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【泡泡机器人翻译专栏】SLAM: 现在,未来和鲁棒年代(四)

泡泡机器人SLAM  · 公众号  · 机器人  · 2017-02-22 20:37

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哪种方法最好:基于特征的或稠密,直接方法?答案是取决于具体任务和性能要求(比如,时间,精度,失效率,等等)。基于特征方法的劣势是它依赖于特征类型,大量可靠地特征检测和匹配的阈值,还必须有鲁棒估计技术处

理不正确地匹配,实际上,大部分特征检测都被优化提高速度而损失精度。稠密,直接方法使用了图像上的所有信息,甚至是梯度很小的区域;因此,他们即使在场景纹理很差,失焦,运动模糊的情况下的性能也优于基于特征的方法。然而,对于实时性能,他们要求更高的计算性能(GPUs)。另外,如何估计稠密结构和运动仍然是一个未解决的问题(目前只能一个一个地估计)。比基于特征方法优化的方法有两种。半稠密方法只使用强梯度(比如,边缘)的像素克服了稠密方法的计算要求;半直接方法同时采用了稀疏特征(比如角点或边缘)和直接方法,被证明为非常有效率;另外,因为依赖于稀疏特征,他们需要估计结构和运动。

高阶物体表示。点云和边界表示目前在稠密建图领域占有主要地位,我们预见到高层表示,包括物体和固定形状,在未来SLAM中将扮演重要角色。早期的SLAM基于物体推理的技术是“SLAM++” ,这些工作源自于论文245,66,77。这些表示方法显示物体的3维表示优于1维云点或2维图像。构建物体外形与物理表示关联,比如对物体的大小和数量,对机器人来说非常重要,需要与外界交互。幸运的是,现有领域比如CAD和计算机图形学已经在这方面有了很大发展。可以参考以下例子:

基元实例化:依赖于物体的类别(比如,圆柱体,球体)。对于每种物体,需要定义一组 参数(比如,半径,高度),定义了一组物体的唯一成员(或实例)。据我们所知,目前没有SLAM方法采用这种表示。

扫描表示法:可以利用简单的规则沿着空间中的轨迹扫描2D或3D物体生成有效的实体。典型的扫描表示法包括平移扫描(或推出)和旋转扫描。比如,一个圆柱体可以通过平移扫描一个球体得到,它的轴和平面正交。在计算机视觉中,2D交叉扫描的一个例子是归一化圆柱体,它们应用于机器人抓取中,如论文225。这种表示法并没有用在SLAM中。

构造立体几何法:由两个实体/基元间的布尔运算形成的新的复杂实体。实体可以存储为二叉树,树的叶子是基元或是几何变换参数,非终端节点的边是施加于叶子节点的运算(比如并,交或差)或几何变换。这种表示方式也没有用在SLAM中。

也有其他表示类型,包括CAD中基于特征的方法,基于字典的表示方法,基于可供性的模型,生成或过程模型,和场景图像。另外,基于字典的表示方

法,定义了一个实体其组成部分可以存储在字典中,应用于机器人和计算机视觉中,字典是从数据中学习得来或基于物体模型的现有仓库。


待解决的问题

以下关于SLAM几何度量表示的问题,有很多基础研究工作,仍然有很多未知领域没有开发。

SLAM中的高层表示:机器人领域目前主要关注点云或TSDF构建3D几何模型,这些表示方法有两个弱点。首先,他们有一些浪费。比如,两种表示方法使用了很多参数(比如,点,体素)去将很简单的环境进行编码,甚至是空房间。其次,这些表示方法并没有提供对3D几何的高层理解。比如,机器人需要分辨出它是在房间还是在走廊运行。点云并不能提供关于环境类型的有用信息(比如,房间或走廊)。另外一方面,更复杂的模型(比如,基元实例化)提供了简单的方法区分场景(比如,根据参数定义基元)。因此,SLAM中的高层表示主要有3个作用。首先,使用精简的表示方法可以在大场景建图时提供一种压缩地图的方法。其次,高层表示可以提供更多的对物体几何信息的描述,这个特征是必须的,用于数据关联,位置识别,语义理解。3D几何信息的高层描述(比如,推断物体外形)会影响人机交互(机器人可以像人一样理解几何外形),还可以包含物理属性(比如,重量,或运动情况)作为推断或建图的一个步骤。最后,用多信息3D表示方法可以与现代建筑建造和管理标准保持兼容,比如CityCML和IndoorGML。目前并没有SLAM技术可以构建更高层的表示,从而超越现有技术,点云,网格模型,点元模型,TSDF模型。







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