一起做RGB-D SLAM(7) （完結篇）

第七講 添加回環檢測

 2016.11 更新

• 把原文的SIFT替換成了ORB，這樣你可以在沒有nonfree模塊下使用本程序了。
• 迴環檢測的閾值作出了相應的調整。
• 請以現在的github上源碼爲準。

簡單迴環檢測的流程

　　上一講中，我們介紹了圖優化軟件g2o的使用。本講，我們將實現一個簡單的迴環檢測程序，利用g2o提升slam軌跡與地圖的質量。本講結束後，讀者朋友們將得到一個完整的slam程序，可以跑通我們在百度雲上給出的數據了。所以呢，本講也將成爲我們“一起做”系列的終點啦。

　　小蘿蔔：這麼快就要結束了嗎師兄？

　　師兄：嗯，因爲我想要說的都教給大家了嘛。不過，儘管如此，這個教程的程序還是比較初步的，可以進一步進行效率、魯棒性方面的優化，這就要靠大家後續的努力啦。同時我的暑假也將近結束，要開始新一輪的工作了呢。

　　好的，話不多說，先來講講，上一講的程序離完整的slam還有哪些距離。主要說來有兩點：

1. 關鍵幀的提取。把每一幀都拼到地圖是去是不明智的。因爲幀與幀之間距離很近，導致地圖需要頻繁更新，浪費時間與空間。所以，我們希望，當機器人的運動超過一定間隔，就增加一個“關鍵幀”。最後只需把關鍵幀拼到地圖裏就行了。
2. 迴環的檢測。迴環的本質是識別曾經到過的地方。最簡單的迴環檢測策略，就是把新來的關鍵幀與之前所有的關鍵幀進行比較，不過這樣會導致越往後，需要比較的幀越多。所以，稍微快速一點的方法是在過去的幀裏隨機挑選一些，與之進行比較。更進一步的，也可以用圖像處理/模式識別的方法計算圖像間的相似性，對相似的圖像進行檢測。

　　把這兩者合在一起，就得到了我們slam程序的基本流程。以下爲僞碼：

小蘿蔔：slam流程都是這樣的嗎？

　　師兄：大體上如此，也可以作一些更改。例如在線跑的話呢，可以定時進行一次優化與拼圖。或者，在成功檢測到迴環時，同時檢測這兩個幀附近的幀，那樣得到的邊就更多啦。再有呢，如果要做實用的程序，還要考慮機器人如何運動，如果跟丟了怎麼進行恢復等一些實際的問題呢。　　

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 實現代碼

 　　代碼依舊是在上一講的代碼上進行更改得來的。由於是完整的程序，稍微有些長，請大家慢慢看：

　　src/slam.cpp

/*************************************************************************
    > File Name: rgbd-slam-tutorial-gx/part V/src/visualOdometry.cpp
    > Author: xiang gao
    > Mail: [email protected]
    > Created Time: 2015年08月15日 星期六 15時35分42秒
    * add g2o slam end to visual odometry
    * add keyframe and simple loop closure
 ************************************************************************/

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
using namespace std;

#include "slamBase.h"

#include <pcl/filters/voxel_grid.h>
#include <pcl/filters/passthrough.h>

#include <g2o/types/slam3d/types_slam3d.h>
#include <g2o/core/sparse_optimizer.h>
#include <g2o/core/block_solver.h>
#include <g2o/core/factory.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_factory.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_gauss_newton.h>
#include <g2o/solvers/csparse/linear_solver_csparse.h>
#include <g2o/core/robust_kernel.h>
#include <g2o/core/robust_kernel_factory.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_levenberg.h>

// 把g2o的定義放到前面
typedef g2o::BlockSolver_6_3 SlamBlockSolver; 
typedef g2o::LinearSolverCSparse< SlamBlockSolver::PoseMatrixType > SlamLinearSolver; 

// 給定index，讀取一幀數據
FRAME readFrame( int index, ParameterReader& pd );
// 估計一個運動的大小
double normofTransform( cv::Mat rvec, cv::Mat tvec );

// 檢測兩個幀，結果定義
enum CHECK_RESULT {NOT_MATCHED=0, TOO_FAR_AWAY, TOO_CLOSE, KEYFRAME}; 
// 函數聲明
CHECK_RESULT checkKeyframes( FRAME& f1, FRAME& f2, g2o::SparseOptimizer& opti, bool is_loops=false );
// 檢測近距離的迴環
void checkNearbyLoops( vector<FRAME>& frames, FRAME& currFrame, g2o::SparseOptimizer& opti );
// 隨機檢測迴環
void checkRandomLoops( vector<FRAME>& frames, FRAME& currFrame, g2o::SparseOptimizer& opti );

int main( int argc, char** argv )
{
    // 前面部分和vo是一樣的
    ParameterReader pd;
    int startIndex  =   atoi( pd.getData( "start_index" ).c_str() );
    int endIndex    =   atoi( pd.getData( "end_index"   ).c_str() );

    // 所有的關鍵幀都放在了這裏
    vector< FRAME > keyframes; 
    // initialize
    cout<<"Initializing ..."<<endl;
    int currIndex = startIndex; // 當前索引爲currIndex
    FRAME currFrame = readFrame( currIndex, pd ); // 當前幀數據

    string detector = pd.getData( "detector" );
    string descriptor = pd.getData( "descriptor" );
    CAMERA_INTRINSIC_PARAMETERS camera = getDefaultCamera();
    computeKeyPointsAndDesp( currFrame, detector, descriptor );
    PointCloud::Ptr cloud = image2PointCloud( currFrame.rgb, currFrame.depth, camera );
    
    /******************************* 
    // 新增:有關g2o的初始化
    *******************************/
    // 初始化求解器
    SlamLinearSolver* linearSolver = new SlamLinearSolver();
    linearSolver->setBlockOrdering( false );
    SlamBlockSolver* blockSolver = new SlamBlockSolver( linearSolver );
    g2o::OptimizationAlgorithmLevenberg* solver = new g2o::OptimizationAlgorithmLevenberg( blockSolver );

    g2o::SparseOptimizer globalOptimizer;  // 最後用的就是這個東東
    globalOptimizer.setAlgorithm( solver ); 
    // 不要輸出調試信息
    globalOptimizer.setVerbose( false );
    

    // 向globalOptimizer增加第一個頂點
    g2o::VertexSE3* v = new g2o::VertexSE3();
    v->setId( currIndex );
    v->setEstimate( Eigen::Isometry3d::Identity() ); //估計爲單位矩陣
    v->setFixed( true ); //第一個頂點固定，不用優化
    globalOptimizer.addVertex( v );
    
    keyframes.push_back( currFrame );

    double keyframe_threshold = atof( pd.getData("keyframe_threshold").c_str() );

    bool check_loop_closure = pd.getData("check_loop_closure")==string("yes");
    for ( currIndex=startIndex+1; currIndex<endIndex; currIndex++ )
    {
        cout<<"Reading files "<<currIndex<<endl;
        FRAME currFrame = readFrame( currIndex,pd ); // 讀取currFrame
        computeKeyPointsAndDesp( currFrame, detector, descriptor ); //提取特徵
        CHECK_RESULT result = checkKeyframes( keyframes.back(), currFrame, globalOptimizer ); //匹配該幀與keyframes裏最後一幀
        switch (result) // 根據匹配結果不同採取不同策略
        {
        case NOT_MATCHED:
            //沒匹配上，直接跳過
            cout<<RED"Not enough inliers."<<endl;
            break;
        case TOO_FAR_AWAY:
            // 太近了，也直接跳
            cout<<RED"Too far away, may be an error."<<endl;
            break;
        case TOO_CLOSE:
            // 太遠了，可能出錯了
            cout<<RESET"Too close, not a keyframe"<<endl;
            break;
        case KEYFRAME:
            cout<<GREEN"This is a new keyframe"<<endl;
            // 不遠不近，剛好
            /**
             * This is important!!
             * This is important!!
             * This is important!!
             * (very important so I've said three times!)
             */
            // 檢測迴環
            if (check_loop_closure)
            {
                checkNearbyLoops( keyframes, currFrame, globalOptimizer );
                checkRandomLoops( keyframes, currFrame, globalOptimizer );
            }
            keyframes.push_back( currFrame );
            break;
        default:
            break;
        }
        
    }

    // 優化
    cout<<RESET"optimizing pose graph, vertices: "<<globalOptimizer.vertices().size()<<endl;
    globalOptimizer.save("./data/result_before.g2o");
    globalOptimizer.initializeOptimization();
    globalOptimizer.optimize( 100 ); //可以指定優化步數
    globalOptimizer.save( "./data/result_after.g2o" );
    cout<<"Optimization done."<<endl;

    // 拼接點雲地圖
    cout<<"saving the point cloud map..."<<endl;
    PointCloud::Ptr output ( new PointCloud() ); //全局地圖
    PointCloud::Ptr tmp ( new PointCloud() );

    pcl::VoxelGrid<PointT> voxel; // 網格濾波器，調整地圖分辨率
    pcl::PassThrough<PointT> pass; // z方向區間濾波器，由於rgbd相機的有效深度區間有限，把太遠的去掉
    pass.setFilterFieldName("z");
    pass.setFilterLimits( 0.0, 4.0 ); //4m以上就不要了

    double gridsize = atof( pd.getData( "voxel_grid" ).c_str() ); //分辨圖可以在parameters.txt裏調
    voxel.setLeafSize( gridsize, gridsize, gridsize );

    for (size_t i=0; i<keyframes.size(); i++)
    {
        // 從g2o裏取出一幀
        g2o::VertexSE3* vertex = dynamic_cast<g2o::VertexSE3*>(globalOptimizer.vertex( keyframes[i].frameID ));
        Eigen::Isometry3d pose = vertex->estimate(); //該幀優化後的位姿
        PointCloud::Ptr newCloud = image2PointCloud( keyframes[i].rgb, keyframes[i].depth, camera ); //轉成點雲
        // 以下是濾波
        voxel.setInputCloud( newCloud );
        voxel.filter( *tmp );
        pass.setInputCloud( tmp );
        pass.filter( *newCloud );
        // 把點雲變換後加入全局地圖中
        pcl::transformPointCloud( *newCloud, *tmp, pose.matrix() );
        *output += *tmp;
        tmp->clear();
        newCloud->clear();
    }

    voxel.setInputCloud( output );
    voxel.filter( *tmp );
    //存儲
    pcl::io::savePCDFile( "./data/result.pcd", *tmp );
    
    cout<<"Final map is saved."<<endl;
    globalOptimizer.clear();

    return 0;
}

FRAME readFrame( int index, ParameterReader& pd )
{
    FRAME f;
    string rgbDir   =   pd.getData("rgb_dir");
    string depthDir =   pd.getData("depth_dir");
    
    string rgbExt   =   pd.getData("rgb_extension");
    string depthExt =   pd.getData("depth_extension");

    stringstream ss;
    ss<<rgbDir<<index<<rgbExt;
    string filename;
    ss>>filename;
    f.rgb = cv::imread( filename );

    ss.clear();
    filename.clear();
    ss<<depthDir<<index<<depthExt;
    ss>>filename;

    f.depth = cv::imread( filename, -1 );
    f.frameID = index;
    return f;
}

double normofTransform( cv::Mat rvec, cv::Mat tvec )
{
    return fabs(min(cv::norm(rvec), 2*M_PI-cv::norm(rvec)))+ fabs(cv::norm(tvec));
}

CHECK_RESULT checkKeyframes( FRAME& f1, FRAME& f2, g2o::SparseOptimizer& opti, bool is_loops)
{
    static ParameterReader pd;
    static int min_inliers = atoi( pd.getData("min_inliers").c_str() );
    static double max_norm = atof( pd.getData("max_norm").c_str() );
    static double keyframe_threshold = atof( pd.getData("keyframe_threshold").c_str() );
    static double max_norm_lp = atof( pd.getData("max_norm_lp").c_str() );
    static CAMERA_INTRINSIC_PARAMETERS camera = getDefaultCamera();
    static g2o::RobustKernel* robustKernel = g2o::RobustKernelFactory::instance()->construct( "Cauchy" );
    // 比較f1 和 f2
    RESULT_OF_PNP result = estimateMotion( f1, f2, camera );
    if ( result.inliers < min_inliers ) //inliers不夠，放棄該幀
        return NOT_MATCHED;
    // 計算運動範圍是否太大
    double norm = normofTransform(result.rvec, result.tvec);
    if ( is_loops == false )
    {
        if ( norm >= max_norm )
            return TOO_FAR_AWAY;   // too far away, may be error
    }
    else
    {
        if ( norm >= max_norm_lp)
            return TOO_FAR_AWAY;
    }

    if ( norm <= keyframe_threshold )
        return TOO_CLOSE;   // too adjacent frame
    // 向g2o中增加這個頂點與上一幀聯繫的邊
    // 頂點部分
    // 頂點只需設定id即可
    if (is_loops == false)
    {
        g2o::VertexSE3 *v = new g2o::VertexSE3();
        v->setId( f2.frameID );
        v->setEstimate( Eigen::Isometry3d::Identity() );
        opti.addVertex(v);
    }
    // 邊部分
    g2o::EdgeSE3* edge = new g2o::EdgeSE3();
    // 連接此邊的兩個頂點id
    edge->vertices() [0] = opti.vertex( f1.frameID );
    edge->vertices() [1] = opti.vertex( f2.frameID );
    edge->setRobustKernel( robustKernel );
    // 信息矩陣
    Eigen::Matrix<double, 6, 6> information = Eigen::Matrix< double, 6,6 >::Identity();
    // 信息矩陣是協方差矩陣的逆，表示我們對邊的精度的預先估計
    // 因爲pose爲6D的，信息矩陣是6*6的陣，假設位置和角度的估計精度均爲0.1且互相獨立
    // 那麼協方差則爲對角爲0.01的矩陣，信息陣則爲100的矩陣
    information(0,0) = information(1,1) = information(2,2) = 100;
    information(3,3) = information(4,4) = information(5,5) = 100;
    // 也可以將角度設大一些，表示對角度的估計更加準確
    edge->setInformation( information );
    // 邊的估計即是pnp求解之結果
    Eigen::Isometry3d T = cvMat2Eigen( result.rvec, result.tvec );
    edge->setMeasurement( T.inverse() );
    // 將此邊加入圖中
    opti.addEdge(edge);
    return KEYFRAME;
}

void checkNearbyLoops( vector<FRAME>& frames, FRAME& currFrame, g2o::SparseOptimizer& opti )
{
    static ParameterReader pd;
    static int nearby_loops = atoi( pd.getData("nearby_loops").c_str() );
    
    // 就是把currFrame和 frames裏末尾幾個測一遍
    if ( frames.size() <= nearby_loops )
    {
        // no enough keyframes, check everyone
        for (size_t i=0; i<frames.size(); i++)
        {
            checkKeyframes( frames[i], currFrame, opti, true );
        }
    }
    else
    {
        // check the nearest ones
        for (size_t i = frames.size()-nearby_loops; i<frames.size(); i++)
        {
            checkKeyframes( frames[i], currFrame, opti, true );
        }
    }
}

void checkRandomLoops( vector<FRAME>& frames, FRAME& currFrame, g2o::SparseOptimizer& opti )
{
    static ParameterReader pd;
    static int random_loops = atoi( pd.getData("random_loops").c_str() );
    srand( (unsigned int) time(NULL) );
    // 隨機取一些幀進行檢測
    
    if ( frames.size() <= random_loops )
    {
        // no enough keyframes, check everyone
        for (size_t i=0; i<frames.size(); i++)
        {
            checkKeyframes( frames[i], currFrame, opti, true );
        }
    }
    else
    {
        // randomly check loops
        for (int i=0; i<random_loops; i++)
        {
            int index = rand()%frames.size();
            checkKeyframes( frames[index], currFrame, opti, true );
        }
    }
}

幾點註解：

1. 迴環檢測是很怕"false positive"的，即“將實際上不同的地方當成了同一處”，這會導致地圖出現明顯的不一致。所以，在使用g2o時，要在邊裏添加"robust kernel"，保證一兩個錯誤的邊不會影響整體結果。
2. 我在slambase.h裏添加了一些彩色輸出代碼。運行此程序時，出現綠色信息則是添加新的關鍵幀，紅色爲出錯。

　　parameters.txt裏定義了檢測迴環的一些參數：

#part 7
keyframe_threshold=0.1
max_norm_lp=5.0
# Loop closure
check_loop_closure=yes
nearby_loops=5
random_loops=5

其中，nearby_loops就是mm，random_loops就是nn啦。這兩個數如果設大一些，匹配的幀就會多，不過太大了就會影響整體速度了呢。

---

迴環檢測的效果

　　對代碼進行編譯，然後bin/slam即可看到程序運行啦。

　　添加了迴環檢測之後呢，g2o文件就不會像上次那樣孤零零的啦，看起來是這樣子的：

　　 

　　怎麼樣？是不是感覺整條軌跡“如絲般順滑”了呢？它不再是上一講那樣一根筋通到底，而是有很多幀間的匹配數據，保證了一兩幀出錯能被其他匹配數據給“拉回來”。

　　百度雲上的數據最後拼出來是這樣的哦（780幀，關鍵幀62張，幀率5Hz左右）：

　　咖啡臺左側有明顯的人通過的痕跡，導致地圖上出現了他的身影（帥哥你好拉風）：

　　嗯，這個就可以算作是基本的地圖啦。至此，slam的兩大目標：“軌跡”和“地圖”我們都已得到了，可以算是基本上解決了這個問題了。

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一些後話

　　這一個“一起做rgb-d slam”系列，前前後後花了我一個多月的時間。寫代碼，調代碼，然後寫成博文。雖然講的比較囉嗦，總體上希望能對各位slam愛好者、研究者有幫助啦！這樣我既然辛苦也很開心的！

　　寫作期間，得到了女朋友大臉蓮的不少幫助，也得到了讀者和同行之間的鼓勵，謝謝各位啦！等有工夫，我會把這一堆東西整理成一個pdf供slam初學者進行研究學習的。

　　slam仍是一個開放的問題，儘管有人曾說“在slam領域發文章越來越難”，然而現在機器人幾大期刊和會議（IJRR/TRO/RAM/JFD/ICRA/IROS...）仍有不少slam方面的文章。雖然我們“獲取軌跡與地圖”的目標已基本實現，但仍有許多工作等我們去做，包括：

• 更好的數學模型（新的濾波器/圖優化理論）； 
• 新的視覺特徵/不使用特徵的直接方法；
• 動態物體/人的處理；
• 地圖描述/點雲地圖優化/語義地圖
• 長時間/大規模/自動化slam
• 等等……

　　總之，大家千萬別以爲“slam問題已經有標準答案啦”。等我對slam有新的理解時，也會寫新的博客爲大家介紹的！