半闲居士视觉SLAM十四讲笔记（1）前言

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作者：宋洋鹏（youngpan1101）
邮箱： [email protected]

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本书内容

1. SLAM : Simultaneous Localization and Mapping, 同时定位与地图构建

   • 定义： 搭载特定传感器的主体，在没有环境先验信息的情况下，于运动过程中建立环境的模型，同时估计自身的运动（位姿）。
   • 如果这里的传感器是相机，就称之为 视觉 SLAM。

2. SLAM 的目的是解决“定位”与“地图构建”这两个问题

   • 希望实时地、在没有先验知识的情况下进行 SLAM，要解决这个问题就很不简单
   • SLAM 发展了将近 30 多年，相机才能认识到自身的位置，才能估算自己的运动

3. SLAM 应用点

   • 室内扫地机
   • 室内服务机器人
   • 自动驾驶
   • 空中的无人机
   • 虚拟现实
   • 增强现实

4. 国内 SLAM 相关资料非常匮乏，入门较难，虽然理论框架基本趋于稳定，但编程实现较为复杂，有一定的技术门槛

5. 该书将会结合 SLAM 的理论和实际代码来让初学者真正认识和学习 SLAM，有一种跟着高博做科研的感觉。

6. 与 SLAM 相关的书籍
   

   • Probabilistic Robotics
   • Multiple View Geometry in Computer Vision
     [TUM Course]
   • State Estimation for Robotics: A Matrix-Lie-Group Approach
   • Optimal Estimation of Dynamic Systems, Second Edition
   • Quaternion kinematics for the error-state KF
     

   • 这些书籍内容丰富、论述全面、推导严谨
     
   • 存在两个重要问题
     
     • 主要是介绍基础理论，SLAM 只是它们应用之一，并不能算是专门讲解 SLAM 的书籍
       
     • 偏重于数学理论，不涉及编程实现

7. SLAM 系统分成几个模块：视觉里程计、后端优化、建图以及回环检测

8. 编程过程中会接触到的第三方库：Eigen、OpenCV、PCL、g2o、Ceres 等

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如何使用这本书

1. 介绍并理解算法所必须的数学知识，不追求看似完美但实际复杂冗长的证明（SLAM 更像是一个工程问题，要在这个领域发优秀 Paper 的还是要深钻理论）

2. 目录

   • 第二讲 初始 SLAM （SLAM 系统概述）

     介绍 SLAM 系统的模块以及模块的具体工作内容，实践部分介绍编程环境的搭建、CMake 的语法、IDE 的使用方法。

   • 第三讲 三维空间刚体运动

     旋转矩阵、四元数、欧拉角的相关知识，Eigen 库的使用。

   • 第四讲 李群与李代数

     李代数的定义和使用方式，Sophus 库的使用。

   • 第五讲 相机与图像

     针孔相机模型以及图像的表示方法，OpenCV 库调取相机内参、外参。

   • 第六讲 非线性优化

     状态估计理论基础、最小二乘问题、梯度下降方法，使用 Ceres 和 g2o 进行曲线拟合的方法介绍。

   • 第七讲 视觉里程计 1

     特征点的提取与匹配、对极几何约束的计算、PnP、ICP 等，用这些方法去估计两幅图像之间的运动。

   • 第八讲 视觉里程计 2

     学习光流和直接法的原理，利用 g2o 实现一个简单的 RGB-D 直接法。

   • 第九讲 实践章：设计前端

     搭建一个视觉里程计框架，综合应用之前所学知识，实现它的基本功能。其中会涉及到优化的必要性、关键帧的选择等问题。

   • 第十讲 后端 1

     Bundle Adjustment 的深入讨论，包括基本的 BA 以及如何利用稀疏性加速求解过程，使用 Ceres 和 g2o 分别书写一个 BA 程序。

   • 第十一讲 后端 2

     位姿图是表达关键帧之间约束的一种更紧凑的形式，将用 g2o 和 gtsam 对一个位姿球进行优化。

   • 第十二讲 回环检测

     介绍以词袋方法为主的回环检测，将使用 dbow3 书写字典训练程序和回环检测程序。

   • 第十三讲 建图

     使用单目进行稠密深度图的估计（不可靠）；RGB-D 的稠密地图构建过程。编写极线搜索与块匹配的程序，构建点云地图和八叉树地图。

   • 第十四讲 SLAM： 现在与未来

     当前开源 SLAM 项目以及未来的发展方向。

3. 代码托管
   [Github]

4. 具备基本知识

   • 高等数学、线性代数、概率论
   • C++ 基础
   • Linux 基础

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习题

1. 有线性方程 Ax=b ，当我们知道 A,b ，想要求解 x 时，如何求解？ 这对 A 和 b 需要哪些条件？ 提示： 从 A 的维度和秩角度来分析。

   详细解答见另一篇博客 [数学]线性方程组的解、SVD

2. 高斯分布是什么？它的一维形式是什么样子？它的高维形式有是怎样的？

   参考 多维高斯分布讲解

3. 你知道 C++ 类吗？你知道 STL 吗？你使用过它们吗？

   • C++ 的基本教程可参考 C++ 教程
   • STL 的总结 链接

4. 你以前怎样书写 C++ 程序？

   以前更多的是用微软的 Visual Studio IDE 来写 C++ 程序。

5. 你知道 C++11 标准吗？其中哪些新特性你之前听说过或使用过？有没有其他的标准？

   C++11新特性 详细介绍了 C++11

6. 你知道 Linux 吗？你有没有至少使用过其中之一（安卓不算），比如 Ubuntu?

   使用过 Ubuntu

7. Linux 的目录结构是什么样的？你知道哪些基本命令，比如 ls, cat 等等？

   Linux 的学习教程： 鸟哥的 Linux 私房菜 – 基础学习篇

8. 如何在 Ubuntu 中安装软件（不打开软件中心的情况下）？

   一般是用命令： $ sudo apt-get install ….

9. 学习 Vim

   • 跟我一起学习VIM - The Life Changing Editor
   • 简明 VIM 练级攻略