SLAM是機器人、自動駕駛等應(yīng)用重要的基礎(chǔ)技術(shù)，如果離開了SLAM，相當(dāng)于人類失去了雙眼。SLAM可分為激光SLAM和視覺SLAM，視覺SLAM主要是基于相機來完成環(huán)境的感知工作，相對而言，相機成本較低，容易放到商品硬件上，且圖像信息豐富，因此視覺SLAM也備受關(guān)注。本文主要是對之前關(guān)于視覺SLAM方案和硬件選型調(diào)研的總結(jié)，文中有關(guān)的視頻是從youtube上收集的，上傳到了百度網(wǎng)盤，有需自取。

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SLAM的引入

1.1定義

SLAM 是 Simultaneous Localization and Mapping 的縮寫，中文譯作“同時定位與地圖構(gòu)建”。它是指搭載特定傳感器的主體，在沒有環(huán)境先驗信息的情況下，于運動過程中建立環(huán)境的模型，同時估計自己的運動。如果這里的傳感器主要為相機，那就稱為“視覺 SLAM”。

1.2開發(fā)背景

圖1-1 SLAM中建圖的分類與作用

引入SLAM的主要目的如下：

1）建圖。使用SLAM可在傳感器具有良好表現(xiàn)的環(huán)境下建立精度較高的全局地圖，建立好的地圖會為后面的定位、導(dǎo)航等功能提供服務(wù)。

2）定位。視覺SLAM中可通過幀間數(shù)據(jù)匹配計算相機的相對變換，對應(yīng)的就是機器人的位姿信息，不過該計算結(jié)果中存在累計誤差的影響；利用SLAM建立的全局地圖，通過相機采集到的環(huán)境信息與地圖進行匹配可以減小累積誤差的影響，獲得更加精準(zhǔn)的機器人位姿。

3）導(dǎo)航。如果我們建立的地圖中包含了“哪些地方可以通過，哪些地方不能通過”的信息，那么我們可以以此實現(xiàn)機器人在地圖中從某一起點到某一終點的路徑規(guī)劃與跟蹤，并能夠?qū)Φ貓D中固定障礙物實現(xiàn)避障。但這對我們能夠建立的地圖有要求，需要是“稠密”地圖。

02

視覺SLAM

2.1 經(jīng)典視覺SLAM框架

SLAM至今已歷經(jīng)三十多年的研究，這里給出經(jīng)典視覺SLAM框架，這個框架本身及其包含的算法已經(jīng)基本定型，并且已經(jīng)在許多視覺程序庫和機器人程序庫中提供。

圖2-1 經(jīng)典視覺SLAM框架

我們把整個視覺 SLAM 流程分為以下幾步：

1）傳感器信息讀取。在視覺 SLAM 中主要為相機圖像信息的讀取和預(yù)處理。如果在機器人中，還可能有碼盤、慣性傳感器等信息的讀取和同步。

2）視覺里程計 (Visual Odometry, VO)。視覺里程計任務(wù)是估算相鄰圖像間相機的運動，以及局部地圖的樣子，VO 又稱為前端（Front End）。

3）后端優(yōu)化（Optimization）。后端接受不同時刻視覺里程計測量的相機位姿，以及回環(huán)檢測的信息，對它們進行優(yōu)化，得到全局一致的軌跡和地圖。由于接在 VO 之后，又稱為后端（Back End）。

4）回環(huán)檢測（Loop Closing）。回環(huán)檢測判斷機器人是否曾經(jīng)到達(dá)過先前的位置。如果檢測到回環(huán)，它會把信息提供給后端進行處理。

5）建圖（Mapping）。它根據(jù)估計的軌跡，建立與任務(wù)要求對應(yīng)的地圖。

某些使用場合中，我們只截取SLAM的部分功能應(yīng)用到實際場景中。舉例來說只使用VO部分我們可以得到連續(xù)的相機相對運動信息，雖然該運動信息存在累計誤差，但應(yīng)用中對此要求不高甚至不做要求，譬如VR頭顯中計算頭顯設(shè)備運動時的位姿。

不過一般在機器人應(yīng)用場景中，個人認(rèn)為建圖功能也是不可或缺的。因為前端包括后端優(yōu)化得到的運動信息始終包含累積誤差，該累積誤差在SLAM中只能通過回環(huán)檢測（機器人回到某一處曾經(jīng)經(jīng)過的地方且系統(tǒng)識別出來）或者與事先建立好的具有較高精度的全局地圖匹配來消除。但是機器人在實際運動中，不能保證全局路徑一定會有重疊處，也就是說在SLAM計算中很可能出現(xiàn)不存在回環(huán)的情況，此時累積誤差只能通過與全局地圖匹配來消除，因此SLAM的建圖功能也不可或缺。

圖2-2 回環(huán)檢測消除累積誤差

這一點在VINS開源項目（香港科技大學(xué)團隊基于單目+IMU開發(fā)的開源SLAM方案）中的測試視頻（見“視頻/VINS/[Open Source] VINS-Mono_ Monocular Visual-Inertial System in EuRoC MAV Dataset (MH_05 V1_03).mp4”）中也有體現(xiàn)。在回環(huán)檢測前，SLAM計算得到的位姿與真實位姿之間已經(jīng)產(chǎn)生了很大的偏差，如圖2-3所示；該偏差只有在相機回到了曾經(jīng)經(jīng)過的地方且SLAM成功執(zhí)行了回環(huán)檢測后才得到了消除，如圖2-4所示。

圖2-3 未進行回環(huán)檢測前的位姿累積誤差

圖2-4 回環(huán)檢測消除累計誤差

2.2視覺SLAM方案的分類

視覺SLAM方案可按照傳感器的不同（單目、雙目、RGBD、與IMU的組合等）、前端方法的不同（主要分為直接法和特征點法）、后端優(yōu)化方案的不同（濾波或者非線性優(yōu)化）、生成地圖形式的不同（稀疏地圖、稠密地圖等）具有不同的劃分。這里主要以傳感器的不同對slam方案進行簡單的介紹。

1）單目slam。只使用一個攝像頭采集信息，在尺度完成初始化的情況下（即相機初始階段進行了一段位移且確定了該段位移的實際大小作為參考），能夠完成連續(xù)圖像間相機位姿的計算與建圖。優(yōu)點在于設(shè)備簡單，成本低。缺點在于存在尺度漂移現(xiàn)象；圖像的深度信息只能通過三角測量計算得到，對環(huán)境適應(yīng)性差；在相機位移較小時計算誤差較大，建圖精度不高。

2）雙目slam。使用雙目相機采集信息，雙目相機可以通過立體視覺原理計算得到像素深度，這樣就不存在單目slam中深度未知的情況。優(yōu)點在于對環(huán)境的適應(yīng)性要高于單目slam，且能夠計算得到像素真實深度；缺點在于像素深度計算量較大，一般通過FPGA或者GPU加速實現(xiàn)實時計算輸出。

3）RGBD SLAM。RGBD相機是指能夠同時輸出RGB圖像和對應(yīng)的深度圖的相機，其測量像素深度不再通過耗時的被動雙目匹配計算，而是通過激光散斑增加圖像紋理加速計算或者硬件測量（結(jié)構(gòu)光、TOF等）實現(xiàn)。因此它可以看做減小了計算量的雙目SLAM，但是RGBD相機普遍在室外表現(xiàn)效果不佳，更多用于室內(nèi)環(huán)境。

4）近年來有學(xué)者提出單目/雙目+IMU的slam方案，其中IMU主要起到的作用包括（1）解決單目slam的初始化尺度問題（2）追蹤中提供較好的初始位姿（3）提供重力方向（4）提供一個時間誤差項以供優(yōu)化。理論上來說IMU提供了冗余的運動信息，通過數(shù)據(jù)融合可以得到更加精確的運動估計。

從實現(xiàn)難度上來看：單目SLAM>雙目SLAM>RGBD SLAM。

2.3 開源視覺SLAM方案匯總

目前比較流行的開源視覺SLAM方案如表2-1所示：

表2-1 開源SLAM方案匯總

03

視覺SLAM設(shè)備選型

3.1 設(shè)備選型的重要性說了這么多，終于到了設(shè)備選型這一部分。設(shè)備選型的重要性不言而喻，畢竟“好模型架不住壞數(shù)據(jù)”，SLAM模型建立得再好，如果設(shè)備采集的數(shù)據(jù)本身誤差過大，計算結(jié)果必定也不夠理想。先以VINS項目為例，根據(jù)論文內(nèi)容他們的設(shè)備型號和具體信息如下。 相機模塊：單目相機，型號為MatrixVision的mvBlueFOX-MLC200w，具有全局快門；cmos型號為MT9V034，單色，分辨率為752X480，幀率20Hz IMU：該模塊使用的是大疆的集成飛控模塊A3的內(nèi)置IMU模塊，芯片型號為ADXL278和ADXRS290（都為工業(yè)級IMU芯片）；可以確定A3內(nèi)置對IMU的校準(zhǔn)去躁等處理算法。

圖3-1 VINS中設(shè)備型號 由此看來VINS選用的硬件是具有一定要求的，其采集數(shù)據(jù)的精度也對SLAM算法最終的效果產(chǎn)生正向作用。所以如果我們選用了精度沒那么高的消費級IMU配合單目相機采集數(shù)據(jù)時，VINS的輸出結(jié)果就不一定能夠達(dá)到論文中的精度了。3.2 設(shè)備類型選擇我們的項目中工作環(huán)境為室外，對傳感器選型提出了較高要求。以RGBD相機為例，很多基于結(jié)構(gòu)光或者TOF方案的深度攝像頭在室外表現(xiàn)不佳，主要原因是室外自然光的影響。個人初步傾向于選用雙目或者RGBD（雙目某些情況下可視為RGBD）+IMU的方案，主要理由如下： 1）雙目/RGBD+IMU的硬件，可在此基礎(chǔ)上嘗試基于單目/雙目/RGBD/單目+IMU/雙目+IMU等多種開源SLAM方案；反之單目+IMU的設(shè)備對開源方案的限制較大（只能是單目/單目+IMU） 2）單目SLAM在建圖方面，尤其是深度估計方面，對場景適應(yīng)性不好且精度較差。雙目/RGBD因為可以計算得到深度，在建圖方面相對具有優(yōu)勢，更容易建立“稠密”地圖 3）SLAM定位實現(xiàn)中，基于單目的方案其計算量也要比基于雙目/RGBD要大，且因為引入了三角測量部分，對于環(huán)境適應(yīng)性較差 所以在選型方面，我主要聚焦在雙目/RGBD類型；同時為了加快開發(fā)進程，若選擇能夠提供開發(fā)SDK等工具的廠家，可以省去對于相機的標(biāo)定、數(shù)據(jù)同步等開發(fā)工作。 經(jīng)過一些篩選后，個人列出如下備選設(shè)備。有關(guān)設(shè)備的參數(shù)信息在下方鏈接中都有詳細(xì)說明，我只列出一些重要參數(shù)。3.2.1 ZED

圖3-2 zed雙目相機 1）官網(wǎng)：https://www.stereolabs.com/zed/ 2）基本參數(shù)：基于雙目原理匹配計算深度信息，分辨率最高可達(dá)2.2K@15fps（4416X1242）；Field of View: 90°(H) X 60°(V) X 110°(D)；室內(nèi)外最遠(yuǎn)20m深度感知；使用GPU加速運算（支持TX1、TX2） 3）SDK：提供SDK，支持包括Windows、Linux、ROS等開發(fā)平臺；使用SDK能夠獲得雙目圖像和深度圖像、機器人位姿跟蹤（官網(wǎng)稱頻率可達(dá)100Hz，位置精度達(dá)到1mm，角度精度達(dá)到0.1°）、3D重建等功能 4）應(yīng)用：在網(wǎng)上搜到一些評測和應(yīng)用視頻，主要內(nèi)容總結(jié)如下。 A.視頻1（見“視頻/zed/Realtime depth test using ZED stereo camera.mp4”）表明zed在深度計算方面室外表現(xiàn)較好，距離方面應(yīng)該可以達(dá)15m以上；測距精度方面官方未給出參數(shù)，從雙目原理上來說深度測距精度與測量距離的平方成正比，僅從zed輸出的深度圖上來看，深度圖數(shù)據(jù)比較連續(xù)，未出現(xiàn)明顯的誤差情況。

圖3-3 zed在室外測量深度的表現(xiàn) B. 3D重建也是SLAM的一種應(yīng)用，使用SLAM輸出的全局世界坐標(biāo)結(jié)合RGB信息可實現(xiàn)真實世界中場景的三維繪制，所以3D重建的效果好壞能夠在一定程度上代表設(shè)備的深度計算精度與SLAM效果。從官方視頻和youtube上視頻（見“視頻/zed/Introducing ZED for Live 3D Mapping.mp4”，“視頻/zed/Outdoor Test for Graph-based RGB-D SLAM using ZED camera on UGV and UAV.mp4”，“視頻/zed/ZEDfu - Real-time 3D Mapping using ZED stereo camera.mp4”）的測試效果來看，3D重建效果還是不錯的，物體輪廓比較連續(xù)，未出現(xiàn)明顯的邊界不重合的情況。

圖3-4 使用zed進行三維重建 C.有研究人員在室外汽車上使用zed采集信息接入ORB-SLAM2計算車輛的位姿（見“視頻/zed/Evaluation of ORB-SLAM2 in outdoor urban scenes using ZED stereo camera.mp4”）。測量結(jié)果表明（1）在停車場環(huán)境和街道環(huán)境下大都能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)檢測（2）非極端情況下相機采集的圖像滿足特征提取需求（3）車速越快對于相機幀率要求越高，zed在WVGA分辨率下幀率可到100Hz，滿足了圖像采集頻率要求。

圖3-5 使用zed接入ORB_SLAM2進行室外定位 5）價格：國外官網(wǎng)上為$449，國內(nèi)淘寶上價格3200-3800元不等3.2.2 Intel D415/D435系列

圖3-6 Intel D415/D435 1）官網(wǎng)：https://software.intel.com/zh-cn/realsense/d400 2）基本參數(shù)：基于主動紅外測距（激光散斑增加紋理后立體匹配測距）；RGB分辨率和幀率為1920X1080@30fps；內(nèi)置視覺處理器可直接輸出計算深度，深度流輸出分辨率和幀率為1280X720@90fps；室內(nèi)外檢測范圍為0.16m-10m；D415為卷簾快門，D435為全局快門

圖3-7 D415/D435詳細(xì)參數(shù)對比 3）SDK：支持Linux/windows/Mac OS，可獲得彩色圖像與深度圖像，設(shè)置相機參數(shù)等 4）應(yīng)用：根據(jù)網(wǎng)上相關(guān)測評視頻整理如下 A.有人對比了D415和D435在室內(nèi)的表現(xiàn)（見“視頻/Intel/Intel RealSense D435 vs D415.mp4”），攝像頭如圖3-8所示放置。分別比較了彩色圖、遠(yuǎn)距離深度圖、近距離深度圖的效果，具體如圖3-9所示。結(jié)果表明D435在遠(yuǎn)距離深度圖上效果要優(yōu)于D415，后者出現(xiàn)較大面積的空洞（計算不出深度信息）。不過由于兩個攝像頭的測量環(huán)境并不完全一致，同時存在發(fā)射的紅外光互相干涉影響的可能性，該結(jié)論是否成立不予保證。

圖3-8 D435與D415對比

圖 3-9 D435（左邊）與D415（右邊）室內(nèi)表現(xiàn)效果對比 B.有人在室外街道中使用D415觀察其深度信息（見“視頻/Intel/Review on Intel Realsense D415 RGBD Camera Part 2_ Outdoor test.mp4”），具體效果如圖3-10所示。結(jié)果表明： （1）室外D415的深度檢測距離應(yīng)該可以達(dá)到10m （2）相對于室內(nèi)，室外的深度圖噪點較多，這應(yīng)該是自然光對于D415發(fā)射的紅外光的影響，造成圖像匹配失敗或者誤匹配

圖3-10 D415在室外的深度測距表現(xiàn) C.有人將D435固定在汽車上查看道路的深度信息（見“視頻/Intel/Realsense D435 - Outdoor test on road.mp4”），這里截取幾幅圖像如圖3-11所示?？梢缘贸觯?（1）D435在室外能夠獲得比較豐富的深度信息 （2）D435深度計算錯誤/失敗的情況多于zed 5）價格：官網(wǎng)上D435為$179.00，國內(nèi)價格￥1500不等；官網(wǎng)上D415為$149.00，國內(nèi)淘寶價格￥1300不等

圖3-11 D435在室外深度測距表現(xiàn)3.2.3小覓雙目攝像頭

圖3-12 小覓雙目攝像頭外觀 1）官網(wǎng)鏈接 http://www.myntai.com/camera 2）基本參數(shù)：基于雙目測距，內(nèi)置6軸IMU（ICM2060，消費級IMU）。有常規(guī)版（即被動雙目）和IR增強版（原理應(yīng)該是激光散斑增加紋理后立體匹配測距），黑白CMOS，分辨率752X480@50FPS。

圖3-13 小覓雙目攝像頭詳細(xì)參數(shù) 3）SDK：支持Windows、Linux、TX1、TX2；基于CPU/GPU計算深度信息；提供接入了OKVIS、ORB-SLAM2、VINS、VIORB（都是開源SLAM工程）的sample 4）應(yīng)用：目前尚未找到相關(guān)評測信息，不過據(jù)知乎上一些問題的回答，該模塊的售后支持不錯。深度圖效果方面，只有天貓旗艦店上提供的一小段室內(nèi)測試視頻（見“視頻/MYNT-EYE/室內(nèi)景深測試.mp4”），截圖如圖3-14所示。個人感覺深度效果計算較差，有較多的計算錯誤點出現(xiàn)；無法判斷深度范圍大小能否達(dá)到宣稱的20m。

圖3-14 MYNT-EYE室內(nèi)深度測試效果 5）價格：天貓￥1999.00 現(xiàn)在對以上幾款設(shè)備進行一個信息的對比整理，如表3-1所示。

表3-1 三款設(shè)備主要信息對比3.3 個人意見整體看來，個人首先推薦zed，其次推薦DM435和MYNT-EYE。若選用zed或者D435后準(zhǔn)備測試融合了IMU的開源SLAM方案時，可使用IMU模塊采集相關(guān)信息，之后自己做數(shù)據(jù)同步。

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