04 帧 Frame

04 帧 Frame

4.1 相机相关信息

Frame 类与相机相关的参数大部分都设为 static 类型，系统内所有的 Frame 对象共享一份相机参数。

成员函数/变量	访问控制	意义
static bool mbInitialComputations	public static	是否需要为 Frame 类的相机参数赋值
初始化为 true，第一次为相机参数赋值后变为 false
static float fx fy static float cx cy static float invfx invfy	public static	相机内参
cv::Mat mK	public	相机内参矩阵
float mb	public	双目相机基线
float mbf	public	相机基线与焦距的乘积

这些参数首先由 Tracking 对象从 yaml 配置文件内读入，再传给 Frame 类的构造函数，第一次调用 Frame 的构造函数时为这些成员变量赋值.

4.2 特征点提取

在 Frame 类构造函数中调用成员变量 mpORBextractorLeft 和 mpORBextractorRight 进行特征点提取。

成员函数/变量	访问控制	意义
ORBextractor* mpORBextractorLeft ORBextractor* mpORBextractorRight	public	左右目特征点提取器
cv::Mat mDescriptors cv::Mat mDescriptorsRight	public	左右目图像特征点描述子
std::vector mvKeys std::vector mvKeysRight	public	畸变矫正前的左右目特征点
std::vector mvKeysUn	public	矫正后的左目特征点（对应mvKeys）
std::vector mvuRight	public	左目特征点在右目中匹配特征点的横坐标(左右目匹配特征点的纵坐标相同）
std::vector mvDepth	public	特征点深度
float mThDepth	public	判断单目特征点和双目特征点的阈值 深度低于该值得特征点被认为是双目特征点 深度低于该值得特征点被认为是单目特征点

mvKeys、 mvKeysUn、mvuRight、mvDepth 的坐标索引是对应的，也就是说对于第 i 个图像特征点:

• 其矫正前的左目特征点是 mvKeys[i]；

• 矫正后的左目特征点是 mvKeysUn[i]；

• 其在右目中对应的特征点的横坐标为 mvuRight[i]，纵坐标与 mKeys[i] 相同；

• 特征点深度为 mvDepth[i]

对于单目特征点（单目相机输入的特征点或没有找到右目匹配的左目图像特征点），其 mvuRight 和 mvDepth 均为 -1。

4.2.1 特征点提取 ExtractORB()

成员函数/变量	访问控制	意义
void ExtractORB(int flag, const cv::Mat &im)	public	直接调用 orbExtractor 提取特征点

void Frame::ExtractORB(int flag, const cv::Mat &im)
{
    if(flag==0)
        (*mpORBextractorLeft)(im,cv::Mat(),mvKeys,mDescriptors);
    else
        (*mpORBextractorRight)(im,cv::Mat(),mvKeysRight,mDescriptorsRight);
}

4.3 ORB-SLAM2对双目/RGBD特征点的预处理

双目/RGBD 相机可以得到特征点的立体信息，包括右目特征点信息（mvuRight）、特征点深度信息（mvDepth）：

• 对于双目相机，通过双目特征点匹配关系计算特征点的深度值；
• 对于 RGBD 相机，根据特征点深度构造虚拟的右目图像特征点。
  

成员函数/变量	访问控制	意义
void ComputeStereoMatches()	public	双目图像特征点匹配，用于双目相机输入图像预处理
void ComputeStereoFromRGBD(const cv::Mat &imDepth)	public	根据深度信息构造虚拟右目图像，用于RGBD相机输入图像预处理
cv::Mat UnprojectStereo(const int &i)	public	根据深度信息将第 i 个特征点反投影成 MapPoint

通过这种预处理，在后面 SLAM 系统的其他部分中不用再区分双目特征点和 RGBD 特征点，它们都会以双目特征点的形式被处理（仅通过判断 mvuRight[idx] 判断某特征点是否有深度）。

4.3.1 双目视差公式

根据三角形相似关系

$$\frac{z-f}{z}=\frac{b-u_L+u_R}{b}$$

整理，得

$$z=\frac{fb}{d},d=u_L-u_R$$

其中，$z$ 为观测距离（深度），$b$ 为基线，$f$ 为焦距，$d$ 为视差。

4.3.2 双目图像特征点匹配 ComputeStereoMatches()

双目相机分别提取到左右目特征点后对特征点进行双目匹配，并通过双目视差估计特征点深度。双目特征点匹配步骤：

（1）粗匹配：根据特征点描述子距离和金字塔层级判断匹配.粗匹配关系是按行寻找的，对于左目图像中每个特征点，在右目图像对应行上寻找匹配特征点。

（2）精匹配: 根据特征点周围窗口内容相似度判断匹配。

（3）亚像素插值: 将特征点相似度与匹配坐标之间拟合成二次曲线,寻找最佳匹配位置(得到的是一个小数)。

（4）记录右目匹配 mvuRight 和深度 mvDepth 信息。

（5）离群点筛选: 以平均相似度的 2.1 倍为标准，筛选离群点。

4.3.3 根据深度信息构造虚拟右目图像：ComputeStereoFromRGBD()

对于 RGBD 特征点，根据深度信息构造虚拟右目图像（视差公式）。这样在就可以将 RGBD 图像和双目图像归为一类，便于程序处理。

4.4 畸变矫正：UndistortKeyPoints()

成员函数/变量	访问控制	意义
cv::Mat mDistCoef	public	相机的畸变矫正参数
std::vector mvKeys std::vector mvKeysRight	public	原始左/右目图像提取出的特征点（未校正）
std::vector mvKeysUn	public	畸变矫正后的左目特征点
void UndistortKeyPoints()	public	矫正特征点（仅对单目和RGBD）
static float mnMinX,mnMaxX static float mnMinY,mnMaxY	public	畸变矫正后的图像边界
void ComputeImageBounds(const cv::Mat &imLeft)	private	计算畸变矫正后的图像边界

畸变矫正只对单目和 RGBD 相机输入图像有效，双目相机的畸变矫正参数均为 0，因为双目相机数据集在发布之前已经预先做了 双目矫正。

4.5 特征点分配：AssignFeaturesToGrid()

在对特征点进行预处理后，将特征点分配到 48 行 64 列的网格中以加速匹配。

成员函数/变量	访问控制	意义
FRAME_GRID_ROWS=48 FRAME_GRID_COLS=64	#DEFINE 宏	网格行数/列数
static float mfGridElementWidthInv mfGridElementHeightInv	public static	每个网格的宽度/高度
std::vector mGrid[FRAME_GRID_COLS][FRAME_GRID_ROWS]	public	每个网格内特征点编号列表
void AssignFeaturesToGrid()	private	将特征点分配到网格中
vector GetFeaturesInArea(const float &x, const float &y, const float &r, const int minLevel=-1, const int maxLevel=-1) const	public	获取半径为r的圆域内的特征点编号列表

为什么要分配特征点呢？

我们将图片分割为 64*48 大小的栅格，并将关键点按照位置分配到相应栅格中。匹配时，按照先粗后精的思想，先搜索栅格，再在栅格内搜索对应的像素点，这样比逐一比较像素点，效率更高。

4.5 构造函数 Frame()

包括默认构造函数、拷贝构造函数、单目/双目/RGBD 模式构造函数。

4.6 Frame 类的用途

成员变量/函数	访问控制	意义
Frame mCurrentFrame	public	当前正在处理的帧
Frame mLastFrame	private	上一帧

Tracking 线程每收到一帧图像，就调用函数 Tracking::GrabImageMonocular()、Tracking::GrabImageStereo() 或 Tracking::GrabImageRGBD() 创建一个 Frame 对象，赋值给 mCurrentFrame。

Track() 函数跟踪结束后，将 mCurrentFrame 赋值给 mLastFrame。

除了少数被选为 KeyFrame 的帧以外，大部分 Frame 对象的作用仅在于 Tracking 线程内追踪当前帧位姿，不会对 LocalMapping 线程和 LoopClosing 线程产生任何影响，在 mLastFrame 和 mCurrentFrame 更新之后就被系统销毁了。