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。
自动驾驶车辆中的视觉SLAM算法实践与优化
自动驾驶车辆中的视觉SLAM算法实践与优化随着科技的不断发展和进步，自动驾驶技术成为了现代交通领域的重要研究方向之一。
而自动驾驶车辆中的视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法则是实现自动驾驶的关键之一。
本文将着重讨论自动驾驶车辆中的视觉SLAM算法的实践与优化。
视觉SLAM算法是一种基于摄像机视觉数据进行定位和地图构建的技术，其主要目的是通过对环境的感知和理解，实现车辆在未知环境中的精确定位和路径规划。
在自动驾驶场景中，视觉SLAM算法可以通过摄像头采集道路上的图像数据，并利用这些数据进行地图构建和车辆定位。
在视觉SLAM算法的实践过程中，首先需要构建地图。
地图构建的过程可以通过特征点提取和匹配来实现。
特征点提取是指从图像中提取出关键性点，用于描述场景中的唯一特征，例如角点或边缘。
特征点的匹配则是将不同帧中的特征点进行互相匹配，从而实现地图的构建。
在实际应用中，为了提高地图的精度和稳定性，还可以使用深度信息来优化特征点的匹配。
接下来是定位过程，即通过已经构建好的地图来计算车辆在地图中的位置。
定位的过程主要依赖于视觉里程计（Visual Odometry）算法。
视觉里程计算法通过分析连续帧之间的视觉差异，来估计车辆在三维空间中的运动轨迹。
这一过程需要对图像序列进行处理，并通过特征点的跟踪和连续帧之间的对齐来计算运动信息。
为了提高定位的准确性，可以结合传感器数据，如激光雷达或惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的数据，来进一步优化定位结果。
视觉SLAM算法在实践过程中还需要解决一些挑战。
首先是实时性的要求。
自动驾驶车辆需要实时地感知和定位，因此算法的运算速度必须快，并且需要保证在不同环境下都能有效工作。
为了提高实时性，研究者们通常采用并行计算和硬件加速等手段来提高算法的处理速度。
其次是鲁棒性的要求。
自动驾驶车辆可能面临各种复杂环境，如天气变化、光照变化、路面状况等。
移动机器人视觉SLAM研究综述
移动机器人视觉SLAM研究综述一、本文概述随着移动机器人技术的不断发展，视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即同时定位与地图构建）已成为该领域的研究热点。
本文旨在对移动机器人视觉SLAM的研究进行综述，全面梳理相关理论、方法和技术，总结现有研究成果，探讨未来发展趋势。
本文首先介绍了视觉SLAM的基本概念、原理和发展历程，阐述了视觉SLAM在移动机器人领域的重要性和应用价值。
随后，重点分析了视觉SLAM的关键技术，包括特征提取与匹配、相机姿态估计、地图构建与优化等方面，并对各类方法进行了详细的比较和评价。
在综述过程中，本文注重理论与实践相结合，既介绍了视觉SLAM 的理论基础，又通过案例分析展示了视觉SLAM在实际应用中的效果。
本文还探讨了视觉SLAM面临的挑战与问题，如环境适应性、计算复杂度、鲁棒性等，并提出了相应的解决思路和发展方向。
通过本文的综述，读者可以全面了解移动机器人视觉SLAM的研究现状和发展趋势，为相关领域的研究和实践提供有益的参考和借鉴。
二、视觉SLAM技术原理视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是一种利用视觉传感器（如相机）进行环境感知和定位的技术。
其核心原理是通过相机捕捉到的图像序列，进行特征提取、匹配和追踪，从而估计机器人的位姿（位置和姿态）以及构建周围环境的地图。
视觉SLAM技术可以分为特征点法和直接法两大类。
特征点法基于图像中的特征点进行匹配和追踪，通过最小化重投影误差来优化机器人的位姿和地图点。
这种方法对光照和视角变化具有一定的鲁棒性，但可能会受到特征点稀少或纹理不足的影响。
直接法则是利用像素灰度信息，通过最小化光度误差来优化机器人的位姿和地图。
这种方法可以处理特征点稀少或无纹理的场景，但对光照和噪声较为敏感。
视觉SLAM技术通常包括前端和后端两部分。
前端主要负责图像处理和特征提取，以及机器人位姿和地图点的初步估计。
视觉SLAM技术与应用
视觉SLAM技术与应用视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）是指通过摄像机或者其他视觉传感器实现同时定位和建图的技术。
它是机器人导航与场景理解中的重要组成部分，也被广泛应用于增强现实、无人驾驶、智能制造等领域。
本文将对视觉SLAM技术的原理和应用进行探讨。
一、视觉SLAM的原理视觉SLAM依赖于视觉传感器获取场景的视觉信息，并通过计算机视觉算法对图像进行处理和分析，实现同时定位和建图的功能。
其基本原理如下：1. 特征提取与匹配：视觉SLAM首先通过特征提取算法从图像中提取出一些具有唯一性和区分性的特征点。
然后利用特征描述子对这些特征点进行编码，以实现特征的匹配。
2. 视觉里程计：在特征匹配的基础上，通过对特征点的位置变化进行分析和计算，可以估计出相机在连续帧间的相对运动，即相机的位姿变换。
这个过程被称为视觉里程计，用于实现机器人的定位。
3. 环路检测与优化：为了提高定位的准确性和鲁棒性，视觉SLAM进一步利用环路检测算法来检测地图中是否存在已经观测过的环路。
当检测到环路时，可以通过图优化算法对整个地图的重建进行优化，进而提高整个系统的精度。
4. 建图：视觉SLAM通过不断积累相机位姿和地图的信息，可以实时地构建和更新场景的三维地图。
这个过程可以基于稠密或稀疏特征点的方法进行，具体的实现根据应用场景的需求而定。
二、视觉SLAM的应用1. 增强现实（AR）：视觉SLAM技术在增强现实应用中起着至关重要的作用。
通过实时定位和建图，可以将虚拟的三维物体精确地叠加到真实世界中，实现交互性强、沉浸感强的增强现实体验。
2. 无人驾驶：视觉SLAM技术在无人驾驶领域具有广泛的应用前景。
通过即时感知环境并实时建图，可以帮助无人驾驶汽车实现精确定位和路径规划，提高行驶的准确性和安全性。
3. 智能制造：视觉SLAM技术也在智能制造中发挥着重要作用。
通过自动化机器人实现场景的定位和建图，可以提高生产过程中的效率和精度，实现智能制造的目标。
视觉SLAM技术的研究与应用
视觉SLAM技术的研究与应用视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技术是指基于视觉传感器的同时定位和地图构建技术，是机器人领域中的一个热门研究方向。
它通过从环境中获取图像信息，并利用这些信息实现机器人的自主导航和环境地图的构建，被广泛应用于机器人导航、无人驾驶、增强现实等领域。
本文将介绍视觉SLAM技术的基本原理、常见的方法和应用场景。
1.视觉SLAM技术的基本原理视觉SLAM技术通过从环境中获取图像信息来实现机器人的同时定位和地图构建。
其基本原理是利用图像传感器获取连续图像序列，通过图像序列之间的特征匹配和三维几何信息的计算，实现机器人在未知环境中的定位和构建环境地图。
2.视觉SLAM技术的常见方法（1）基于特征点的方法：该方法首先通过特征提取算法提取图像中的特征点，然后通过特征匹配算法将连续图像序列中的特征点对应起来，根据特征点的几何信息计算机器人的运动轨迹和环境地图。
（2）直接法：该方法通过直接使用图像的灰度值进行匹配，不需要通过特征点的提取和匹配过程，能够更准确地估计相机的运动和环境地图。
（3）半直接法：该方法结合了特征点的方法和直接法的优点，兼具了高精度和实时性。
3.视觉SLAM技术的应用场景（1）无人驾驶：无人驾驶汽车需要实时地感知和理解环境，并根据实时的环境信息进行路径规划和决策。
视觉SLAM技术可以为无人驾驶汽车提供精确的定位和环境地图，从而实现自主导航。
（2）增强现实：增强现实技术利用计算机图形学和计算机视觉技术将虚拟信息叠加到真实世界中，给用户提供丰富的信息和交互体验。
视觉SLAM技术可以实时地跟踪相机的位置，并结合环境地图将虚拟信息精确地叠加到真实世界中。
（3）机器人导航：机器人需要在未知环境中实现自主导航，视觉SLAM技术可以为机器人提供准确的定位和环境地图，使机器人能够避免障碍物、规划路径，并实现自主探索。
4.视觉SLAM技术的研究进展视觉SLAM技术近年来取得了很大的进展，主要表现在以下几个方面：（1）实时性：研究者通过优化算法和硬件设备，提高了视觉SLAM 技术的实时性，使其可以在保持高精度的情况下实现实时地定位和地图构建。
视觉SLAM算法研究与实现
视觉SLAM算法研究与实现近年来，随着计算机视觉和机器人技术的快速发展，视觉SLAM（同时定位与地图构建）成为了一个备受关注的领域。
视觉SLAM算法是通过利用摄像头或其他视觉传感器的输入数据，将相机的运动轨迹和周围环境的地图同时建立起来的一种技术。
本文将重点介绍视觉SLAM算法的研究和实现方法。
首先，为了实现视觉SLAM，需要对相机的运动轨迹进行估计。
常用的方法包括特征点法和直接法。
特征点法通过提取图像中的特征点，并跟踪这些特征点的轨迹来估计相机的运动。
而直接法则通过直接比较图像间的亮度差异来估计相机的位姿变换。
这两种方法各有优劣，选择适合场景的方法对于视觉SLAM的准确性和效率至关重要。
其次，视觉SLAM算法还需要考虑地图的构建。
有基于特征点和基于直接法的地图构建方法。
基于特征点的方法使用特征点的三维坐标来建立地图，这种方法可以提高地图的密度和稳定性。
而基于直接法则直接估计相邻帧间的深度信息，然后通过稠密地图的融合来构建地图。
在地图构建中，传感器姿态的估计以及误差反馈的处理也是需要注意的问题。
另外，视觉SLAM算法中还需要解决回环检测和数据关联的问题，以提高定位精度和地图的准确性。
回环检测是指在相机经过同一场景时，能够识别出之前已经访问过的地点。
回环检测的准确性对于消除累积误差和提高SLAM系统的鲁棒性至关重要。
数据关联则是指在不同帧之间建立正确的匹配关系，以实现地图的正确构建和相机的位姿估计。
当然，视觉SLAM算法也存在一些挑战和难点。
首先，实时性是一个重要的考量因素。
由于SLAM算法需要处理大量的图像数据，并进行复杂的计算，所以实时性是一个需要解决的问题。
其次，环境的动态性也会给视觉SLAM算法带来挑战。
当环境中存在移动物体时，会对相机位姿估计和地图构建造成干扰，影响SLAM系统的性能。
此外，随着场景复杂度的增加，误差的累积也会导致SLAM系统的性能下降。
因此，如何提高算法的鲁棒性和准确性也是一个重要的研究方向。
视觉SLAM：从理论到实践李群与李代数
• 至此，说明了 SO(3) 与 so(3) 的对应关系。
3. 指数映射和对数映射
• se(3)到SE(3)的指数映射：
其中J为雅可比矩阵（留作习题）
3. 指数映射和对数映射
4. 李代数求导与扰动模型
4. 求导与扰动模型
• SLAM的定位即位姿估计
• 但李群无加法：
导数无从定义
• 解决办法：
• 同理，SE(3)亦有李代数se(3)：
• 上尖尖^ 不再是反对称矩阵，但仍保留记法：
李括号：
2. 李群与李代数
• 习题部分请你验证se(3)和so(3)的李代数性质 • 注：
• 不同书籍对se(3)的平前的。
• 把李代数理解成向量形式或矩阵形式都是可以的。向量形式更加自然一些。
• 直观写法（以左乘为例）
• 在李群上左乘小量时，李代数上的加法相差左雅可比的逆
• 反之
• 李代数上进行小量加法时，相当于李群上左（右）乘一个带左（右）雅可比的量
• SE(3)比SO(3)更复杂： 这里不展开花体雅可比
4. 求导与扰动模型
• 通过BCH线性近似，可以定义李代数上的导数 • 考虑一个基本问题：旋转后的点关于旋转的导数
2. 李群与李代数
• 李代数：与李群对应的一种结构，位于向量空间。
• 通常记作小写的so(3)和se(3)。书中以哥特体突出显示。 • 事实上是李群单位元处的正切空间。
• 下面从旋转矩阵引出李代数 • 考虑任意旋转矩阵R，满足
2. 李群与李代数
• 令R随时间变化（连续运动），有： • 两侧对时间求导：
2. 李群与李代数
• 该式说明，对任意t，都可以找到一个R和一个 ������ 的对应关系 • 该关系称为指数映射（Exponential Map） • 这里的 ������ 称为SO(3)对应的李代数：so(3) • 问题：
机器视觉中的SLAM技术研究与应用
机器视觉中的SLAM技术研究与应用SLAM是指同时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping）技术，是指建立机器人或者移动设备（比如手机或无人驾驶汽车）在未知环境中的位置，并且在搜索单位可以的情况下建立地图。
SLAM技术是机器视觉领域的一个热门话题，目前已经被广泛应用于移动机器人、无人机、自动驾驶车辆等领域。
在本文中，将对SLAM技术的相关理论和应用做一些简单的概述。
一、SLAM技术的原理SLAM技术的原理可以简单地用一个短语来概括：“建立地图，同时定位机器人”。
具体来说，这种技术利用传感器（例如相机或激光雷达）扫描周围环境，然后把这些数据与机器人的位置信息融合在一起，来近似地构建出一个地图。
在机器人运动时，SLAM系统会不断地更新地图，从而保持地图的精确度。
这里需要注意的是，在建立地图的过程中，机器人同时会定位自己的位置，这是两个过程是相互依赖的。
二、SLAM技术的几种方法在SLAM技术中，有不同的方法可以用来实现地图构建和机器人的定位。
这里列出了其中几种方法：1.基于激光雷达的SLAM技术在激光雷达SLAM中，激光雷达会扫描周围环境，并使用物体反射激光束的时间和强度数据来计算出物体的位置。
这些数据会被处理，用于地图的构建和机器人的定位。
由于激光雷达扫描速度很快，激光雷达SLAM技术可以快速、准确地构建地图，但是其价格昂贵。
2.基于摄像头的SLAM技术基于摄像头的SLAM技术类似于激光雷达，但它使用的是图像数据而不是激光束数据。
使用特定算法对采集的图像进行分析，并结合相机的内部参数，可以得到物体的位置信息。
但是，摄像头可能会受到光线、阴影和遮挡等干扰，这会影响地图和机器人的定位精度。
3.基于里程计的SLAM技术基于里程计的SLAM技术主要是利用机器人的传动装置（比如轮子）运动时的速度和方向等信息，进行地图构建和机器人位置定位。
三、SLAM技术的应用SLAM技术已经被广泛应用于各种领域，下面列举了一些应用：1.自动驾驶汽车自动驾驶汽车最重要的一个技术就是SLAM，它可以让车辆精确地定位自己的位置，并根据已有数据来操纵方向盘、制动和加速器等设备。
视觉slam的介绍
•
称为极点
• 实践当中：
•
通过特征匹配得到，P未知，
•
待求(本质矩阵、单应矩阵）
未知
3.3 三角化
• 已知运动时，求解特征点的3D位置 • 几何关系： • 求 时，两侧乘
• 反之亦然
• 或者同时解
•求
的最小二乘解
3.4 PNP
• 已经3D点的空间位置和相机上的投影点， 求相机的旋转和平移（外参）
3.5 光流
• 设 t 时刻位于 x,y 处像素点的灰度值为 • 在 t+dt 时刻，该像素运动到了
• 希望计算运动 dx, dy
• 灰度不变假设： • 注意：灰度不变是一种理想的假设，实际当中由于高光/阴影/材质/曝光等不同，很
可能不成立。
3.5 光流
• 对 t+dt 时刻的灰度进行Taylor展开并保留一阶项：
• 由于灰度不变，所以
• 希望求解dx/dt, dy/dt
因此 =>
x方向梯度
随时间变化
y方向梯度
3.5 光流
• 但本式是一个二元一次线性方程，欠定
• 需要引用额外的约束
• 假定一个窗口（w ´ w）内光度不变：
• 通过超定最小二乘解求得运动 u,v
3.5 光流
最后，我们可以通过光流跟踪的特征的，用PnP、ICP或对极几何来估计 相机运动。总而言之，光流法可以加速基于特征点的视觉里程计算法，避免计 算和匹配描述子的过程，但要求相机运动较慢（或采集频率较高）。
• 相机
• 以一定速率采集图像，形成视频
• 分类
• 单目 Monocular • 双目 Stereo • 深度 RGBD • 其他 鱼眼 全景 Event Camera, etc.
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。
视觉slam介绍
• 检测机器人是否回到早先位置
• 识别到达过的场景
• 计算图像间的相似性
• 方法：词袋模型
第一讲 视觉SLAM概述
• 建图
• 用于导航、规划、通讯、 可视化、交互等 • 度量地图 vs 拓扑地图 • 稀疏地图 vs 稠密地图
第二讲 相机与图像
Chapter 2: Cameras and Images
3.3 三角化
• 已知运动时，求解特征点的3D位置
• 几何关系：
• 求 时，两侧乘
• 反之亦然
• 或者同时解
• 求 的最小二乘解
3.4 PNP
• 已经3D点的空间位置和相机上的投影点， 求相机的旋转和平移（外参） • 代数的解法/优化的解法 • 代数的
• DLT • P3P • EPnP/UPnP/…
• 优化的：Bundle Adjustment
3.4 PNP
• DLT（直接线性变换）
• 设空间点
• 投影点为： • 投影关系： • 展开： 归一化坐标
• 注意最下一行为
• 用它消掉前两行中的s，则一个特征点提 供两个方程：
• 为求解12个未知数，需要12/2=6对点。 • 将它看成一个关于t的线性方程，求解t （超定时求最小二乘解）
实践 光流
可以发现，光流法在跟踪过 程中一部分特征点会丢失，在第 一帧时有1749个特征点，而在第 10帧时大约还有1640个特征点， 相机的视角在发生改变，所以我 们使用光流法时要注意特征点的 重新采集。
第四讲 后端
Chapter 4: Backend
4.1 BA与图优化
4.1 BA与图优化
• 相邻图像估计相机运动
• 基本形式：通过两张图像计算 运动和结构
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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？