动态环境下的slam问题如何解决？

作者：颜沁睿
链接：https://www.zhihu.com/question/47817909/answer/107775045
来源：知乎
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嘿嘿谢邀~~这个问题还是挺感兴趣的, 正好早起看到答一发.

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没有专门研究dynamic scene这个问题, 但是也算看过. 比较明确的是核心问题还是在于data association, 即对于新的observation, 如何与过去已经观察到的tracks进行关联. 扣题, 想想为什么在动态场景下会出现问题?因为我们在mapping的时候建立的点云, 都是一堆无意义的特征点而已, 我们并不知道哪些点是什么物体, 是否在运动...

于是回答第二第三个问题, 其实必须要进行跟踪, 如果仅仅给出两帧图片, 即使是人自己也是很难区分是否动态物体的, 何况是电脑? 跟踪的意义在于, 对于场景中的多个物体进行运动估计, 加上对自身运动已知, 就可以推测哪些物体在做绝对运动, 哪些在做相对运动, 哪些静止不动.

数据关联的问题在现在比较火爆的几个Monocular SLAM的工作中都没有明确指出, 但实际上却是SLAM中的最关键问题, 在computer vision领域这个问题又叫做corresponding问题, 即特征匹配.
回想我们当前的特征匹配策略, 主要是测量两个特征descriptor之间的相似程度. 具体做法是, 在两个连续图像帧中提取所有可以提取的特征点, 然后逐一比对. 如果足够相似, 就认为两个特征点是同一个. 事实证明这样做是远远不够的, 因为图像特征的局部性, 在图像中的重复性, 会造成大量的误匹配. 当然我们有很多奇技淫巧, 比如1NN/2NN, RANSAC等方法, 但问题并不算被解决, 只能算是被改善了一些吧.

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既然提到了, 那就顺便讲讲数据关联吧.
回到最基本的数据关联问题上. 在做物体跟踪的时候, 我们是可以根据物体之前的运动, 估计它在新一帧中出现的位置的, 如下图中蓝色的正方形和三角形. 问题在于这个估计值是有一定不确定度的, 就是在圆圈范围内都是有可能的, 并不一定在蓝色图形处. 于是假如此时我们有5个observation, 对于o1, o2, o5都没什么问题, 直接关联给track1, track2就好了, 但是对于o3, o4就有问题了, 没办法确定应该把它们关联给哪个track, 因为给谁都有可能是对的.为了方便, 直接盗图, 于是换一个图来解释.......
此时就要使用上概率大法. 注意这时候还有一种可能性是o2,o3其实是假观测, 就是它根本不属于任何一个track, 这在现实情况中是有可能发生的, 假设这种情况发生的概率是\beta. 假设任意观察到一个目标的概率是Pd, 把目标i关联到track j上的概率是g_{ij}.
于是对刚刚的o3, o4有十种可能的关联方式, 对每一种可以算出一个likelihood出来. 然后选择likelihood最大的为最终关联就好了. 这样做充分地考虑了不确定性的问题, 比起之前RANSAC乱试智能多了.
当然这只是数据关联的其中一种算法, JPDAF(Joint probability data association filter). 事实上它有一个很强的假设是, 之前的关联都是正确的, 我们只考虑新的observation与旧的track如何关联. 而事实上, 最大likelihood的那个假设有可能只在当前帧是对的. 于是最好的方式是对每一帧保留所有的可能假设, 到具体关联的时候再做积分就好了. 只是这样做会带来随着帧数增长成指数级别的假设数量, 所以在现实中总需要做些假设去简化它. 这种方式叫做MHT(Multi-Hypothesis Tracking).
总而言之, 数据关联问题至关重要, 看看大牛Frank Dellaert的PHD论文吧, 整个工作就是在做data association的.
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回到动态场景的问题下来, 刚刚说的是理论的, 吹吹牛吧. 动态场景在语义地图下当然就好办很多啦哈哈. 我们如果能识别出点云中的物体, 至少就可以知道它是否能动, 然后再去判断它是否真的在动. 语义地图的工作应该有很多团队在进行了, 尤其在DL,CV横行, vision slam当道的大环境下, 语义的引入应该很快会完成吧. 个人对这方面保持持续关注, 论文就是做的Object level slam方面的, 欢迎各位大侠拍砖交流!
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参考资料:
课件: http://www.cse.psu.edu/~rtc12/CSE598C/datassocPart2.pdf