天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
针对固态激光雷达视场小导致建图过程中回环检测困难的问题，提出了一种基于单帧-子地图描述子匹配的回环检测算法。首先，利用前端里程计提供的位姿将若干帧点云拼接得到子地图后获取描述子，并将其位置加入K维树中。其次，对于每一个当前帧，利用K维树搜索候选子地图，依次按照里程计位姿投影至子地图坐标系后获取描述子，以实现描述子旋转、平移不变性。然后，利用二进制描述子进行对齐，并利用掩模方法计算当前帧描述子和子地图描述子的相似度。最后，对于符合条件的回环对，使用CFB-ICP算法进行配准获得回环因子，并执行因子图优化。在公开数据集以及真实室外环境中分别进行实验测试，结果显示此算法在满足实时性的前提下，可以减小长程建图时的累积误差，提高定位与建图精度。
固态激光雷达 同步定位与地图构建 回环检测 点云配准 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2428002
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220114
1 中国人民解放军95848部队, 湖北 孝感 432019
2 山东理工大学交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255000
3 陆军军事交通学院军事交通运输研究所, 天津 300161
针对传统激光雷达闭环检测算法受动态障碍物干扰较大、关键帧搜索以及特征匹配耗时较长的问题,采用MF-RANSAC算法并改进ScanContext,提出一种鲁棒性更强、耗时更短的SR-Context激光雷达闭环检测算法。首先,利用区域生长算法对扇形栅格化后的点云进行分割;随后,不依赖于目标识别和跟踪,借助动态区域多点选取和多属性查询对应点,提出一种MF-RANSAC算法快速实现动态目标剔除;最后,通过简化特征匹配计算和删除闭环历史匹配帧的方式改进ScanContext算法,对去除动态目标后的栅格提取特征实现闭环检测。分别在KITTI数据集与实车数据集下进行测试,实验结果表明,本文算法在城市动态环境下能够快速准确实现闭环检测进而提高激光雷达建图精度,且平均耗时仅为ScanContext算法耗时的40%。
传感器 闭环检测 智能车 动态实时定位与建图 激光雷达 光学学报
2021, 41(22): 2228002
1 河北地质大学信息工程学院, 河北 石家庄 050031
2 河北地质大学河北省高校生态环境地质应用技术研发中心, 河北 石家庄 050031
在视觉同时定位与地图构建(SLAM)中,闭环检测模块主要用来消除位姿漂移,得到全局一致的轨迹和地图。针对传统SLAM闭环检测方法中效率与准确率低的问题,首次提出一种基于HHO算法的SLAM闭环检测方法。首先,对FAST算法进行改进,用于提取图像特征,生成图像特征的鲁棒描述子;然后,将闭环检测中求解当前帧图像和历史帧图像最大相似度的问题转换为最大值优化问题;最后,针对该优化问题,设计个体编码方式和适应度函数,给出求解闭环检测问题的HHO算法。实验结果表明,相较于基于词袋模型和PSO算法的闭环检测方法,所提基于HHO算法的SLAM闭环检测方法具有更高的效率与准确率。
机器视觉 视觉SLAM 闭环检测 HHO算法 鲁棒描述子 激光与光电子学进展
2021, 58(12): 1215006
1 天津大学电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
2 天津大学机器人与自主系统研究所, 天津 300072
为提高视觉同时定位与建图(SLAM)回环检测的准确率和召回率,提出一种基于改进线带描述符(LBD)和数据依赖度量的点线特征视觉SLAM回环检测算法。首先,针对现有LBD二进制转换操作只在各个条带之间比较大小而忽略条带内部属性,从而导致匹配正确率低的问题,增加了条带描述子内部对比操作。然后,考虑到视觉单词词频分布信息对相似性的影响,采用基于数据依赖的方法进行图像相似度计算。最后,在公开数据集上对不同算法进行验证,结果表明,所提算法能够在100%准确率的情况下,获得更高的召回率。
机器视觉 回环检测 点线特征 改进二进制转换方法 数据依赖度量 相似度计算 激光与光电子学进展
2021, 58(6): 0615001
1 中国科学院微小卫星创新研究院, 上海 201203
2 中国科学院微小卫星重点实验室, 上海 201203
3 中国科学院大学, 北京 100049
机器人在大尺度场景下开展同时定位与建图(SLAM)任务时,其闭环检测环节会出现较严重的错匹配或者漏匹配问题,因此,采用残差网络(ResNet)对图像序列进行特征提取,并提出一种新的闭环检测算法。通过预训练的ResNet提取输入图像的全局特征,并对该帧图像及之前具有一定长度的图像序列的特征按照下采样的方式进行拼接,将结果作为当前帧图像的特征,保证图像特征的丰富性与准确性。同时,设计一种双层查询的方法以获得最相似的图像帧,并对最相似图像进行一致性检验,确保闭环的准确性。在闭环检测主流公开数据集New College和City Centre上,所提算法在100%准确率下的召回率为83%,在99%准确率下的召回率为85%。与传统的词袋方法和VGG16方法相比,所提算法具有显著的提升。
成像系统 闭环检测 残差网络 同时定位与建图 机器视觉 激光与光电子学进展
2021, 58(4): 0411003
1 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院, 北京 100191
2 北京控制工程研究所, 北京 100190
针对模型未知的空间非合作旋转目标的模型重建和位姿估计问题, 利用激光雷达采集的3D点云, 提出一种基于位姿图优化的SLAM技术框架, 以解决跟踪过程中产生的累积误差问题。首先, 根据迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法计算相邻关键帧之间的相对位姿信息, 通过位姿跟踪方法获得当前关键帧的位姿, 由此构建跟踪航天器的相对位姿图; 采用GLAROT-3D(Geometric LAndmark relations ROTation-invariant 3D)全局描述子检测闭环, 并将闭环约束添加到位姿图中; 最后采用基于位姿图优化的方法进行位姿调整, 并更新模型点云。在仿真实验中, 噪声标准差达到100 mm时, 姿态测量误差小于2°; 在地面实验中, 姿态测量误差小于2.5°, 并较好地重建了目标的点云模型, 算法的精度及抗噪声能力基本满足非合作目标相对位姿测量的任务需求。
非合作旋转目标 闭环检测 模型重建 位姿图优化 non-cooperative rotating target loop closure detection model reconstruction pose graph optimization
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所微系统技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
闭环检测算法可消除视觉同时定位与建图(VSLAM)系统的累计误差,并对构建全局一致性地图有重要作用。针对现有传统闭环检测算法在视角与场景外观变化下准确率与稳健性降低,及部分基于深度学习方法特征提取与闭环识别实时性不佳的问题,设计了一种融合Gist特征与卷积自编码的闭环检测算法,将Gist特征作为卷积自编码网络重构目标,可增强模型在外观变化下的场景特征表达能力;同时通过透视变换构造视角变化训练图像对,以提升模型在视角变化下闭环检测的准确率与稳健性。所设计的模型较精简,可实现实时关键帧特征提取与闭环检测。在Gardens Point与Nordland数据集的实验结果表明,相较于传统视觉词袋模型(BoVW)、Gist算法及现有部分深度学习方法,本文算法可以达到更高的准确率和稳健性。
机器视觉 同时定位与建图 闭环检测 卷积自编码 深度学习 激光与光电子学进展
2019, 56(18): 181501
针对传统闭环检测算法在动态场景下不稳定、易失败的问题, 提出了一种在动态场景下能够准确检测到闭环的算法。首先, 改进基于场景流区分动、静特征点算法, 使得到的动静点划分更为准确;其次, 剔除动态特征点, 进行聚类, 将图像在视觉词典树各个节点的TF-IDF熵作为图像在该视觉单词的得分权重, 从而构造得分向量对场景进行描述;最后, 采用负指数幂函数作为计算两幅图像的相似性得分函数, 计算当前帧与候选关键帧的相似性得分, 经过最后的闭环确认环节, 得到最终的与当前帧发生闭环的关键帧。实际场景的实验表明, 所提算法在动态场景下能够有效检测到闭环。
闭环检测 动态场景 场景流 TF-IDF熵 相似性得分函数 loop closure detection dynamic scene scene flow TF-IDF entropy similarity score function
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
深度卷积神经网络在图像特征表示方面优于传统手工特征, 将其用于闭环检测时还存在计算时间随着数据增长不断增加的问题。为了解决这一问题, 提出了一种基于 VGG16模型的快速闭环检测算法。该算法使用在 ImageNet上预训练的 VGG16网络模型提取图像卷积特征, 并通过一种自适应粒子滤波方法得到闭环候选帧, 以固定运算时间。在主流的闭环检测数据集 City Centre和 New College上对此算法进行测试, 实验结果显示, 该算法在两个数据集上可以分别达到 92%准确率下 70%召回率和 96%准确率下 61%召回率, 超过了同类算法, 并有效解决了计算时间增长的问题。
机器视觉 卷积神经网络 闭环检测 粒子滤波 machine vision convolutional neural network loop closure detection particle filter
