香港科技大學的VINS_MONO初試
簡介
VINS-Mono 是香港科技大學開源的一個VIO,我簡單的測試了,發現效果不錯。做個簡單的筆記,詳細的內容等我畢設搞完再弄。
程式碼主要分為前端(feature tracker),後端(sliding window, loop closure),還加了初始化(visual-imu aligment)
Feature tracker
這部分程式碼在feature_tracker
包下面,主要是接收影象topic,使用KLT光流演算法跟蹤特徵點,同時保持每一幀影象有最少的(100-300)個特徵點。
根據配置檔案中的freq
,確定每隔多久的時候,把檢測到的特徵點打包成/feature_tracker/feature
要是沒有達到傳送的時間,這幅影象的feature就作為下一時刻的
KLT追蹤的特徵點,就是不是每一副影象都要處理的,那樣計算時間大了,而且資料感覺冗餘,幀與幀之間影象的差距不會那麼明顯。
這裡的freq
配置檔案建議至少設定10,為了保證好的前端。
void img_callback(const sensor_msgs::ImageConstPtr &img_msg) { for (int i = 0; i < NUM_OF_CAM; i++) { ROS_DEBUG("processing camera %d", i); if (i != 1 || !STEREO_TRACK) //呼叫FeatureTracker的readImage trackerData[i].readImage(ptr->image.rowRange(ROW * i, ROW * (i + 1))); } for (unsigned int i = 0;; i++) { bool completed = false; for (int j = 0; j < NUM_OF_CAM; j++) if (j != 1 || !STEREO_TRACK) //更新feature的ID completed |= trackerData[j].updateID(i); if (!completed) break; } //釋出特徵點topic if (round(1.0 * pub_count / (img_msg->header.stamp.toSec() - first_image_time)) <= FREQ) { sensor_msgs::PointCloudPtr feature_points(new sensor_msgs::PointCloud); //特徵點的id,影象的(u,v)座標 sensor_msgs::ChannelFloat32 id_of_point; sensor_msgs::ChannelFloat32 u_of_point; sensor_msgs::ChannelFloat32 v_of_point; pub_img.publish(feature_points); } if (SHOW_TRACK) { //根據特徵點被追蹤的次數,顯示他的顏色,越紅表示這個特徵點看到的越久,一幅影象要是大部分特徵點是藍色,前端tracker效果很差了,估計要掛了 double len = std::min(1.0, 1.0 * trackerData[i].track_cnt[j] / WINDOW_SIZE); cv::circle(tmp_img, trackerData[i].cur_pts[j], 2, cv::Scalar(255 * (1 - len), 0, 255 * len), 2); } }
void FeatureTracker::readImage(const cv::Mat &_img) { //直方圖均勻化 //if image is too dark or light, trun on equalize to find enough features if (EQUALIZE) { cv::Ptr<cv::CLAHE> clahe = cv::createCLAHE(3.0, cv::Size(8, 8)); TicToc t_c; clahe->apply(_img, img); ROS_DEBUG("CLAHE costs: %fms", t_c.toc()); } if (cur_pts.size() > 0) { TicToc t_o; vector<uchar> status; vector<float> err; //根據上一時刻的cur_img,cur_pts,尋找當前時刻的forw_pts, cv::calcOpticalFlowPyrLK(cur_img, forw_img, cur_pts, forw_pts, status, err, cv::Size(21, 21), 3); } if (img_cnt == 0) { //根據fundamentalMatrix中的ransac去除一些outlier rejectWithF(); //跟新特徵點track的次數 for (auto &n : track_cnt) n++; //為下面的goodFeaturesToTrack保證相鄰的特徵點之間要相隔30個畫素,設定mask image setMask(); int n_max_cnt = MAX_CNT - static_cast<int>(forw_pts.size()); if (n_max_cnt > 0) { //保證每個image有足夠的特徵點,不夠就新提取 cv::goodFeaturesToTrack(forw_img, n_pts, MAX_CNT - forw_pts.size(), 0.1, MIN_DIST, mask); } } }
Slide Window
主要是對imu的資料進行預積分,vision重投影誤差的構造,loop-closure的檢測,slide-window的維護 ,marginzation prior的維護,東西比較多。
loop-closure的檢測是使用視覺詞帶的,這裡的特徵不是feature-tracker的,那樣子太少了。是通過訂閱IMAGE_TOPIC
,傳遞到閉環檢測部分,重新檢測的,這個我還沒有認真看(做了很多限制,為了搜尋的速度,詞帶不會很大,做了很多限制,從論文上看優化的方程只是加了幾個vision重投影的限制,速度不會太慢)。
是隻有4個自由度的優化,roll, pitch由於重力對齊的原因是可觀測的,就不去優化。
最主要的還是下面這個最小二乘法方程構建,主要的程式碼我列出來。
void Estimator::processIMU(double dt, const Vector3d &linear_acceleration, const Vector3d &angular_velocity)
{
if (frame_count != 0)
{
pre_integrations[frame_count]->push_back(dt, linear_acceleration, angular_velocity);
//呼叫imu的預積分,propagation ,計算對應的雅可比矩陣
//if(solver_flag != NON_LINEAR)
tmp_pre_integration->push_back(dt, linear_acceleration, angular_velocity);
dt_buf[frame_count].push_back(dt);
linear_acceleration_buf[frame_count].push_back(linear_acceleration);
angular_velocity_buf[frame_count].push_back(angular_velocity);
//提供imu計算的當前位置,速度,作為優化的初值
int j = frame_count;
Vector3d un_acc_0 = Rs[j] * (acc_0 - Bas[j]) - g;
Vector3d un_gyr = 0.5 * (gyr_0 + angular_velocity) - Bgs[j];
Rs[j] *= Utility::deltaQ(un_gyr * dt).toRotationMatrix();
Vector3d un_acc_1 = Rs[j] * (linear_acceleration - Bas[j]) - g;
Vector3d un_acc = 0.5 * (un_acc_0 + un_acc_1);
Ps[j] += dt * Vs[j] + 0.5 * dt * dt * un_acc;
Vs[j] += dt * un_acc;
}
}
void Estimator::processImage(const map<int, vector<pair<int, Vector3d>>> &image, const std_msgs::Header &header)
{
//根據視差判斷是不是關鍵幀,
if (f_manager.addFeatureCheckParallax(frame_count, image))
marginalization_flag = MARGIN_OLD;
else
marginalization_flag = MARGIN_SECOND_NEW;
ImageFrame imageframe(image, header.stamp.toSec());
imageframe.pre_integration = tmp_pre_integration;
all_image_frame.insert(make_pair(header.stamp.toSec(), imageframe));
tmp_pre_integration = new IntegrationBase{acc_0, gyr_0, Bas[frame_count], Bgs[frame_count]};
//引數要是設定imu-camera的外引數未知,也可以幫你求解的
if(ESTIMATE_EXTRINSIC == 2)
{
}
//初始化的流程
if (solver_flag == INITIAL)
{
if (frame_count == WINDOW_SIZE)
{
bool result = false;
if( ESTIMATE_EXTRINSIC != 2 && (header.stamp.toSec() - initial_timestamp) > 0.1)
{
//構造sfm,優化imu偏差,加速度g,尺度的確定
result = initialStructure();
initial_timestamp = header.stamp.toSec();
}
if(result)
{
solver_flag = NON_LINEAR;
solveOdometry();
slideWindow();
f_manager.removeFailures();
ROS_INFO("Initialization finish!");
last_R = Rs[WINDOW_SIZE];
last_P = Ps[WINDOW_SIZE];
last_R0 = Rs[0];
last_P0 = Ps[0];
}
else
slideWindow();
}
//先湊夠window-size的數量的Frame
else
frame_count++;
}
else
{
solveOdometry();
//失敗的檢測
if (failureDetection())
{
clearState();
setParameter();
return;
}
slideWindow();
f_manager.removeFailures();
// prepare output of VINS
key_poses.clear();
for (int i = 0; i <= WINDOW_SIZE; i++)
key_poses.push_back(Ps[i]);
last_R = Rs[WINDOW_SIZE];
last_P = Ps[WINDOW_SIZE];
last_R0 = Rs[0];
last_P0 = Ps[0];
}
}
void Estimator::slideWindow()
{
//WINDOW_SIZE中的引數的之間調整,同時FeatureManager進行管理feature,有些點要刪除掉,有些點的深度要在下一frame表示(start frame已經刪除了)
Headers[frame_count - 1] = Headers[frame_count];
Ps[frame_count - 1] = Ps[frame_count];
Vs[frame_count - 1] = Vs[frame_count];
Rs[frame_count - 1] = Rs[frame_count];
Bas[frame_count - 1] = Bas[frame_count];
Bgs[frame_count - 1] = Bgs[frame_count];
delete pre_integrations[WINDOW_SIZE];
pre_integrations[WINDOW_SIZE] = new IntegrationBase{acc_0, gyr_0, Bas[WINDOW_SIZE], Bgs[WINDOW_SIZE]};
//清楚資料,給下一副影象提供空間
dt_buf[WINDOW_SIZE].clear();
linear_acceleration_buf[WINDOW_SIZE].clear();
angular_velocity_buf[WINDOW_SIZE].clear();
}
void Estimator::solveOdometry()
{
if (frame_count < WINDOW_SIZE)
return;
if (solver_flag == NON_LINEAR)
{
//三角化點
f_manager.triangulate(Ps, tic, ric);
ROS_DEBUG("triangulation costs %f", t_tri.toc());
optimization();
}
}
void Estimator::optimization()
{
//新增frame的state,(p,v,q,b_a,b_g),就是ceres要優化的引數
for (int i = 0; i < WINDOW_SIZE + 1; i++)
{
ceres::LocalParameterization *local_parameterization = new PoseLocalParameterization();
problem.AddParameterBlock(para_Pose[i], SIZE_POSE, local_parameterization);
problem.AddParameterBlock(para_SpeedBias[i], SIZE_SPEEDBIAS);
}
//新增camera-imu的外引數
for (int i = 0; i < NUM_OF_CAM; i++)
{
ceres::LocalParameterization *local_parameterization = new PoseLocalParameterization();
problem.AddParameterBlock(para_Ex_Pose[i], SIZE_POSE, local_parameterization);
}
//為ceres引數賦予初值
vector2double();
//新增margination residual, 先驗知識
//他的Evaluate函式看好,固定了線性化的點,First Jacobian Estimate
if (last_marginalization_info)
{
// construct new marginlization_factor
MarginalizationFactor *marginalization_factor = new MarginalizationFactor(last_marginalization_info);
problem.AddResidualBlock(marginalization_factor, NULL,
last_marginalization_parameter_blocks);
}
//新增imu的residual
for (int i = 0; i < WINDOW_SIZE; i++)
{
int j = i + 1;
if (pre_integrations[j]->sum_dt > 10.0)
continue;
IMUFactor* imu_factor = new IMUFactor(pre_integrations[j]);
problem.AddResidualBlock(imu_factor, NULL, para_Pose[i], para_SpeedBias[i], para_Pose[j], para_SpeedBias[j]);
}
//新增vision的residual
for (auto &it_per_id : f_manager.feature)
{
for (auto &it_per_frame : it_per_id.feature_per_frame)
{
imu_j++;
if (imu_i == imu_j)
{
continue;
}
Vector3d pts_j = it_per_frame.point;
ProjectionFactor *f = new ProjectionFactor(pts_i, pts_j);
problem.AddResidualBlock(f, loss_function, para_Pose[imu_i], para_Pose[imu_j], para_Ex_Pose[0], para_Feature[feature_index]);
f_m_cnt++;
}
}
//新增閉環的引數和residual
if(LOOP_CLOSURE)
{
ceres::LocalParameterization *local_parameterization = new PoseLocalParameterization();
problem.AddParameterBlock(front_pose.loop_pose, SIZE_POSE, local_parameterization);
if(front_pose.features_ids[retrive_feature_index] == it_per_id.feature_id)
{
Vector3d pts_j = Vector3d(front_pose.measurements[retrive_feature_index].x, front_pose.measurements[retrive_feature_index].y, 1.0);
Vector3d pts_i = it_per_id.feature_per_frame[0].point;
ProjectionFactor *f = new ProjectionFactor(pts_i, pts_j);
problem.AddResidualBlock(f, loss_function, para_Pose[start], front_pose.loop_pose, para_Ex_Pose[0], para_Feature[feature_index]);
retrive_feature_index++;
loop_factor_cnt++;
}
}
//設定了優化的最長時間,保證實時性
if (marginalization_flag == MARGIN_OLD)
options.max_solver_time_in_seconds = SOLVER_TIME * 4.0 / 5.0;
else
options.max_solver_time_in_seconds = SOLVER_TIME;
// 求解
ceres::Solve(options, &problem, &summary);
// http://blog.csdn.net/heyijia0327/article/details/53707261#comments
// http://blog.csdn.net/heyijia0327/article/details/52822104
if (marginalization_flag == MARGIN_OLD)
{
//如果當前幀是關鍵幀的,把oldest的frame所有的資訊margination,作為下一時刻的先驗知識,參考上面的兩個網址,大神的解釋很明白
}
else{
//如果當前幀不是關鍵幀的,把second newest的frame所有的視覺資訊丟棄掉,imu資訊不丟棄,記住不是做margination,是為了保持矩陣的稀疏性
}
}
後續
imu的引數很重要,還有就是硬體同步,global shutter的攝像頭很重要。我要是動作快的話,效果就不行了。但人家的視訊感覺效果很不錯。
這個還要繼續弄硬體和程式碼原理,程式碼中最小二乘法優化中的FOCAL_LENGTH
感覺要根據自己的攝像頭設定,還沒有具體看,視覺資訊矩陣的設定還沒有看。
工程中具體的情況還是要自己解決,
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