动态SLAM 开源方案汇总及介绍（一）

news2024/10/5 18:56:14

参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/673614739及https://zhuanlan.zhihu.com/p/673615788

具体来说，当SLAM系统在前一帧的动态物体上提取了特征点时，如果将这个特征点投影到当前帧，由于目标已经移动，这个点找到的匹配点必然是错误的，由此解算出的位姿必然也存在较大的误差。尤其是动态物体占据画面的比例很大时，SLAM系统极容易崩溃。

一、基于目标检测/语义分割的动态SLAM

这一部分也是目前动态SLAM的主流方案，基本套路就是在ORB-SLAM2/3或者VINS的基础上加入YOLO。首先SLAM该怎么提特征点还怎么提，然后对于候选框内的特征点直接丢弃，这样位姿解算所使用的特征点也就没有了动态物体的影响。优点是效果还不错，尤其经过TensorRT加速的YOLO可以达到实时，对GPU显存的要求也没那么高。缺点是一方面在YOLO出现漏检时不稳定，另一方面只能识别预先定义好的物体类别，而且也没办法识别不在预定义类别范围内但真的在运动的物体，比如人手上拿着的书、正在搬运的椅子等等。

首先最经典的肯定是DS-SLAM和DynaSLAM了，这两篇文章也都来源于2018 IROS，虽然时间比较早，但是思想具有很高的借鉴意义。

1.1 DS-SLAM：（IROS 2018，清华大学）

论文链接：https://arxiv.org/abs/1809.08379

代码链接：https://github.com/ivipsourceco

DS-SLAM是基于ORB-SLAM2开发的，有5个并行运行的独立线程：跟踪、语义分割、局部建图、回环检测和稠密语义八叉树地图。针对动态目标（主要是人），首先使用SegNet进行语义分割，然后进行运动一致性检查，剔除动态区域上的特征点。为啥要进行运动一致性检查呢？就是为了检测上面提到的"人手上拿着的书、正在搬运的椅子"这类无法提前定义的物体。

在DS-SLAM中，运动一致性检查的具体流程是：

1、计算光流金字塔，获得当前帧中的匹配对；
2、校验匹配关系，如果匹配对靠近边缘或其像素值与以它为中心的邻域的3x3区域内的像素值差别太大，就认为不合法，丢弃；
3、使用RANSAC寻找内点，并利用这些内点求解基础矩阵；
4、利用基础矩阵计算当前帧中极线方程；
5、计算匹配点到极线的距离，如果超过阈值则认为是外点（运动点）。

缺点就是太慢了，总单帧耗时达到了59.4ms。

1.2 DynaSLAM：（IROS 2018）

论文链接：https://arxiv.org/abs/1806.05620

代码链接：https://github.com/BertaBescos/DynaSLAM

DynaSLAM的主要思想和DS-SLAM很像。具体的流程是：

1、使用Mask R-CNN和几何方法（将深度或者角度差距较大的数据关联点当做动态点）分别检测可能运动和正在运动的物体；
2、只使用静态区域和非动态物体掩膜边缘的ORB特征点进行相机位姿估计；
3、使用历史观测数据做背景修复。

DynaSLAM中几何一致性验证的具体流程是：

1、选取5个与当前关键帧CF重合度最高的KF；
2、计算每个KeyPoint从KF到CF的投影，得到投影后的坐标和投影深度；
3、计算两个坐标之间的视差角，如果大于30°就滤除，计算两个深度之间的差值，如果超过一定阈值就滤除。

效果还不错，但是缺点也是耗时太大了。

1.3 Detect-SLAM（2018 IEEE WCACV，北京大学）

论文链接：Detect-SLAM: Making Object Detection and SLAM Mutually Beneficial

代码链接：https://github.com/liadbiz/detect-slam

主要思想：
目标检测的网络并不能实时运行，所以只在关键帧中进行目标检测，然后通过特征点的传播将其结果传播到普通帧中

1.只在关键帧中用SSD网络进行目标检测（得到的是矩形区域及其置信度），图割法剔除背景，得到更加精细的动态区域；
2.在普通帧中，利用feature matching + matching point expansion两种机制，对每个特征点动态概率传播，至此得到每个特征点的动态概率；
3.object map帮助提取候选区域。

1.4 RDS-SLAM：（2021，Access）

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=9318990

代码链接：https://github.com/yubaoliu/RDS-SLAM

前面说到，语义分割的主要问题在于太过耗时。而RDS-SLAM的主要贡献就是在实时性上的提升。RDS-SLAM是在ORB-SLAM3的基础上，开辟了一个独立的语义线程。这样就可以不等待语义信息进入跟踪线程，将语义分割与跟踪分离。利用移动概率将语义信息从语义线程传递到跟踪线程。利用移动概率来检测和去除跟踪中的异常值。

那么具体来说，为啥开辟一个新的语义线程就可以提高实时性呢？作者定义了语义延时来说明该部分如何保证语义分割的实时性。首先按照时间顺序分割每一帧（假设语义分割一次耗时10次采样时间，每隔两帧取一个关键帧），同时连续分割两帧。注意，作者使用了双向模型（bi-directional model），关键帧的分割不是按顺序进行的，而是分割队列的前面和后面。这里还有一个问题，就是为什么还要对前面的关键帧做分割呢？这是因为如果前几帧没有语义信息，由于跟踪线程很快，可能已经因为动态物体累计了很大的误差。因此，需要使用语义信息来把漂移拉回来。

对于速度的提升也很明显，可以在2080Ti上达到实时。

1.5 Dynamic-SLAM ：（2019 Robotics and Autonomous Systems）

在动态环境中工作时，由于动态对象的干扰，传统的SLAM框架的性能很差。通过在对象检测中利用深度学习的优势，提出了一种语义动态的动态地图定位和映射框架Dynamic-SLAM，以解决动态环境中的SLAM问题。

本文的主要三大贡献：

1.针对SLAM系统提出了一种基于相邻帧速度不变性的丢失检测补偿算法，提高SSD的recall rate，为后续模块提供了良好的依据。
2.提出了一种选择跟踪算法，以一种简单有效的方式消除动态对象，提高了系统的鲁棒性和准确性。
3.构建了基于特征的可视化动态SLAM系统。构建了基于SSD的目标检测模块线程，并将其检测结果作为先验知识提升SLAM性能。

1.6 DynaVINS ：（2022 IEEE Robotics and Automation Letters）

论文链接：https://arxiv.org/abs/2208.11500

代码链接：https://github.com/url-kaist/dynavins

前面的方案都是基于ORB-SLAM开发的，我们再来看几个基于VINS的。DynaVINS是2022 RAL的文章，主要贡献在于解决了临时静态对象引起的假阳性回环问题。

DynaVINS的输入为单目/双目图像和IMU，并进行特征跟踪和IMU预积分。一方面，DynaVINS设计了一个鲁棒BA来从动态对象中丢弃跟踪的特征，保留静态特征。之后使用被追踪特征的数量对关键帧进行分组，并且聚类在当前关键帧组中检测到的回环假设。最后在选择性优化中使用或拒绝具有权重的每个假设，最终获得面向动态和暂时静态对象鲁棒的轨迹。

1.7 Dynamic-VINS：（2022 IEEE Robotics and Automation Letters）

论文链接：https://arxiv.org/abs/2304.10987

代码链接：https://github.com/HITSZ-NRSL/Dynamic-VINS

哈工大深圳的最新工作，发表在2022 RAL上。Dynamic-VINS的输入是RGBD图像和IMU，性能和YOLO-DynaSLAM类似，但是对计算资源要求更低。Dynamic-VINS结合目标检测和深度信息进行动态特征识别，达到了与语义分割相当的性能，并且将IMU应用于运动预测，进行特征跟踪和运动一致性检查。

Dynamic-VINS使用YOLOv3进行运动物体检测，然后使用深度阈值和IMU进行运动一致性检查。注意这里深度阈值的作用与普通的运动一致性检查不太一样，主要是考虑到动态对象的bounding box内还包含很多静态背景点，如果直接滤除则有点浪费，因此希望将这部分静态背景点保留。具体流程是：