基于Mask R-CNN的动态物体剔除方法在RGB-D视觉SLAM中的应用

运行的场景中没有运动物体是大多数SLAM算法的前提,这个假设过于理想化,导致大多数视觉SLAM算法在动态环境下无法使用,因此也就限制了其在服务型机器人和自动驾驶等中的应用。提出了一种动态物体检测及剔除方法并将其整合到ORB-SLAM2[1]算法中,提升了其在动态场景中使用RGB-D摄像头时的稳定性。基于Mask R0CNN获得动态物体的检测和移除能力从而剔除从动态物体上提取到的ORB特征。在公共的RGB-D数据集上评估了加入动态物体剔除方法后的ORB-SLAM2系统,对比了在动态场景下和原系统的差异。改造后的系统在动态场景下的定位和建图精度提升较为明显。     

自适应窗隔匹配与深度学习相结合的RGB-D SLAM算法

在动态场景的SLAM系统中,传统的特征点法视觉SLAM系统易受动态物体的影响,使得图像前后两帧的动态物体区域出现大量的误匹配,导致机器人定位精度不高。为此,提出一种结合自适应窗隔匹配模型与深度学习算法的动态场景RGB-D SLAM算法。构建基于自适应窗隔匹配模型的视觉SLAM前端算法框架,该框架筛选图像帧后采用基于网格的概率运动统计方式实现匹配点筛选,以获得静态区域的特征匹配点对,然后使用恒速度模型或参考帧模型实现位姿估计。利用深度学习算法Mask R-CNN提供的语义信息进行动态场景的静态三维稠密地图构建。在TUM数据集和实际环境中进行算法性能验证,结果表明,该算法在动态场景下的定位精度和跟踪速度均优于ORB-SLAM2及DynaSLAM系统,在全长为6.62 m的高动态场景中定位精度可达1.475 cm,平均跟踪时间为0.024 s。     

动态环境下基于线特征的RGB-D视觉里程计

基于RGB-D的视觉SLAM(同时定位与建图)算法基本都假设环境是静态的,然而在实际环境中经常会出现动态物体,导致SLAM算法性能的下降.为此,本文提出一种基于线特征的RGB-D视觉里程计方法,通过计算直线特征的静态权重来剔除动态直线特征,并根据剩余的直线特征估计相机位姿.本文方法既可以减小动态物体的影响,又能避免点特征过少而导致的跟踪失效.公共数据集实验结果表明,与现有的基于ORB(orientedFAST and rotated BRIEF)点特征的方法相比,本文方法减小了动态环境下的跟踪误差约30%,提高了视觉里程计在动态环境下的精度和鲁棒性.     

室内动态环境下基于网格分割与双地图耦合的RGB-D SLAM算法

为解决室内动态环境下现有RGB-D SLAM（同步定位与地图创建）系统定位精度低、建图效果差的问题,提出一种基于网格分割与双地图耦合的RGB-D SLAM算法。基于单应运动补偿与双向补偿光流法,根据几何连通性与深度图像聚类结果实现网格化运动分割,同时保证算法的快速性。利用静态区域内的特征点最小化重投影误差对相机进行位置估计。结合相机位姿、RGB-D图像、网格化运动分割图像,同时构建场景的稀疏点云地图和静态八叉树地图并进行耦合,在关键帧上使用基于网格分割和八叉树地图光线遍历的方法筛选静态地图点,更新稀疏点云地图,保障定位精度。公开数据集和实际动态场景中的实验结果都表明,本文算法能够有效提升室内动态场景中的相机位姿估计精度,实现场景静态八叉树地图的实时构建和更新。此外,本文算法能够实时运行在标准CPU硬件平台上,无需GPU等额外计算资源。     

基于几何约束的室内动态环境视觉SLAM

同时定位与地图创建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）作为自主移动机器人的基本功能,近年来已成为机器人领域的研究热点。然而现有视觉SLAM算法大多将外部场景作为静态假设,忽略了环境中运动物体对SLAM系统精度的影响,影响SLAM系统在实际环境中的应用。鉴于此,提出一种适用于动态场景的鲁棒视觉SLAM算法,以ORB-SLAM2框架RGB-D模式为基础,在前端添加一种基于几何约束的动态检测方法。首先对场景中的动态特征点利用一种几何约束方法进行粗滤除,然后将剩余的特征点作为改进随机抽样一致算法（Random Sample Consensus,RANSAC）的样本点估算稳定的基本矩阵,使用极线几何滤除场景中真正的动态特征点。最后对改进系统在TUM数据集上进行测试,结果表明改进系统可以有效提高ORB-SLAM2系统在高动态场景中的性能。     

基于动态区域剔除的RGB-D视觉SLAM算法

针对动态场景下视觉SLAM(simultaneous localization and mapping)算法易受运动特征点影响,从而导致位姿估计准确度低、鲁棒性差的问题,提出了一种基于动态区域剔除的RGB-D视觉SLAM算法。首先借助语义信息,识别出属于移动对象的特征点,并借助相机的深度信息利用多视图几何检测特征点在此时是否保持静止;然后使用从静态对象提取的特征点和从可移动对象导出的静态特征点来微调相机姿态估计,以此实现系统在动态场景中准确而鲁棒的运行;最后利用TUM数据集中的动态室内场景进行了实验验证。实验表明,在室内动态环境中,所提算法能够有效提高相机的位姿估计精度,实现动态环境中的地图更新,在提升系统鲁棒性的同时也提高了地图构建的准确性。     

基于K-Means聚类与深度学习的RGB-D SLAM算法

传统的RGB-D视觉同时定位与制图（SLAM）算法在动态场景中识别动态特征时会产生数据错误关联,导致视觉SLAM估计姿态精度退化。提出一种适用于动态场景的RGB-D SLAM算法,利用全新的跨平台神经网络深度学习框架检测场景中的动态语义特征,并分割提取对应的动态语义特征区域。结合深度图像的K均值聚类算法和动态语义特征区域对点特征深度值进行聚类,根据聚类结果剔除动态特征点,同时通过剩余特征点计算RGB-D相机的位姿。实验结果表明,相比ORB-SLAM2、OFD-SLAM、MR-SLAM等算法,该算法能够减小动态场景下的跟踪误差,提高相机位姿估计的精度和鲁棒性,其在TUM动态数据集上相机绝对轨迹的均方根误差约为0.019 m。     

动态环境下基于延迟语义的RGB-D SLAM算法

目前,将分割网络与SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)结合已成为解决视觉SLAM不能应用于动态环境的主流方案之一,但是SLAM系统受到分割网络处理速度的限制,无法保证实时运行.为此,文中提出基于延迟语义的RGB-D SLAM算法.首先,并行运行跟踪线程与分割线程,为了得到最新的延迟语义信息,采取跨帧分割的策略处理图像,跟踪线程根据延迟语义信息实时生成当前帧的语义信息.然后,结合成功跟踪计数(STC)与极线约束,筛选当前帧动态点的集合,并确定环境中先验动态物体的真实运动状态.若确定该物体在移动,继续将物体区域细分为矩形网格,以网格为最小单位剔除动态特征点.最后,利用静态特征点追踪相机位姿并构建环境地图.在TUM RGB-D动态场景数据集及真实场景上的实验表明文中算法在大部分数据集上表现较优,由此验证算法的有效性.     

动态场景下基于自适应语义分割的RGB-D SLAM算法

目前较为成熟的视觉SLAM算法在应用于动态场景时,往往会因动态对象干扰而导致系统所估计的位姿误差急剧增大甚至算法失效。为解决上述问题,本文提出一种适用于室内动态场景的视觉SLAM算法,根据当前帧中特征点的运动等级信息自适应判断当前帧是否需要进行语义分割,进而实现语义信息的跨帧检测;根据语义分割网络提供的先验信息以及该对象在先前场景中的运动状态,为每个特征点分配运动等级,将其归类为静态点、可移静态点或动态点。选取合适的特征点进行位姿的初估计,再根据加权静态约束的结果对位姿进行二次优化。最后为验证本文算法的有效性,在TUM RGB-D动态场景数据集上进行实验,并与ORB-SLAM2算法及其他处理动态场景的SLAM算法进行对比,结果表明本文算法在大部分数据集上表现良好,相较改进前的ORB-SLAM算法,本文算法在室内动态场景中的定位精度可提升90.57%。     

基于动态耦合与空间数据关联的RGB-D SLAM算法

为了解决动态环境下视觉SLAM（同步定位与地图创建）算法定位与建图精度下降的问题,提出了一种基于动态耦合与空间数据关联的RGB-D SLAM算法。首先,使用语义网络获得预处理的语义分割图像,并利用边缘检测算法和相邻语义判定获得完整的语义动态物体;其次,利用稠密直接法模块实现对相机姿态的初始估计,这里动态耦合分数值的计算在利用了传统的动态区域剔除之外,还使用了空间平面一致性判据和深度信息筛选;然后,结合空间数据关联算法和相机位姿实时更新地图点集,并利用最小化重投影误差和闭环优化线程完成对相机位姿的优化;最后,使用相机位姿和地图点集构建八叉树稠密地图,实现从平面到空间的动态区域剔除,完成静态地图在动态环境下的构建。根据高动态环境下TUM数据集测试结果,本文算法定位误差相比于ORB-SLAM算法减小了约90%,有效提高了RGB-D SLAM算法的定位精度和相机位姿估计精度。     

GMSK-SLAM: a new RGB-D SLAM method with dynamic areas detection towards dynamic environments

As a research hotspot in the field of robotics, Simultaneous localization and mapping (SLAM) has made great progress in recent years, but few SLAM algorithms take dynamic or movable targets in the scene into account. In this paper, a robust new RGB-D SLAM method with dynamic area detection towards dynamic environments named GMSK-SLAM is proposed. Most of the existing related papers use the method of directly eliminating the whole dynamic targets. Although rejecting dynamic objects can increase the accuracy of robot positioning to a certain extent, this type of algorithm will result in the reduction of the number of available feature points in the image. The lack of sufficient feature points will seriously affect the subsequent precision of positioning and mapping for feature-based SLAM. The proposed GMSK-SLAM method innovatively combines Grid-based Motion Statistics (GMS) feature points matching method with K-means cluster algorithm to distinguish dynamic areas from the images and retain static information from dynamic environments, which can effectively increase the number of reliable feature points and keep more environment features. This method can achieve a highly improvements on localization accuracy in dynamic environments. Finally, sufficient experiments were conducted on the public TUM RGB-D dataset. Compared with ORB-SLAM2 and the RGB-D SLAM, our system, respectively, got 97.3% and 90.2% improvements in dynamic environments localization evaluated by root-mean-square error. The empirical results show that the proposed algorithm can eliminate the influence of the dynamic objects effectively and achieve a comparable or better performance than state-of-the-art methods.

     

YOLOv4-tiny-based robust RGB-D SLAM approach with point and surface feature fusion in complex indoor environments

Algorithm frameworks based on feature point matching are mature and widely used in simultaneous localization and mapping (SLAM). However, in the complex and changeable indoor environment, feature point matching-based SLAM currently has two major problems, namely, decreased accuracy of pose estimation due to the interference caused by dynamic objects to the SLAM system and tracking loss caused by the lack of feature points in weak texture scenes. To address these problems, herein, we present a robust and real-time RGB-D SLAM algorithm that is based on ORBSLAM3. For interference caused by indoor moving objects, we add the improved lightweight object detection network YOLOv4-tiny to detect dynamic regions, and the dynamic features in the dynamic area are then eliminated in the algorithm tracking stage. In the case of indoor weak texture scenes, while extracting point features the system extracts surface features at the same time. The framework fuses point and surface features to track camera pose. Experiments on the public TUM RGB-D data sets show that compared with the ORB-SLAM3 algorithm in highly dynamic scenes, the root mean square error (RMSE) of the absolute path error of the proposed algorithm improved by an average of 94.08%. Camera pose is tracked without loss over time. The algorithm takes an average of 34 ms to track each frame of the picture just with a CPU, which is suitably real-time and practical. The proposed algorithm is compared with other similar algorithms, and it exhibits excellent real-time performance and accuracy. We also used a Kinect camera to evaluate our algorithm in complex indoor environment, and also showed high robustness and real-time. To sum up, our algorithm can not only deal with the interference caused by dynamic objects to the system but also stably run in the open indoor weak texture scene.     

基于目标检测的室内动态场景定位与建图

针对室内场景中动态对象严重影响相机位姿估计准确性的问题,提出一种基于目标检测的室内动态场景同步定位与地图构建（SLAM）系统。当相机捕获图像后,首先,利用YOLOv4目标检测网络检测环境中的动态对象,并生成对应边界框的掩膜区域;然后,提取图像中的ORB特征点,并将掩膜区域内部的特征点剔除掉;同时结合GMS算法进一步剔除误匹配,并仅利用剩余静态特征点来估计相机位姿;最后,完成滤除动态对象的静态稠密点云地图和八叉树地图的构建。在TUM RGB-D公开数据集上进行的多次对比测试的结果表明,相对于ORB-SLAM2系统、GCNv2_SLAM系统和YOLOv4+ORB-SLAM2系统,所提系统在绝对轨迹误差（ATE）和相对位姿误差（RPE）上有明显的降低,说明该系统能够显著提高室内动态环境中相机位姿估计的准确性。     

一种基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM算法

提出了一种新的基于半直接视觉里程计的RGB-D SLAM（同步定位与地图创建）算法,同时利用直接法和传统特征点法的优势,结合鲁棒的后端优化和闭环检测,有效提高了算法在复杂环境中的定位和建图精度．在定位阶段,采用直接法估计相机的初始位姿,然后通过特征点匹配和最小化重投影误差进一步优化位姿,通过筛选地图点并优化位姿输出策略,使算法能够处理稀疏纹理、光照变化、移动物体等难题．算法具有全局重定位的能力．在后端优化阶段,提出了一种新的关键帧选取策略,同时保留直接法选取的局部关键帧和特征点法选取的全局关键帧,并行地维护2种关键帧,分别在滑动窗口和特征地图中对它们进行优化．算法通过对全局关键帧进行闭环检测和优化,提高SLAM的全局一致性．基于标准数据集和真实场景的实验结果表明,算法的性能在许多实际场景中优于主流的RGB-D SLAM算法,对纹理稀疏和有移动物体干扰的环境的鲁棒性较强．