.fx*xc*invzc+CurrentFrame.cx;
float v = CurrentFrame.fy*yc*invzc+CurrentFrame.cy;
if(uCurrentFrame.mnMaxX)
continue;// 需要在 图像尺寸内
if(vCurrentFrame.mnMaxY)
continue;
// 步骤4: 在当前帧上确定候选点-----------------------------------------------------
// NOTE 尺度越大,图像越小
// 以下可以这么理解,例如一个有一定面积的圆点,在某个尺度n下它是一个特征点
// 当前进时,圆点的面积增大,在某个尺度m下它是一个特征点,由于面积增大,则需要在更高的尺度下才能检测出来
// 因此m>=n,对应前进的情况,nCurOctave>=nLastOctave。后退的情况可以类推
int nLastOctave = LastFrame.mvKeys[i].octave;// 上一帧 地图点 对应特征点所处的 尺度(金字塔层数)
// Search in a window. Size depends on scale
float radius = th * CurrentFrame.mvScaleFactors[nLastOctave];//尺度越大,搜索范围越大
vector vIndices2;// 当前帧 上 投影点附近的 候选点
if(bForward)// 前进,则上一帧兴趣点在所在的尺度nLastOctave <= nCurOctave< 8(更近了 尺度大 层数高也可以看见)
vIndices2 = CurrentFrame.GetFeaturesInArea(u,v, radius, nLastOctave);
else if(bBackward)// 后退,则上一帧兴趣点在所在的尺度0<= nCurOctave <= nLastOctave(远了 尺度降低)
vIndices2 = CurrentFrame.GetFeaturesInArea(u,v, radius, 0, nLastOctave);
else// 没怎么运动 在上一帧 尺度附加搜索
vIndices2 = CurrentFrame.GetFeaturesInArea(u,v, radius, nLastOctave-1, nLastOctave+1);
if(vIndices2.empty())
continue;
// 步骤5:遍历候选关键点 计算与地图点 描述子匹配 计算距离 保留最近距离的匹配
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();// 上一帧地图点描述子
int bestDist = 256;
int bestIdx2 = -1;
// vector::const_iterator
for(auto vit=vIndices2.begin(), vend=vIndices2.end(); vit!=vend; vit++)
{
const size_t i2 = *vit;
if(CurrentFrame.mvpMapPoints[i2])// 如果当前帧关键帧有地图点
if(CurrentFrame.mvpMapPoints[i2]->Observations() > 0)//该对应地图点也有观测帧 则跳过
continue;//跳过不用在匹配地图点
// 双目和rgbd的情况,需要保证右图的点也在搜索半径以内
if(CurrentFrame.mvuRight[i2]>0)
{
const float ur = u - CurrentFrame.mbf*invzc;//匹配点 右图的横坐标
const float er = fabs(ur - CurrentFrame.mvuRight[i2]);// 误差
if(er > radius)
continue;
}
const cv::Mat &d = CurrentFrame.mDescriptors.row(i2);// 当前帧 关键点描述子
const int dist = DescriptorDistance(dMP,d);// 描述子匹配距离
if(dist=0 && bin(NULL);
nmatches--;
}
}
}
}
return nmatches;
}
//
// 在 关键帧地图点对应的描述子和 当前帧关键点描述子匹配后的 匹配点数少
// 把 关键帧地图点 根据当前帧个世界的变换关系 转换到当前帧坐标系下
// 再根据相机内参数K投影到当前帧的像素坐标系下
// 根据像素坐标所处的 格子区域 和估算的金字塔层级信息 得到和地图点匹配的 当前帧 候选特征点
// 计算匹配距离
// 1. 获取pKF对应的地图点vpMPs,遍历
// (1). 若该点为NULL、isBad或者在SearchByBow中已经匹配上(Relocalization中首先会通过SearchByBow匹配一次),抛弃;
// 2. 通过当前帧的位姿,将世界坐标系下的地图点坐标转换为当前帧坐标系(相机坐标系)下的坐标
// (2). 投影点(u,v)不在畸变矫正过的图像范围内,地图点的距离dist3D不在地图点的可观测距离内(根据地图点对应的金字塔层数,
// 也就是提取特征的neighbourhood尺寸),抛弃
// 3. 通过地图点的距离dist3D,预测特征对应金字塔层nPredictedLevel,并获取搜索window大小(th*scale),在以上约束的范围内,
// 搜索得到候选匹配点集合向量vIndices2
// const vector vIndices2 = CurrentFrame.GetFeaturesInArea(u, v, radius, nPredictedLevel-1, nPredictedLevel+1);
// 4. 计算地图点的描述子和候选匹配点描述子距离,获得最近距离的最佳匹配,但是也要满足距离 &sAlreadyFound, const float th , const int ORBdist)
{
int nmatches = 0;
// 当前帧旋转平移矩阵向量 相机坐标点
const cv::Mat Rcw = CurrentFrame.mTcw.rowRange(0,3).colRange(0,3);
const cv::Mat tcw = CurrentFrame.mTcw.rowRange(0,3).col(3);
const cv::Mat Ow = -Rcw.t()*tcw;
// Rotation Histogram (to check rotation consistency)
// 匹配点对观测方向一致性检测
// 匹配点对观测方向差值 方向直方图
vector rotHist[HISTO_LENGTH];
for(int i=0;i vpMPs = pKF->GetMapPointMatches();// 所有关键帧中的地图点
for(size_t i=0, iend=vpMPs.size(); iisBad() && !sAlreadyFound.count(pMP))
{
//Project
// 步骤2:关键帧 对应的有效地图点投影到 当前帧 像素平面上 查看是否在视野内
cv::Mat x3Dw = pMP->GetWorldPos();// 关键帧地图点在 世界坐标系下 的坐标
cv::Mat x3Dc = Rcw*x3Dw+tcw;// 关键帧地图点在 当前帧坐标系(相机坐标系)下的坐标
// 得到归一化相机平面上的点
const float xc = x3Dc.at(0);
const float yc = x3Dc.at(1);
const float invzc = 1.0/x3Dc.at(2);//归一化
// 有相机内参数 得到在像素平面上的投影点(u,v) 像素坐标
const float u = CurrentFrame.fx*xc*invzc+CurrentFrame.cx;
const float v = CurrentFrame.fy*yc*invzc+CurrentFrame.cy;
// 投影点(u,v)不在畸变矫正过的图像范围内 抛弃
if(uCurrentFrame.mnMaxX)
continue;
if(vCurrentFrame.mnMaxY)
continue;
// Compute predicted scale level
// 步骤2: 地图点的距离dist3D不在地图点的可观测距离内(根据地图点对应的金字塔层数,
//也就是提取特征的neighbourhood尺寸),抛弃
cv::Mat PO = x3Dw-Ow;// 关键帧地图点到 当前帧相机中的的相对坐标
float dist3D = cv::norm(PO);//关键帧地图点 距离当前帧相机中心的距离
const float maxDistance = pMP->GetMaxDistanceInvariance();
//地图点的可观测距离内(根据地图点对应的金字塔层数,也就是提取特征的neighbourhood尺寸)
const float minDistance = pMP->GetMinDistanceInvariance();
// Depth must be inside the scale pyramid of the image
// 地图点的距离dist3D不在地图点的可观测距离内
if(dist3D < minDistance || dist3D > maxDistance)
continue;
// 步骤3:通过地图点的距离dist3D,预测特征对应金字塔层nPredictedLevel,得到搜索半径,得到候选匹配点
// 并获取搜索window大小(th*scale),在以上约束的范围内,
// 搜索得到候选匹配点集合向量vIndices2
int nPredictedLevel = pMP->PredictScale(dist3D,&CurrentFrame);// 通过地图点的距离dist3D,预测特征对应金字塔层nPredictedLevel
// Search in a window 并获取搜索window大小(th*scale),
const float radius = th*CurrentFrame.mvScaleFactors[nPredictedLevel];
// 在以上约束的范围内,搜索得到候选匹配点集合向量vIndices2
// 对于 特征点格子内 图像金字塔的 相应层上 的候选特征点
const vector vIndices2 = CurrentFrame.GetFeaturesInArea(u, v, radius, nPredictedLevel-1, nPredictedLevel+1);
if(vIndices2.empty())
continue;
const cv::Mat dMP = pMP->GetDescriptor();//关键帧地图点的描述子
int bestDist = 256;
int bestIdx2 = -1;
// 步骤4:计算地图点的描述子和候选匹配点描述子距离,获得最近距离的最佳匹配,但是也要满足距离::const_iterator
for(auto vit=vIndices2.begin(); vit!=vIndices2.end(); vit++)//每一个候选匹配点
{
const size_t i2 = *vit;
if(CurrentFrame.mvpMapPoints[i2])//当前帧每一个候选匹配点 已经匹配到了 地图点 跳过
continue;
const cv::Mat &d = CurrentFrame.mDescriptors.row(i2);/// 候选匹配点描述子
const int dist = DescriptorDistance(dMP,d);// 计算地图点的描述子和候选匹配点描述子距离
if(distmvKeysUn[i].angle - CurrentFrame.mvKeysUn[bestIdx2].angle;//匹配点观测方向差
//将关键帧与当前帧匹配点的观测方向angle相减
// 得到rot(0<=rot<360),放入一个直方图中
if(rot<0.0)
rot+=360.0f;
int bin = round(rot*factor);
// 对于每一对匹配点的角度差,均可以放入一个bin的范围内(360/HISTO_LENGTH)
if(bin==HISTO_LENGTH)
bin=0;
assert(bin>=0 && bin* histo, const int L, int &ind1, int &ind2, int &ind3)
{
int max1=0;
int max2=0;
int max3=0;
// 步骤1:遍历直方图的 每一个 bin 查看其统计计数情况
for(int i=0; imax1)
{
max3=max2;// 第三高 计数值
max2=max1;// 第二高 计数值
max1=s;// 第一高 计数值
ind3=ind2;
ind2=ind1;
ind1=i;// 第一高 计数值 对应的 直方图 序列下标 0~360 >>> 0~30
}
// 步骤3:保留次高的bin的 下标
else if(s>max2)
{
max3=max2;// 第三高 计数值
max2=s;// 第二高 计数值
ind3=ind2;
ind2=i;
}
// 步骤4:保留第三高的bin的 下标
else if(s>max3)
{
max3=s;// 第三高 计数值
ind3=i;
}
}
//步骤5:若最高的比第二高的 高10倍以上,则只保留最高的bin中的匹配点
if(max2 < 0.1f*(float)max1)
{
ind2=-1;
ind3=-1;
}
//步骤6: 若最高的比第 三高的高10倍以上,则 保留最高的和第二高bin中的匹配点。
else if(max3<0.1f*(float)max1)
{
ind3=-1;
}
}
// Bit set count operation from
// http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#CountBitsSetParallel
/**
* @brief 二进制向量之间 相似度匹配距离
* @param a 二进制向量
* @param b 二进制向量
* @return
*/
int ORBmatcher::DescriptorDistance(const cv::Mat &a, const cv::Mat &b)
{
const int *pa = a.ptr();//指针
const int *pb = b.ptr();
int dist=0;
for(int i=0; i<8; i++, pa++, pb++)//只计算了前八个 二进制位 的差异
{
unsigned int v = *pa ^ *pb;
v = v - ((v >> 1) & 0x55555555);
v = (v & 0x33333333) + ((v >> 2) & 0x33333333);
dist += (((v + (v >> 4)) & 0xF0F0F0F) * 0x1010101) >> 24;
}
return dist;
}
} //namespace ORB_SLAM