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论文阅读 ORBSLAM3

IP云
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08/12
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这周末ORB-SLAM3出现了.先看了看论文.IMU部分没细看,后面补上.

Abstract

  • 视觉，视觉惯导，多地图SLAM系统
  • 支持单目/立体/RGBD相机
  • 支持pinhole/鱼眼相机

基于特征/紧耦合/视觉惯导，基于最大后验估计的SLAM系统，即使是在IMU的初始化阶段。

我们的系统更准2-5倍。

多地图系统，基于新的场景识别，提升了recall。

1. Introduction

  • short-term data association 前段配
  • mid-tem data assocation 后端配
  • long-term data association 回环配（MGI配）

我们还提出了multi-map data association。

  • ORB-SLAM Atlas： Atlas可以代表一组非连续的地图。可以用于，场景识别，相机重定位，回环检测，和地图融合。
  • Abstract camera representation：感觉就是我们的mcamera。

2. Related Work

它可承认LK比描述子匹配稍微鲁邦一点。

我们的ORB-SLAM3比VINS-Mono准2.6倍，在单目VIO配置下。

3. System Overview

  • Atlas
  • Tracking thread
  • Local Maping thread 在有IMU的时候，IMU参数是初始化，然后用MAP-estimation refine。
  • Loop and map merging thread

4. Camera Model

我们的目标是抽象所有的相机模型，提取所有相机模型相关的特性/函数（投影/反投影/雅克比..)。

A. Relocalization

ORB2中用ePNP，但是需要pinhole相机模型。我们用了MLPnP【76】，和相机模型解耦了。

B. Non-recitified Stereo SLAM

立体图像都转换成pinhole，一样的焦距，共平面，而且在水平极线上。

现在不了，泛化性更强。

  • 两个相机之间是SE3的关系（相机外参）
  • 可选择：有共视区域

5. Visual-Inertial SLAM

A.基础

状态向量：

\[\mathcal{S}_{i} \doteq\left\{\mathbf{T}_{i}, \mathbf{v}_{i}, \mathbf{b}_{i}^{g}, \mathbf{b}_{i}^{a}\right\}
\]

整个优化问题：

\[\min _{\tilde{\mathcal{S}}_{k}, \mathcal{X}}\left(\sum_{i=1}^{k}\left\|\mathbf{r}_{\mathcal{I}_{i-1, i}}\right\|_{\Sigma_{\mathcal{I}_{i, i+1}}^{2}}^{2}+\sum_{j=0}^{l-1} \sum_{i \in \mathcal{K}^{j}} \rho_{\text {Hub }}\left(\left\|\mathbf{r}_{i j}\right\|_{\Sigma_{i j}}\right)\right)
\]

它认为inertial残差不需要huber norm，因为不存在错配。

B. IMU初始化

有一些系统比如VI-DSO[46]尝试从scratch VI BA来解决，sidestepping(回避)一个初始化阶段。

我们的insights：

  • 纯单目的SLAM可以提供很准的初始地图，但是scale未知，解决视觉-only的问题会提升IMU初始化。
  • 不要使用隐式的BA表达，显式的优化问题可以使得尺度更快收敛。
  • 在IMU初始化阶段忽略传感器不确定性的话会产生很大的不可预测的误差。

  1. Vision-only MAP Estimation： 在初始的2秒初始化单目SLAM，以4Hz插KF，这样有10个pose和百余个点。
  2. Inertial-only MAP Estimation:

inertial变量：

\[\mathcal{Y}_{k}=\left\{s, \mathbf{R}_{\mathrm{w} g}, \mathbf{b}, \overline{\mathbf{v}}_{0: k}\right\}
\]

\(s \in R^+\) 是尺度，\(R_{wg}\in SO3\) 是重力方向，用两个角度表示，重力向量在世界系中是\(g=R_{wg}g_I\)，\(g_I = (0, 0, G)^T\)。\(\overline{\mathbf{v}}_{0: k} \in \mathbb{R}^{3}\) 是up-to-scale的body速度（从第一到最后的关键帧），从\(\overline{\mathbf{T}}_{0: k}\) 初始估计。

。。。

C. Tracking and Mapping

在一些特殊的case，比如缓慢的移动没有提供好的关于inertial参数的观测性，初始化可能收敛在好的结果。我们提出了一个变种的inertial-only的优化，它包含了所有插入的关键字，但是只优化尺度和重力方向。在这种情况下，biases是常量的假设就没有了，我们会给每个帧估计，然后修正。这个优化很高效，在local mapping线程里每10秒做一次，知道有100多个关键字或者跑了75秒以上。

D. Robustness to tracking loss

  • 短时的丢失：用IMU来估计当前状态，然后投影匹配。
  • 长时丢失：初始化一个新的visual-inertial map。

6. Map Merging and Loop Closing

A. Place Recognition

为了获得高recall，每个关键字在dbow2 database 查询。为了获得100%的准确，我们走几何验证。

如果 几个候选，我们检查最优比次优。

  • 在有IMU的时候，再检查一下重力方向。

B. Visual Map Merging

当场景识别产生了multi-map的数据关联，KF \(K_a\) （当前地图\(M_a\)，a表示active）- KF \(K_m\) （Atlas \(M_m\))，相对变换是\(T_{am}\)。

  1. Welding window assembly
  2. 地图融合
  3. Welding bundle adjustment 弄一个local BA
  4. Pose-graph optimization

C. Visual-Inertial Map Merging

大差不差吧。

D. Loop Closing

7. Experiment Result

  • 测了 单目/单目-IMU/立体/立体-IMU

A. single-session SLAM on EuRoC

单目/立体：ORB3比2更准是因为回环算法 - 更早的回环，更多的mid-term匹配。有趣的是，DSM获得次优的表现因为使用了mid-term的匹配，即使没有回环。

单目-IMU：ORB3比VI-DSO和VINs-Mono准两倍，说明了mid-term和long-term数据关联的优势。

双目-IMU：ORB3比OKVIS，VINs-Fusion和Kimera好很多。

B. Visual-Inertial SLAM on TUM-VI

在单目提1500个点，双目是一张图1000个点。

。。。

C. Multi-session SLAM

。。。

8. Conclusions

描述子感觉可以解决mid/long term的匹配问题，但是tracking没有LK鲁邦。

一个有趣的线是研发光度技术来解决4种数据关联问题。

其他没啥。