VI-SLAM系统对比

任何类型的相机对运动物体，视线遮挡，光照剧烈变化等恶劣情况下都不够鲁棒，而惯性测量单元（IMU）对环境基本没有要求，并且IMU可以提供高频的位姿估计，视觉一般只能提供低频的位姿。依据视觉与IMU的特点，视觉与IMU融合的SLAM系统逐渐受到广泛关注，已成为SLAM系统的研究热点。视觉与ＩＭＵ融合的SLAM系统，称之为VI-SLAM系统，本博客针对目前主流的VI-SLAM进行对比。

一、单目VI-SLAM系统

1、ORB-SLAM2

（1）系统流程

（2）主要模块

• 前端：系统特征提取、相机的位姿预测或重定位、判断新的关键帧等跟踪部分
• 后端：局部建图、回环检测以及全局BA模块，此处的局部地图是主要负责关键帧的插入，以及对临近地图点进行处理以生成新的地图点，随后使用局部捆集调整（LocalBA）对新生成的地图点进行优化，最后再选择和删除部分关键帧，并将其输入到下一个模块
• 回环检测：处理和优化从局部建图模块中输入的关键帧，该模块分别采用词袋模型和Sim3算法进行回环检测和相似变换，最后用全局优化对地图进行更新

（3）优点

• 采用三线程结构，有非常好的跟踪和建图效果，能够保证轨迹与地图的全局一致性。
• 对特征点提取及匹配方案进行优化，如提取均匀分布特征点、循环优化减少Outlier，这使得ORB-SLAM的鲁棒性很高；
• 受车辆、行人等动态物体的影响大。

（4）缺点

• 基于特征点，每次跟踪位姿都要提取匹配特征点，较为耗时
• 系统较为精细庞大，三线程结构对搭载平台要求较高，目前多在PC运行
• 只能建稀疏特征点地图，无法提供导航避障功能，只能提供定位

2、LSD-SLAM

（1）系统流程

（2）主要模块:

• 前端跟踪：用之前一帧的位姿作为初始值，直接法求解跟踪获得每一新帧相对于当前关键帧的se（3）；
• 深度图估计：如果新帧跟关键帧变化较小，就通过small-baseline stereo comparison方法更新- 关键帧深度图；若变化较大就创建新关键帧，此新关键帧通过与最近的关键帧匹配来初始化。
• 地图优化：跟踪两两邻近关键帧间的sim（3），作为下一步全局优化的edge；位姿图优化+闭环检测（用特征点的词袋方法）+尺度漂移检测

（3）优点：

• 可在 CPU 上实现半稠密场景的重建；
• 考虑了像素梯度与直接法的关系,以及像素梯度与极线方向在深度估计中的角度关系；使深度估计精度有了较大提高；
• 用sim3作全局优化，可以减小尺度漂移，并可实现尺度可视化。

（4）缺点：

• 对相机内参和曝光非常敏感,并且在相机快速运动时容易丢失。
• 回环检测时还是得用特征点，不是单纯的直接法SLAM。

3、SVO

（1）系统流程

（2）主要模块：

• 前端跟踪：和上一帧通过光流法跟踪，求位姿初始值，然后通过局部地图在图像上的投影用直接法优化位姿；通过平移量判断是否创建新关键帧，创建关键帧后均匀提取新特征点；
• 深度滤波（地图优化）：每次跟踪完后，获得帧间位姿，然后三角化获得点云深度，然后基于均值——高斯滤波器对逆深度进行融合，以优化地图。

（3）优点：

• 特征点与直接法的混合使用，使得它速度极快，在低端计算平台上也能达到实时性,而在 PC 平台上则可以达到 100 多帧每秒的速度；
  框架简单，迁移容易。

（4）缺点：

• 在单目初始化时,使用了分解 H 矩阵而不是传统的 F 或 E 矩阵的方式,这需要假设特征点位于平面上；
• 目标应用平台为无人机的俯视相机,细节是围绕这个应用设计的,使得它在平视相机中表现不佳：如在关键帧选择时,使用了平移量作为确定新的关键帧的策略,而没有考虑旋转量；
• 为了速度和轻量化,舍弃了后端优化和回环检测部分,也基本没有建图功能。

二、双目/RGB-D VSLAM

1、RTAB-MAP（RGB-D/双目）

（1）系统流程

（2）主要模块：

VO模块：提取GFTT/BRIEF特征，并进行帧间光流追踪，通过RANSC PnP方法获得位姿初始值；再通过帧与局部地图点特征匹配，用BA方法更新位姿。
循环回环检测：ROS中的STM节点从图像中提取视觉特征（SIFT, SURF, ORB 等）， 然后将其量化成"视觉词袋"，创建定位点；每次检测相似帧时都是由WM从LTM中选择可能性大的定位点（每个定位点都有权重，权重随着被访问次数增加而增加）来进行比对，以优化运行速度；
后端优化：g2o/GTSAM（位姿图或因子图）优化。
建图：可以建2D/3D占据栅格图/八叉树图/点云图。

（3）优点：

适用于长期和大规模环境在线建图的要求；
里程计鲁棒性较好，且低漂移；
提供相应软件包，地图生成开发实用且简便。

（4）缺点：

方案偏向于商品化，二次开发难

2、RGBD-SLAM-V2

（1）系统流程

（2）主要模块：

前端：从每一帧的RGB提取特征，计算描述子，RANSAC ICP计算两帧之间的运动估计，并提出了一个EMM（环境测量模型）判断运动估计是否可以接受；
后端优化：也是词袋检测，然后G2O位姿图优化；
建图：可建立八叉树地图。

（3）优点：

二次开发较容易

（4）缺点：

实时性相对较差，相机要慢速运动

3、Elastic Fusion

（1）系统流程

（2）主要模块：

前端：从每一帧的RGB提取特征，计算描述子，RANSAC ICP计算两帧之间的运动估计，并提出了一个EMM（环境测量模型）判断运动估计是否可以接受；
后端优化：也是词袋检测，然后G2O位姿图优化；
建图：可建立八叉树地图。

（3）优点：

二次开发较容易

（4）缺点：

实时性相对较差，相机要慢速运动

三、VSLAM+IMU(VIO)方案

1、VIORB-SLAM2（单目+IMU)

工作原理：在ORB-SLAM2上改进而来
前端：继承ORB-SLAM2，都采用orb特征点，通过特征匹配结合局部地图估计运动；
后端：
优点：精度高，较为成熟
缺点：由于单目+特征匹配，鲁棒性较低

2、VINS-MONO（单目）

（1）系统流程

（2）主要模块：

预处理：图像特征光流跟踪；IMU数据预积分；
初始化：纯视觉Sfm初始化；Sfm与IMU积分的松耦合；
局部BA联合优化和重定位：基于滑动窗口的非线性优化实现紧耦合；
回环检测与全局位姿图优化：四自由度位姿图优化。

（3）优点

用紧耦合方法实现的，通过单目+IMU恢复出尺度；
采用光流跟踪，跟踪鲁棒性较好，可实用与快速场景；
估计精度较高。

（4）缺点

系统较为复杂，闭环检测对精度影响大；

3、VINS-FUSION（双目）

工作原理： VINS-FUSION是VINS-MONO的进化版，共有四个版本：单目+imu；纯双目；双目+imu；双目+imu+GPS；最主要的版本就是-双目+imu+GPS，对比于VINS Mono，主要增加了global_fusion包，用来融合GPS以及视觉IMU定位的结果。
优点：
可以静止进行初始化；
尺度信息不一定完全依靠IMU（有双目）,不会造成尺度不可关的情况；
鲁棒性上，双目明显优于单目。
缺点：由于视觉误匹配等各种原因，双目的精度会比单目差一点。

4、ORB-SLAM3（单目/双目+IMU)

（1）系统流程

（2）主要模块

相比于ORB-SLAM2加入了ATLAS成为了多地图系统；加入IMU可以进化为VIO-slam；

前端TRACKING:根据当前的active地图，实时地跟踪最新一帧的位置，利用最小化重投影误差的方式实现位姿的最大后验估计MAP。决定新一帧是否作为关键帧加入地图也是在这个线程中完成的。跟踪线程接受IMU、Frame输入，IMU 被预积分处理，而Frame被提取ORB特征，跟踪方法与2代类似。
局部建图优化：active地图加入新关键帧，在添加关键帧的时候，重复的关键点被移除。VI-Bundle Adjustment优化当前被插入帧前后窗口地图。
闭环检测：还是基于词袋法，将关键帧和整个Atlas地图集关键帧进行比较；找到相似后利用时间+几何一致性检验；
地图融合：关键帧和整个Atlas地图集关键帧进行比较，如果检测到两关键帧是同一地点，分为两种情况：若被召回帧是当前的active地图中的一部分，则需要进行loop correction回环矫正，在回环矫正之后，在另一个线程中进行，全局位姿图进行BA优化，整体的地图一致性得到了提升；若被召回帧是属于一个non-active的map，两个地图则会被合并成一个地图并将大地图设置为当前的active地图。

（3）优点

由于加入多地图概念，相比于ORB-SLAM2鲁棒性更强，在跟踪定位失败后，可以继续建立新图，并在回环检测召回时可以进行地图缝合；
加入IMU鲁棒性有了很大提高；
提供多种相机模型。

（4）缺点

初始化时，使用视觉与IMU独立初始化再进行联合初始化，初始化速度较慢。