视觉SLAM从理论到实践
机器人视觉SLAM算法的优化与实践经验分享
机器人视觉SLAM算法的优化与实践经验分享随着人工智能技术的快速发展，机器人技术在各个领域中的应用越来越广泛。
而在机器人导航和定位中，视觉SLAM （Simultaneous Localization and Mapping）算法起到了至关重要的作用。
本文将分享有关机器人视觉SLAM算法的优化与实践经验。
首先，对于视觉SLAM算法的优化过程，我们可以从多个方面入手，以提高机器人的导航和定位能力。
其中，传感器选择和数据融合是关键的一部分。
合理选择传感器（如激光雷达、摄像头等）可以在一定程度上降低误差，并为算法提供更准确的输入数据。
同时，数据融合技术可以结合多种传感器的数据，提高整体定位精度。
此外，算法的实时性也是优化的重要方向，因为在实际应用中，机器人需要快速准确地感知周围环境。
在实践过程中，我们还需要考虑机器人的运动模型。
机器人的运动模型对SLAM算法的准确性有很大影响。
因此，我们需要建立精确的机器人运动模型，并充分考虑运动过程中的物理限制。
此外，对于不同类型的机器人，我们需要根据其特点来选择合适的运动模型，以提高SLAM算法在特定场景下的性能。
除了传感器和运动模型的优化，我们还可以从数据预处理和地图构建等方面入手进行优化。
首先，在数据预处理中，我们可以使用滤波算法对输入数据进行降噪处理，减少噪声对数据的影响。
此外，对于大规模数据的处理，我们可以采用分布式算法或GPU加速等技术来提高处理效率。
而地图构建方面，我们可以利用纹理信息、语义信息等辅助信息，使得生成的地图更加详细和准确。
在实践过程中，我们还需要注意SLAM算法的参数调优和误差分析。
对于不同的算法，存在一些需要根据实际场景和应用需求进行调整的参数。
通过合理调整这些参数，可以进一步提高算法的性能。
此外，在误差分析上，我们可以通过对比真实位置和算法估计的位置，来评估SLAM算法的准确性，并根据误差分析结果来优化算法。
此外，在实际应用中，可以通过机器学习等技术进一步提高SLAM算法的性能。
视觉SLAM：从理论到实践特征点法视觉里程计
2. 2D-2D 对极几何
• 小结 • 2D-2D情况下，只知道图像坐标之间的对应关系
• 当特征点在平面上时（例如俯视或仰视），使用H恢复R,t • 否则，使用E或F恢复R,t • t 没有尺度
• 求得R,t后：
• 利用三角化计算特征点的3D位置（即深度）
• 实际中用于单目SLAM的初始化部分
3. 3D-2D PnP
• 利用非线性优化可以将ICP与PnP结合在一起求解。
5. 三角化与深度估计
5. 三角化与深度估计
• 已知运动时，求解特征点的3D位置 • 几何关系： • 求 ������2 时，两侧乘 ������1∧
• 反之亦然
• 或者同时解 ������1, ������2 ：
•求
−������������2, ������1
• 雅可比的形式？
P’为P在相机坐标系下的坐标：
第一项：
对P’进行投影：
3. 3D-2D PnP
• 第二项： • 非齐次形式： • 两项相乘：
3. 3D-2D PnP
• 也可以对3D点求导：
1 ������������ = ������������ − ������������ ������exp
������1 ������2
= ������
的最小二乘解 ������ = ������������������ −1������������������
5. 三角化与深度估计
• 三角化中的问题：
• 解得深度的质量与平移相关
• 但是平移大时特征匹配可能不成功
• 方程
−������������2, ������1
• 最少可使用五个点计算R,t，称为五点法
计算机视觉从理论到实践
计算机视觉从理论到实践在当今科技飞速发展的时代，计算机视觉已经成为了一项至关重要的技术。
它不仅改变了我们与计算机互动的方式，还在众多领域产生了深远的影响，从医疗保健到自动驾驶，从安防监控到工业生产。
然而，要真正理解计算机视觉，我们需要从理论基础深入到实际应用，探索其背后的原理和实现过程。
计算机视觉的理论根基可以追溯到图像处理、模式识别和机器学习等多个学科领域。
简单来说，计算机视觉就是让计算机从图像或视频中获取有价值的信息，并理解其内容。
这涉及到对图像的采集、预处理、特征提取、目标检测与识别等一系列复杂的步骤。
图像采集是计算机视觉的第一步。
我们通过各种设备，如摄像头、扫描仪等，获取现实世界中的视觉信息。
但采集到的原始图像往往存在噪声、模糊或光照不均等问题，这就需要进行预处理。
预处理的方法包括图像增强、去噪、几何变换等，目的是提高图像的质量，为后续的处理提供更好的基础。
特征提取是计算机视觉中的关键环节。
就像我们人类通过观察物体的形状、颜色、纹理等特征来识别它们一样，计算机也需要从图像中提取出有代表性的特征。
这些特征可以是基于边缘、角点、纹理等的低级特征，也可以是通过深度学习模型自动学习到的高级语义特征。
目标检测与识别则是计算机视觉的核心任务之一。
在图像中准确地定位并识别出感兴趣的目标，如人脸、车辆、动物等，是许多应用的关键需求。
传统的目标检测方法通常基于手工设计的特征和分类器，而随着深度学习的兴起，基于卷积神经网络（CNN）的目标检测算法取得了巨大的突破，如 Faster RCNN、YOLO 等。
有了理论基础，让我们来看看计算机视觉在实际中的应用。
在医疗领域，计算机视觉可以用于医学影像的分析，帮助医生更准确地诊断疾病。
例如，通过对 X 光片、CT 扫描图像的分析，检测肿瘤、骨折等异常情况。
在自动驾驶中，车辆上的摄像头和传感器采集周围环境的图像，计算机视觉系统能够识别道路、交通标志、行人、车辆等，从而实现自动驾驶或辅助驾驶功能。
10视觉SLAM十四讲 第十讲 后端1
27 10.2 BA与图优化
• 该方程组分为两步来求： 1. 求解上半部分，规模较小，得到 Dxc
2. 将结果代入下半部分，得到 Dxp
• 这个做法称为Marginalization或Schur消元
• 从消元角度来讲，亦可使用Cholesky等其他消元方式解此稀疏方程 • 从Marginalization角度来讲，是我们把所有的路标信息边缘化到了相机的信息中
• BA问题与图结构的关系
• BA虽然是个纯优化问题，但亦可以用图模型清晰地表述出来
• 顶点为优化变量，边为运动/观测约束
• 本身还有一些特殊的结构
特点：
• 每个观测只关系两个变量，其中一个是相机，一个
• 考虑在位姿 i 处对路标 j 的一次观测 zij： 是路标
• 纯视觉Ba中，不存在相机与相机/路标与路标之间的
• 只是现在我们还没有代入具体的分布形式
• 在线性模型、高斯状态分布下，我们将得到卡尔曼滤波器
• 在非线性模型、高斯状态分布下，可以在工作点附近线性展开，得到扩展卡尔曼滤波器
12 10.1 EKF滤波器形式后端
• 卡尔曼滤波器的推导
• 线性模型和高斯噪声：
( ) • 状态的高斯分布（区别先后验） P(xk-1) = N xˆk-1, Pˆk-1
• 比较一次项系数： • 整理之：
• 两侧同乘 Pˆk 并定义： K = Pˆk CkT Q-1 ，得：
称为卡尔曼滤波的更新式
16 10.1 EKF滤波器形式后端
• 小结：
经典卡尔曼滤波器的五个公式 给出了线性高斯系统的最优无偏估计
17 10.1 EKF滤波器形式后端
• Kalman Filter的非线性扩展：EKF • 当f,h为非线性函数时：
视觉SLAM从理论到实践相机模型与非线性优化
视觉SLAM从理论到实践相机模型与非线性优化视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是一种通过使用摄像机或摄像头进行环境感知和自主定位的技术。
它可以同时实现对周围环境的三维建模和自身位置的估计，被广泛应用于机器人导航、增强现实、无人驾驶等领域。
视觉SLAM的核心是相机模型和非线性优化。
相机模型是视觉SLAM中的重要理论基础。
它描述了摄像机的内部参数（内参）和外部参数（外参）。
内参包括焦距、像素尺寸、光学中心等，外参则是摄像机相对于世界坐标系的位姿信息。
相机模型将三维空间中的点投影到二维图像平面上，从而实现了从像素坐标到世界坐标的转换。
常用的相机模型有针孔模型、透视模型等。
相机模型的正确建模对于准确的物体定位和三维重建至关重要。
非线性优化是实现视觉SLAM的关键技术之一、在实际应用中，相机姿态和地图点的估计往往是不精确的，同时噪声和误差也会影响到估计的准确性。
非线性优化的目标是通过最小化观测误差来找到最优的相机姿态和地图点的估计值。
这个过程涉及到迭代最小二乘（Iterative Closest Point, ICP）、非线性优化方法（如高斯牛顿法、Levenberg-Marquardt算法）等。
通过迭代优化，可以不断更新估计值，从而提高SLAM系统的准确性和稳定性。
视觉SLAM的实践涉及到多个方面。
首先，需要进行相机标定，即确定相机的内外参数。
这可以通过特定的标定板和相机标定算法来实现。
其次，需要通过视觉特征提取和匹配来进行视觉里程计计算，得到相机的位移估计。
常用的特征包括角点、边缘、拐点等。
匹配算法可采用基于特征描述子的方法，如SIFT、SURF等。
然后，利用非线性优化算法对位姿进行优化，同时进行地图点的三维重建。
最后，可以通过回环检测来进一步提高SLAM系统的准确性和鲁棒性。
回环检测是指当相机经过之前经过的区域时，能够检测到这一回环并进行相应的调整，从而提高位姿估计的准确性。
视觉SLAM从理论到实践回环检测
1. 回环检测与词袋
• 相似度计算
• 原则上比较Word即可计算图像相似度 • 但一些Word很常见，另一些则很罕见 • TF-IDF（Term Frequency-Inverse Document Frequency）
• 思路：单词在字典中出现频率越高，则区分度越低/在图像中频率越高-则区分度越高 • IDF部分可在字典训练过程中计算 • TF部分则需要对图像的特征进行计算
• 特征聚类形成了Word • 许多Word组成了Dictionary • 图像的相似性=Word的相似性 • 只看Word的有无，无视Word的顺序
1. 回环检测与词袋
• Word的形成
• 聚类 • 经典的k-means聚类 N个特征点->k个类
1. 回环检测与词袋
• 字典的结构
• 当实际拿到一个特征时，需要查询它对应的Word是什么 • 遍历比较：O(n) • 建立字典结构可以加速比较
视觉SLAM：从理论到实践 第八次课 回环检测与建图
主讲人
第八讲 回环检测与建图
1. 回环检测与词袋 2. 建图 3. 展望
1. 回环检测与词袋
1. 回环检测与词袋
• 回环检测的意义
• VO和后端都存在误差 • SLAM的建图与定位是耦合的——误差将会累计
• Loop Closing步骤
• 检测到回环的发生 • 计算回环修选帧与当前帧的运动 • 验证回环是否成立 • 闭环
• 相似度：
1. 回环检测与词袋
• SLAM中的回环检测
• 使用相对的评分而非绝对的评分 • 思路：相邻关键帧是相似的，而回环的相似度应该约等于相邻关键帧
视觉SLAM技术的研究与应用
视觉SLAM技术的研究与应用引言：随着计算机视觉和机器人技术的发展，SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即同时定位与地图构建）技术成为了近年来研究的热点之一。
在SLAM技术中，视觉SLAM技术作为一种重要的手段，已经在无人车、无人机、增强现实等领域得到了广泛的应用。
本文将就视觉SLAM技术的研究进展、技术原理及其在实际应用中的表现进行详细的探讨。
一、视觉SLAM技术的研究进展1.1视觉SLAM技术的起源视觉SLAM技术是基于摄像头和图像信息进行定位和地图构建的一种技术。
这种技术最早可以追溯到上个世纪末，当时的研究主要集中在三维重建和摄像头定位上。
随着计算机技术和图像处理技术的发展，SLAM技术也在不断地进行演进和发展。
1.2视觉SLAM技术的发展历程随着计算机视觉和深度学习的发展，视觉SLAM技术也取得了长足的进步。
传统的视觉SLAM算法主要是基于特征点匹配和结构光技术。
而现代的视觉SLAM算法则采用了深度学习和神经网络技术，能够更加准确和高效地完成定位和地图构建的任务。
1.3视觉SLAM技术的研究热点当前视觉SLAM技术的研究热点主要集中在以下几个方面：稀疏与稠密地图构建技术、实时性与鲁棒性的提升、多传感器融合、大规模场景下的定位与地图构建、SLAM在自动驾驶和增强现实中的应用等。
二、视觉SLAM技术的原理与方法2.1视觉SLAM的基本原理视觉SLAM技术的基本原理是通过摄像头采集图像信息，并通过图像处理和计算机视觉算法实现实时的定位与地图构建。
具体来说，就是通过分析相邻图像的特征点，并计算出相机的运动轨迹和周围环境的三维结构。
2.2视觉SLAM的核心技术在视觉SLAM技术中，最核心的技术包括特征提取与匹配、相机位姿估计、地图构建及优化等。
其中，特征提取与匹配是最基础的技术，它能够提取出图像中的关键特征点，并将它们进行匹配，以便计算相机的位姿。
Kinect视觉SLAM技术介绍 – 视觉机器人
Kinect视觉SLAM技术介绍–视觉机器人本文介绍SLAM的历史、理论以及实现的方式，且主要介绍基于视觉（Kinect）的实现方式。
1. 前言开始做SLAM（机器人同时定位与建图）研究已经近一年了。
从一年级开始对这个方向产生兴趣，到现在为止，也算是对这个领域有了大致的了解。
然而越了解，越觉得这个方向难度很大。
总体来讲有以下几个原因：1）入门资料很少。
虽然国内也有不少人在做，但这方面现在没有太好的入门教程。
《SLAM for dummies》可以算是一篇。
中文资料几乎没有。
2）SLAM研究已进行了三十多年，从上世纪的九十年代开始。
其中又有若干历史分枝和争论，要把握它的走向就很费工夫。
3）难以实现。
SLAM是一个完整的系统，由许多个分支模块组成。
现在经典的方案是“图像前端，优化后端，闭环检测”的三部曲，很多文献看完了自己实现不出来。
4）自己动手编程需要学习大量的先决知识。
首先你要会C和C++，网上很多代码还用了11标准的C++。
第二要会用Linux。
第三要会cmake，vim/emacs及一些编程工具。
第四要会用openCV, PCL, Eigen等第三方库。
只有学会了这些东西之后，你才能真正上手编一个SLAM系统。
如果你要跑实际机器人，还要会ROS。
当然，困难多意味着收获也多，坎坷的道路才能锻炼人（比如说走着走着才发现Linux和C++才是我的真爱之类的。
）鉴于目前网上关于视觉SLAM的资料极少，我于是想把自己这一年多的经验与大家分享一下。
说的不对的地方请大家批评指正。
这篇文章关注视觉SLAM，专指用摄像机，Kinect等深度像机来做导航和探索，且主要关心室内部分。
到目前为止，室内的视觉SLAM仍处于研究阶段，远未到实际应用的程度。
一方面，编写和使用视觉SLAM需要大量的专业知识，算法的实时性未达到实用要求；另一方面，视觉SLAM生成的地图（多数是点云）还不能用来做机器人的路径规划，需要科研人员进一步的探索和研究。
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4 第一讲 引言
相机运动？环境模型？
应用：机器人、AR/VR、无人机、无人驾驶等等。
5 第一讲 引言
• 困难之处
• 三维空间的运动 • 受噪声影响 • 数据来源只有图像
• 人类看到的是图像，计算机看 到的是数值矩阵
• Make computer see?
• 从学习角度来看
• 牵涉到理论太广 • 从理论到实现困难 • 资料缺乏
6 第一讲 引言
• 相关书籍和课程
• The Bible: Multiple View Geometry in Computer Vision • State Estimation for Robotics: A Matrix-Lie-Group Approach • Probabilistic Robotics
• 优势：内容丰富、推导严谨 • 不足：
• 没有专门介绍SLAM • 缺少实践指导
Hale Waihona Puke 7 第一讲 引言• 本书的特点
• 基础、必要的理论知识 • 大量的编程内容 • 重视工程实践
• 观念：只有亲自动手实现了算法，才能谈得上理解 • 旅行愉快！
8 第一讲 引言
• 内容
• 第一部分：数学基础
• 概述 Linux • 三维空间刚体运动表述 Eigen • 李群与李代数 Sophus • 相机模型与图像 OpenCV • 非线性优化 Ceres, g2o
视觉SLAM十四讲
从理论到实践
2
第一讲 引言
Chapter 1: Introduction
3 第一讲 引言
• 课程内容
• SLAM：Simultaneous Localization and Mapping 同时定位与地图构建 • 搭载特定传感器的主体，在没有环境先验信息的情况下，于运动过程中建立环境的模型，
• 第二部分：视觉SLAM
• 视觉里程计 OpenCV • 后端优化 Ceres, g2o, gtsam
• 第二部分：视觉SLAM
• 回环检测 DBoW3 • 地图构建 PCL, Octomap
• 其他
• 历史回顾和未来
代码：https:///gaoxiang12/slambook
9 第一讲 引言
• 预备知识
• 数学：高等数学、线性代数（矩阵论）、概率论 • 编程：C++、Linux，了解语法和基本命令即可 • 不提供windows环境下的方案！ • 阅读第一章习题作为自测
• 例如：
• 类是什么？STL是什么？ • 你是否用过Ubuntu？如何在Ubuntu中安装某个软件？