slam十四讲各章内容概述

Posted 2021-12-18 继续向前。2020

1）代表第一章

1）下的1.2代表各章下的小细节内容。层次按1. ——1.1——1.1.1 的层次划分

本文内容，出自视觉十四讲

1）三种相机的区别
单目相机
效果：将拍摄到的场景在相机的成像平面上留下一个投影，以二维记录三维
处理：移动相机形成视差，估计相机的运动，也估计场景中物体的远近和大小
问题：具有尺度不确定性。用视差分析出物体的远近，也无法定量分析。

双目相机
效果：通过两个相机之间的距离（基线），估计每个像素的空间位置
问题：配置和标定较为复杂，切非常消耗计算资源

深度相机
效果：通过向物体发射光并接收回来的光，测出物体与相机之间的距离（红外结构光或Time of flight原理）
问题：测量范围窄，噪声大，视野小，容易受光照影响

2）SLAM框架
视觉里程计（特征提取，匹配）(提供待优化的数据，以及数据的初始值)
效果：通过相邻帧的图像估计相机的运动，并恢复场景的结构
进一步效果：
1.将相邻时刻的运动串起来，构成机器人的运动轨迹（定位问题）
2.根据每个时刻的相机位置，计算像素对应的空间点的位置（建图问题）
问题：会存在累计漂移带来的累计误差

后端优化（滤波，非线性优化）（整体的优化过程，面对数据，不关心数据来源）
效果：从带有噪声的数据中估计整个系统的状态，并分析状态估计的不确定性有多大（处理SLAM中的噪声问题）

回环检测：（解决位置随时间漂移的问题）（计算图像相似性的算法）
效果：通过判断图像间的相似性，将轨迹和地图调整到符合回环检测结果的样子。

地图
度量地图：（强调精确性）
1.稀疏地图：由路标组成的地图，不需要表达所有物体。定位用稀疏地图
2.稠密地图：建模所有看到的东西，由许多小块组成，小块含有占据，空闲，未知三种状态。导航用稠密地图

拓扑地图：强调地图元素之间的关系，由节点和边组成，只考虑节点间的连通性。

3)三维空间刚体运动
概念点：点和向量，反对称矩阵（反对称矩阵和向量φ一一对应）旋转矩阵，特殊正交群（n维旋转矩阵的集合，旋转矩阵（行列式为1的正交矩阵）），变换矩阵，特殊欧式群，旋转向量，欧拉角（奇异性问题：3个实数表达三维旋转，不可避免遇到奇异性问题），四元数（i对于180度，i^2=-1意味着绕i轴旋转360度）

变换：旋转向量和旋转矩阵（罗德里格斯公式），四元数可以转换到旋转向量和旋转矩阵，

4）李群和李代数（使用李代数，主要是为了进行优化）
群：一种集合加上一种运算的代数结构
李群：具有连续（光滑）性质的群
李代数：由三维向量组成的集合（反对称矩阵和向量φ一一对应）。描述了李群的局部性质，是单位元附近的正交空间。由一个集合，一个数域和一个二元运算符组成
指数映射：李代数实际上是由旋转向量（三维的或者六维的）组成的空间，指数映射为罗德里格斯公式，可以把李代数的任意一个向量对应到一个旋转矩阵（旋转矩阵或者正交矩阵）。
对数映射：是把矩阵转化为向量。（旋转固定在正负pi，李群李代数一一对应。否则，一个群可能存在多个李代数）
注意点：旋转矩阵的导数，可以由旋转向量指定。

BCH公式与近似公式：描述了李群李代数的加法与李群的乘法的对应关系
李代数求导：一般用来求解误差的最小值。方法由李代数的求导模型和扰动模型

sophus是一个较好的李代数库

5）相机与图像
单目相机的成像模型：
相机的内参数：世界的空间点P通过针孔相机模型得到成像平面的点P',再由平移和缩放关系得到像素坐标（相机的内参数就是中间量组成的矩阵K）
相机的外参数：相机的位姿R,t
标定：确定相机的内参
畸变：
径向畸变(桶形畸变，枕形畸变)——坐标点沿着长度方向发生变化
切向畸变——坐标点沿着切线方向发生改变（水平夹角发生改变）

畸变的纠正：（通过5个畸变系数求出点在像素平面的正确位置）
1.三维空间点投影到归一化图像平面
2对归一化平面上的点计算径向畸变和切向畸变
3.畸变后的点通过内参数矩阵投影到像素平面，得到该点在图像上的正确位置

具体的单目相机成像过程见书102页

双目相机模型：见书103页
RGB—D：原理有红外结构光，ToF(脉冲光）

图像与数组对应关系：数组的行数对应图像的高度，列数对应图像的宽度。所以由image(y,x)=I(x,y)

6）非线性优化
1.处理状态估计的方法(两种）
增量/渐进的方法（滤波器）——持有一个当前时刻的估计状态，然后用新的数据来更新它
批量方法：数据攒起来，一并处理

折中的办法：滑动窗口法，固定一些历史轨迹，仅对当前时刻附近的一些轨迹进行优化

贝叶斯法则：最大后延概率等于最大化似然和先验的乘积（不知道位姿或路标的时候，就没有了先验）
最大似然估计含义：在什么样的状态下，最可能产生现在观测到的数据

最小化所有时刻估计值与真实读数之间的马氏距离（最小化误差的二次型），等价于最大似然估计。也就是最小二乘问题等价于状态的最大似然估计

2.非线性最小二乘
自己的理解：这里的优化问题相当于求累计误差的最小值。转化为增量的方法后，则成了求满足条件的最小deltax。
一阶和二阶梯度法（最速下降法，牛顿法），高斯牛顿法，列文伯格——马尔夸特方法（这个相当于在高斯牛顿法的基础上加了一个信赖区域）

7）视觉里程计1
作用：根据相邻图像的信息估计出粗略的相机运动，给后端提供较好的初始值。
方法：特征点法，直接法
人工设计的特征点性质：可重复性，可区别性，高效率，本地性

特征点组成：关键点，描述子
关键点：是指特征点在图像里的位置，有些特征点还有朝向，大小等信息
描述子：通常是一个向量，按照某种人为设计的方式，描述了该关键点周围像素的信息

ORB特征：
FAST关键点：主要检测局部像素灰度变化明显的地方。（检测过程，预测试，非极大值抑制操作见书155）
解决FAST的方向性和尺度问题：金字塔，灰度质心法

特征匹配：确定当前看到的路标与之前看到的路标之间的对应关系（通过对图像与图像，图像与地图之的描述子进行准确匹配，可以为后续的姿态估计，优化等操作减轻大量负担）————方法：暴力匹配，快速近似最近邻

1 特征提取和匹配
1.1 提取和匹配ORB：
步骤：读取图像，初始化参数，检测角点，根据角点计算描述子，根据两幅图像的描述子进行匹配，计算最小距离和最大距离，根据匹配的Hamming距离进行筛选评估（筛选评估的条件为：Hamming距离小于最小距离的两倍）

1.2 手写ORB特征（还有些没有完全弄懂）

2——5 计算相机运动
方法：对级几何，ICP，PnP。根据不同的条件，方法不同
涉及到的概念：本质矩阵E，单应矩阵H，基础矩阵F

2.1 对极约束（这里具有尺度等价性,E实际只有5个自由度）（）
对极约束同时包含了平移和旋转
方法：根据配对点的像素位置求出E或者F，再根据E或者F求出R,t。（估计E的方法有八点法求出E，若匹配的点多余8对，可能存在误匹配，这时候使用RANSAC的随机采样一致性来处理带有误匹配的数据。求出E后再去求出R,t）

单应矩阵：单应矩阵的方法用于两个平面的映射关系，场景的点落在同意平面上，可以用单应矩阵来进行求取。（自由度为8的单应矩阵可通过4对匹配特征点来进行求取）

3 三角测量（用相机的运动估计特征点的空间位置）（已知运动R,t，求两个特征点的深度）
方法：通过不同位置对同一个路标点的观察，从观察到的位置推断路标点的距离
作用：三角测量可以得到两帧下点的深度，确定他们的空间坐标

4 PnP
作用：描述了知道n个3D空间点及其投影位置时，如何估计相机的位姿（估计相机运动）
求解方法有：P3P,DLT,非线性优化的BA

4.1 P3P
条件：3对3D—2D的匹配点（3D点为世界坐标系下的坐标，2D点为相机成像平面上的投影）（3D点的相机坐标系下的坐标能够知道，就成了3D—3D的问题），一对验证点
作用：可以得到相机坐标系下的3D坐标，然后可以用3D—3D的方法求取R,t

4.2 最小化重投影误差求解PnP(BA,把相机和三维点放在一起进行最小化)
方法：把误差求和，构建最小二乘问题，然后寻找最好的相机位姿，使他最小化。误差项是将3D点的投影位置与观测位置做差，所以称为重投影误差。

4.3 opencv的EPnP可以求解PnP问题，得到相机的运动参数R，t

4.4 g2o的部分代码没有看懂》》》》》》

5 ICP
特点：仅考虑两组3D点之间的变换时，和相机没有关系，ICP的计算结果也是R,t(这里的R,t是第二帧到第一帧的变换)
方法：利用线性代数的求解（主要是SVD，利用非线性优化方法的求解（类似于BA）
具体方法流程见书：197

8 ）直接法（直接法这部分，由于不一定会用到，值了解了下原理和优缺点，没有具体再去看代码了）
特点：
根据像素的亮度信息估计相机的运动和点的投影，可以完全不用计算关键点和描述子
特征点法只能重构稀疏特征点，直接法还具有恢复稠密或半稠密结构的能力

光流：描述像素随时间在图像之间运动的方法。
光流法特点：光流法能够直接得到特征点的对应关系，类似描述子的匹配（光流法不需要描述子了），通过光流追踪的特征点可以用PnP,ICP,对极几何来估计相机运动

直接法：特征匹配用的是最小化光度误差来进行，然后使用高斯牛顿法或者列文伯格—马尔夸特方法方法来计算增量

9） 后端1
9.1.1 
问题变换：拥有某些运动数据z，观测数据z，确定状态量x,y的分布(位姿x,路标y看做服从某种概率分布的随机变量)————当存在一些运动数据，观测数据时如何估计状态量的高斯分布（状态量和噪声项服从高斯分布）
对应的数学内容：批量状态估计问题转化为最大似然估计问题，使用最小二乘法求解

9.1.2和9.1.3讲述了，线性系统和非线性系统的状态量的一个求法。并且对EKF滤波器的方法和非线性优化的方法进行了一个比较

9.2 BA和图优化
BA:从视觉图像中提取最优的3D模型和相机参数

9.2.3 稀疏化和边缘化（矩阵H的稀疏结构，并用图优化来表示）
这里讲述了借用稀疏化和边缘化的思想，求解出位姿和路标的增量

9.2.4 鲁棒核函数：保证每条边的误差不会大得没边而掩盖其他的边

11 回环检测
关键：有效的检测出相机经过同一个位置
意义：关系我们估计的轨迹和地图在长时间下的正确性。回环检测提供了当前数据和所有历史数据的关联，可以利用回环检测进行重定位（帮助自身在轨迹上的位置）

方法：词袋模型

步骤一：生成字典
词典结构：K叉树（多组目标环境的数据生成）
方法：例如k-means,把已经提取的大量特征点聚类成一个含有k个单词的字典

步骤二：一幅图像出现了哪些单词（要对区分性和重要性进行评估），向量进行描述

步骤三：相似度计算，相似度处理（取一个先验相似度，表示某时刻关键帧图像与上一时刻的关键帧的相似性），关键帧处理（稀疏一点）

步骤四：检测验证（缓存机制或者一致性检测）