漫谈 SLAM 技术（上）

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作者：解洪文

导语

随着最近几年机器人、无人机、无人驾驶、VR/AR的火爆，SLAM技术也为大家熟知，被认为是这些领域的关键技术之一。本文对SLAM技术及其发展进行简要介绍，分析视觉SLAM系统的关键问题以及在实际应用中的难点，并对SLAM的未来进行展望。

1. SLAM技术

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping），同步定位与地图构建，最早在机器人领域提出，它指的是：机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的环境特征定位自身位置和姿态，再根据自身位置构建周围环境的增量式地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。由于SLAM的重要学术价值和应用价值，一直以来都被认为是实现全自主移动机器人的关键技术。

如下图，通俗的来讲，SLAM回答两个问题：“我在哪儿？”“我周围是什么？”，就如同人到了一个陌生环境中一样，SLAM试图要解决的就是恢复出观察者自身和周围环境的相对空间关系，“我在哪儿”对应的就是定位问题，而“我周围是什么”对应的就是建图问题，给出周围环境的一个描述。回答了这两个问题，其实就完成了对自身和周边环境的空间认知。有了这个基础，就可以进行路径规划去达要去的目的地，在此过程中还需要及时的检测躲避遇到的障碍物，保证运行安全。

2. SLAM发展简介

自从上世纪80年代SLAM概念的提出到现在，SLAM技术已经走过了30多年的历史。SLAM系统使用的传感器在不断拓展，从早期的声呐，到后来的2D/3D激光雷达，再到单目、双目、RGBD、ToF等各种相机，以及与惯性测量单元IMU等传感器的融合；SLAM的算法也从开始的基于滤波器的方法（EKF、PF等）向基于优化的方法转变，技术框架也从开始的单一线程向多线程演进。下面介绍这些过程中一些代表性的SLAM技术。

（1）激光雷达SLAM发展

基于激光雷达的SLAM（Lidar SLAM）采用2D或3D激光雷达（也叫单线或多线激光雷达），如下图所示。在室内机器人（如扫地机器人）上，一般使用2D激光雷达，在无人驾驶领域，一般使用3D激光雷达。

激光雷达的优点是测量精确，能够比较精准的提供角度和距离信息，可以达到<1°的角度精度以及cm级别的测距精度，扫描范围广（通常能够覆盖平面内270°以上的范围），而且基于扫描振镜式的固态激光雷达（如Sick、Hokuyo等）可以达到较高的数据刷新率（20Hz以上），基本满足了实时操作的需要；缺点是价格比较昂贵（目前市面上比较便宜的机械旋转式单线激光雷达也得几千元），安装部署对结构有要求（要求扫描平面无遮挡）。

激光雷达SLAM建立的地图常常使用占据栅格地图（Ocupanccy Grid）表示，每个栅格以概率的形式表示被占据的概率，存储非常紧凑，特别适合于进行路径规划。

现任Udacity创始人CEO、前Google副总裁、谷歌无人车领导者Sebastian Thrun大神（下图）在他2005年的经典著作《Probabilistic Robotics》一书中详细阐述了利用2D激光雷达基于概率方法进行地图构建和定位的理论基础，并阐述了基于RBPF粒子滤波器的FastSLAM方法，成为后来2D激光雷达建图的标准方法之一GMapping[1][2]的基础，该算法也被集成到机器人操作系统（Robot Operation System，ROS）中。

2013年，文献[3]对ROS中的几种2D SLAM的算法HectorSLAM，KartoSLAM，CoreSLAM，LagoSLAM和GMapping做了比较评估，读者可前往细看。

2016年，Google开源其激光雷达SLAM算法库Cartographer[4]，它改进了GMapping计算复杂，没有有效处理闭环的缺点，采用SubMap和Scan Match的思想构建地图，能够有效处理闭环，达到了较好的效果。

（2）视觉SLAM发展

相比于激光雷达，作为视觉SLAM传感器的相机更加便宜、轻便，而且随处可得（如人人都用的手机上都配有摄像头），另外图像能提供更加丰富的信息，特征区分度更高，缺点是图像信息的实时处理需要很高的计算能力。幸运的是随着计算硬件的能力提升，在小型PC和嵌入式设备，乃至移动设备上运行实时的视觉SLAM已经成为了可能。

视觉SLAM使用的传感器目前主要有单目相机、双目相机、RGBD相机三种，其中RGBD相机的深度信息有通过结构光原理计算的（如Kinect1代），也有通过投射红外pattern并利用双目红外相机来计算的（如Intel RealSense R200），也有通过TOF相机实现的（如Kinect2代），对用户来讲，这些类型的RGBD都可以输出RGB图像和Depth图像。

现代流行的视觉SLAM系统大概可以分为前端和后端，如下图所示。前端完成数据关联，相当于VO（视觉里程计），研究帧与帧之间变换关系，主要完成实时的位姿跟踪，对输入的图像进行处理，计算姿态变化，同时也检测并处理闭环，当有IMU信息时，也可以参与融合计算（视觉惯性里程计VIO的做法）；后端主要对前端的输出结果进行优化，利用滤波理论（EKF、PF等）或者优化理论进行树或图的优化，得到最优的位姿估计和地图。

采用滤波器的SLAM，如下图(a)，估计n时刻的相机位姿Tn需要使用地图中所有路标的信息，而且每帧都需要更新这些路标的状态，随着新的路标的不断加入，状态矩阵的规模增长迅速，导致计算和求解耗时越来越严重，因此不适宜长时间大场景的操作；而采用优化算法的SLAM，如下图(b)，通常结合关键帧使用，估计n时刻的相机位姿Tn可以使用整个地图的一个子集，不需要在每幅图像都更新地图数据，因此现代比较成功的实时SLAM系统大都采取优化的方法。

下面介绍视觉SLAM发展历程中几个比较有代表性的SLAM系统进行介绍：

MonoSLAM[5]是2007年由Davison 等开发的第一个成功基于单目摄像头的纯视觉SLAM 系统。MonoSLAM使用了扩展卡尔曼滤波，它的状态由相机运动参数和所有三维点位置构成, 每一时刻的相机方位均带有一个概率偏差，每个三维点位置也带有一个概率偏差, 可以用一个三维椭球表示, 椭球中心为估计值, 椭球体积表明不确定程度(如下图所示)，在此概率模型下, 场景点投影至图像的形状为一个投影概率椭圆。MonoSLAM 为每帧图像中抽取Shi-Tomasi角点[6], 在投影椭圆中主动搜索(active search)[7]特征点匹配。由于将三维点位置加入估计的状态变量中，则每一时刻的计算复杂度为O(n3) , 因此只能处理几百个点的小场景。

同年，Davison在Oxford的师父Murray和Klein发表了实时SLAM系统PTAM（Parallel Tracking and Mapping）[8]并开源（如下图），它是首个基于关键帧BA的单目视觉SLAM 系统, 随后在2009 年移植到手机端上[9]。PTAM在架构上做出了创新的设计，它将姿态跟踪（Tracking）和建图（Mapping）两个线程分开并行进行，这在当时是一个创举，第一次让大家觉得对地图的优化可以整合到实时计算中，并且整个系统可以跑起来。这种设计为后来的实时SLAM（如ORB-SLAM）所效仿，成为了现代SLAM系统的标配。具体而言，姿态跟踪线程不修改地图，只是利用已知地图来快速跟踪；而建图线程专注于地图的建立、维护和更新。即使建立地图线程耗时稍长，姿态跟踪线程仍然有地图可以跟踪（如果设备还在已建成的地图范围内）。此外，PTAM还实现丢失重定位的策略，如果成功匹配点(Inliers)数不足（如因图像模糊、快速运动等）造成跟踪失败时，则开始重定位[10]——将当前帧与已有关键帧的缩略图进行比较，选择最相似的关键帧作为当前帧方位的预测。

2011年，Newcombe 等人提出了单目DTAM 系统[11], 其最显著的特点是能实时恢复场景三维模型（如下图）。基于三维模型，DTAM 既能允许AR应用中的虚拟物体与场景发生物理碰撞，又能保证在特征缺失、图像模糊等情况下稳定地直接跟踪。DTAM采用逆深度(Inverse Depth)[12]方式表达深度。如下图，DTAM将解空间离散为M×N×S 的三维网格，其中M× N为图像分辨率，S为逆深度分辨率，采用直接法构造能量函数进行优化求解。DTAM 对特征缺失、图像模糊有很好的鲁棒性，但由于DTAM 为每个像素都恢复稠密的深度图, 并且采用全局优化，因此计算量很大，即使采用GPU 加速, 模型的扩展效率仍然较低。

2013年，TUM机器视觉组的Engel 等人提出了一套同样也是基于直接法的视觉里程计(visual odometry, VO)系统，该系统2014年扩展为视觉SLAM 系统LSD-SLAM[13]，并开源了代码。与DTAM相比，LSD-SLAM 仅恢复半稠密深度图（如下图），且每个像素深度独立计算, 因此能达到很高的计算效率。LSD-SLAM 采用关键帧表达场景，每个关键帧K包含图像 Ik、逆深度图Dk和逆深度的方差Vk。系统假设每个像素x的逆深度值服从高斯分布N(Dk (x),Vk (x))。LSD-SLAM 的前台线程采用直接法计算当前帧t与关键帧k之间相对运动，后台线程对关键帧中每个半稠密抽取的像素点x（梯度显著区域）, 在It中沿极线搜索Ik (x)的对应点, 得到新的逆深度观测值及其方差，然后采用EKF更新Dk和Vk 。LSD-SLAM采用位姿图优化来闭合回环和处理大尺度场景。2015年，Engel等人对LSD-SLAM进行了功能拓展，使其能够支持双目相机[14]和全景相机[15]。

2014年，苏黎世大学机器人感知组的Forster等人提出开源的SVO系统[16]，该系统对稀疏的特征块使用直接法配准（Sparse Model-based Image Alignment），获取相机位姿，随后根据光度不变假设构造优化方程对预测的特征位置进行优化（Feature Alignment），最后对位姿和结构进行优化（Motion-only BA和Structure-only BA），而在深度估计方面，构造深度滤波器，采用一个特殊的贝叶斯网络[17]对深度进行更新。SVO的一个突出优点就是速度快，由于使用了稀疏的图像块，而且不需要进行特征描述子的计算，因此它可以达到很高的速度（作者在无人机的嵌入式ARM Cortex A9 4核1.6Ghz处理器平台上可以达到55fps的速度），但是SVO缺点也很明显，它没有考虑重定位和闭环，不算是一个完整意义上的SLAM系统，丢失后基本就挂了，而且它的Depth Filter收敛较慢，结果严重地依赖于准确的位姿估计；2016年，Forster对SVO进行改进，形成SVO2.0[18]版本，新的版本做出了很大的改进，增加了边缘的跟踪，并且考虑了IMU的运动先验信息，支持大视场角相机（如鱼眼相机和反射式全景相机）和多相机系统，该系统目前也开源了可执行版本[19]；值得一提的是，Foster对VIO的理论也进行了详细的推导，相关的文献[20]成为后续SLAM融合IMU系统的理论指导，如后面的Visual Inertial ORBSLAM等系统。

2015年，Mur-Artal 等提出了开源的单目ORB-SLAM[21]，并于2016年拓展为支持双目和RGBD传感器的ORB-SLAM2[22]，它是目前支持传感器最全且性能最好的视觉SLAM系统之一，也是所有在KITTI数据集上提交结果的开源系统中排名最靠前的一个[23]。ORB-SLAM 延续了PTAM 的算法框架，增加了单独的回环检测线程，并对框架中的大部分组件都做了改进，归纳起来主要有以下几点：1）ORB-SLAM追踪、建图、重定位和回环检测各个环节都使用了统一的ORB 特征[24]，使得建立的地图可以保存载入重复利用；2）得益于共视图（convisibility graph）的使用，将跟踪和建图操作集中在一个局部互见区域中，使其能够不依赖于整体地图的大小，能够实现大范围场景的实时操作；3）采用统一的BoW词袋模型进行重定位和闭环检测，并且建立索引来提高检测速度；4）改进了PTAM只能手工选择从平面场景初始化的不足，提出基于模型选择的新的自动鲁棒的系统初始化策略，允许从平面或非平面场景可靠地自动初始化。后来，Mur-Artal又将系统进行了拓展，形成了融合IMU信息的Visual Inertial ORB-SLAM[25]，采用了Foster的论文[]提出的预积分的方法，对IMU的初始化过程和与视觉信息的联合优化做了阐述。

2016年，LSD-SLAM的作者，TUM机器视觉组的Engel等人又提出了DSO系统[26]。该系统是一种新的基于直接法和稀疏法的视觉里程计，它将最小化光度误差模型和模型参数联合优化方法相结合。为了满足实时性，不对图像进行光滑处理，而是对整个图像均匀采样。DSO不进行关键点检测和特征描述子计算，而是在整个图像内采样具有强度梯度的像素点，包括白色墙壁上的边缘和强度平滑变化的像素点。而且，DSO提出了完整的光度标定方法，考虑了曝光时间，透镜晕影和非线性响应函数的影响。该系统在TUM monoVO、EuRoC MAV和ICL-NUIM三个数据集上进行了测试，达到了很高的跟踪精度和鲁棒性。

2017年，香港科技大学的沈绍劼老师课题组提出了融合IMU和视觉信息的VINS系统[27]，同时开源手机和Linux两个版本的代码，这是首个直接开源手机平台代码的视觉IMU融合SLAM系统。这个系统可以运行在iOS设备上，为手机端的增强现实应用提供精确的定位功能，同时该系统也在应用在了无人机控制上，并取得了较好的效果。VINS-Mobile使用滑动窗口优化方法，采用四元数姿态的方式完成视觉和IMU融合，并带有基于BoW的闭环检测模块，累计误差通过全局位姿图得到实时校正。