ORBSLAM2中使用ORB描述子的方法

　　经典的视觉SLAM系统大体分为两种：其一是基于特征点法的，其二是基于直接法的。那么本文主要就讲特征点法的SLAM。

　　基于特征点法的视觉SLAM系统典型的有PTAM，ORBSLAM等。本文主要围绕ORBSLAM2的方案来阐述特征点法SLAM，因为ORBSLAM2可以说是特征点法SLAM的巅峰之作。ORBSLAM2采用三个主要线程：跟踪，局部建图和闭环以及一个额外线程：全局BA，该线程只有在闭环时才会触发。值得注意的是，ORBSLAM2中每个模块中都采用ORB描述子，而不像之前的其他系统那样跟踪和回环检测使用不同的特征点，这种做法一方面是节省提取时间，另一方面可以使得整个系统更加简洁。

　　在跟踪阶段，ORBSLAM2对输入图像提取ORB描述子，与参考帧图像的ORB描述子进行特征匹配，具体的特征匹配方法下一讲中我们再详细讨论。如图1蓝色线所示，Rf表示参考帧（在ORBSLAM2中即是最后一个插入的关键帧Kf），Cf表示当前帧。p1表示参考帧Rf中的像素点，而p2表示当前帧Cf中与参考帧Rf匹配的ORB特征点位置。ORBSLAM2中在地图中查找p1的三维坐标P，如图1绿色线所示，查询完毕后利用外参T=[R,t]将P投影到当前帧Cf中，如图1红色线所示。如图1中黄色线所示，p2为P在当前帧Cf中的真实位置，而p2"为实际投影位置，二者之间存在误差，通过优化外参T=[R,t]来使得所有特征点之间的冲投影误差最小，实现相机的位置跟踪：

如公式（1）所示，即为当前帧和当前帧所有匹配特征点对的重投影误差，除了单纯的计算重投影误差外，注意到公式（1）中，采用了核函数，来防止外点对非线性优化的过度影响（非线性优化中最怕的就是外点，因为他会导致其他内点都去迁就他，结果优化效果与真实值的差距自然较大）。此外，公式（1）还利用了信息矩阵来对不同的特征点添加权值信息，最简单的信息就是取信息矩阵为单位阵，即对所有特征点都一视同仁。可以看见，这都是有一些优化的小技巧在的，纵观全文，你会发现ORBSLAM2中处处都是优化的细节，简直到了丧心病狂的地步 - -|。

　　在局部优化和全局优化的时候，采用的也都是公式（1）的方法，只不过在闭环时为了节省计算时间，采用了pose-graph，即忽略所有点的信息，只对位姿进行优化。具体的内容后续博客我会尽量给大家讲清楚。

　　ORB描述子用于回环检测之前，会先利用Bag of word将ORB描述子进行转换，变成视觉词汇。在回环检测时，只需要比较词汇之间的相似性，即可判断机器人是否回到之前经过的地方。当然，这里还有一些其他的验证，后续也会给大家慢慢讲。

　　至此，ORBSLAM2中ORB描述子的使用算是给大家讲清楚了，接下来，就开始研究一下ORB描述子到底是怎么生成的以及为什么它会如此强大？

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 1

ORB描述子提取的方法

　　如上所说的，视觉SLAM系统中目前主流的是基于直接法或者基于特征点法。但是目前鲁棒性最好的描述子是SIFT描述子，但是提取过程太耗费时间，非常不适用于SLAM这种需要实时运行的系统，而基于SIFT描述子改进的SURF描述子尽管提高了一个数量级的提取效率，但仍然无法满足SLAM系统的要求。而更快速的FAST关键点对光照非常敏感，BRIEF描述子可以很好地利用像素块的信息构成一个具有特异性的描述子，但其对于旋转不具备不变形。由于现存的大部分描述子要么因为鲁棒性不足，要么因为提取时间过长等缺陷，因此迫切需要一种在鲁棒性和提取时间这种的方案出现，而ORB描述子就是答案。

　　ORB发掘了现有的提取效率最快的关键点FAST以及描述子BRIEF，并在其原有基础上进行改进，形成具备尺度不变形和旋转不变形的ORB描述子。

Fast关键点提取

　　对输入图像中每个像素提取FAST关键点，即在当前提取像素点p的局部块中，比较块中的像素（1-16）与中心像素p的灰度差，如图2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图 2

在ORB描述子的文章ORB: an efficient alternative to SIFT or SURF中，使用FAST9来提取FAST关键点，即在图2中的16邻域中，只要有9个像素点同时都比中心像素p小或者大，即认为其是关键点，但实际提取过程中这个像素差是可以添加阈值的。如公式（2）所示。

其中t即为阈值，必须满足像素差大于某一个值才能定义其为关键点。

　　为了避免关键点扎堆的情况出现，比如桌子边缘这类地方，会出现整个边缘布满FAST关键点。尽管关键点某些时候越多越好，但是将较差的部分滤掉，保留较好那部分关键点，显然是更好的选择，因为这会使得在使用过程中，增加系统的鲁棒性。

　　FAST中用极大值抑制来筛选出较好的关键点，统计关键点p1的邻域中的像素差总和分数s1，对比相邻关键点之间的差异，即s1和s2，在邻域内只保留分数最大的关键点。

　　显然FAST关键点不具有尺度不变形，因此采用了空间金字塔为FAST构建尺度不变性，在每一个尺度下的图像中提取FAST关键点。具体在源码解析的时候会为大家详细解读。

　　由于BRIEF描述子不具备旋转不变性，为了克服这个缺陷，ORB描述子通过计算FAST关键点局部块的矩来生成旋转方向（即利用块中所有像素y方向上的差值之和与x方向上的差值之和的比值，可以理解成tan(theta) = delta y / delta x）：

BRIEF描述子生成

　　BRIEF描述子主要是通过比较中心像素点p任意邻域内的256对像素之间的差值来生成二进制描述子的。如公式（6）所示，任意一对像素点p(x)和p(y)，若p(x)<p(y)，则描述子对应的位置为1，否则置为0。

　　值得注意的是，很多人看到论文的时候会觉得BRIEF描述子并没有用到上面FAST生成的灰度质心角度啊。但是参考SIFT描述子，ORB描述子也采用了同样的方法，在计算描述子的时候，ORB描述子通过旋转匹配对的位置，再进行计算，因此就使得ORB描述子具备了旋转不变性。

　　通过机器学习的方式随机选择多种组合的像素对，作者通过选择最好的一组256对像素点的组合作为ORB描述子的pattern。

总结

　　本文首先介绍了

　　　　ORB描述子在ORBSLAM2中的应用，包括跟踪阶段和回环检测时ORB如何使用的；

　　　　ORB描述子的提取方法，包括FAST关键点的提取和BRIEF描述子的生成。　　

　　下一讲将会将ORBSLAM2中的ORB描述子提取源码分离出来，单独实现并进行讲解。

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