1 江苏科技大学 计算机学院， 江苏镇江22000
2 南京大学 计算机软件新技术国家重点实验室， 江苏南京10046
为了提高动态场景RGB-D SLAM中相机位姿精度，基于实例分割与光流算法，提出一种高精度RGB-D SLAM方法。首先，通过实例分割算法检测出场景中的物体，删除非刚性物体并构造语义地图。接着，通过光流信息计算运动残差，检测场景中动态刚性物体，并在语义地图中追踪这些动态刚性物体。然后，删除每一帧中非刚性物体和动态刚性物体上的动态特征点，利用其他稳定的特征点优化相机位姿。最后，通过TSDF模型重建静态背景，并以点云的形式显示动态刚性物体。在TUM和Bonn数据集中测试表明，本文方法与当前最先进的SLAM工作ACEFusion相比相机精度提升约43%。消融实验结果表明，保留动态刚性物体处于静止状态下的特征点对相机位姿估计结果提升约37%。稠密建图实验结果表明，本文方法在动态场景中重建结果优于当前先进的工作，平均重建误差为0.042 m。代码开源在https：//github.com/wawcg/dy_wcg。
动态场景 同步定位与地图构建 实例分割 光流 dynamic scenes SLAM instance segmentation optical flow
1 山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590
2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079
3 自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061
4 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201210
5 上海微小卫星工程中心，上海 201210
提出一种顾及姿态误差时空变化的全谱段光谱成像仪（VIMS）定位精度提升方法。通过分析高分五号02星（GF-5B卫星）181 d的星敏感器低频误差规律，以分段傅里叶级数模型为基础，利用时序化、多空间补偿策略，统一了非基准与基准定姿模式之间的低频误差特性，补偿低频误差对影像几何定位的影响。研究结果表明，所提方法将VIMS可见光近红外影像无地面控制几何定位精度从4.274 pixel优化至1.867 pixel，且对不同时相、不同区域的光学影像均有良好的精度提升效果。
遥感 姿态低频误差 几何定位精度 高分五号02星 全谱段光谱成像仪 光学学报
2024, 44(12): 1228004
1 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
2 云南省先进装备智能制造技术重点实验室，云南 昆明 650500
针对移动机器人在进行传统2D环境的定位时所存在的定位精度低且定位实时性差等问题，提出一种改进的迭代近邻点（ICP）算法的定位方法。首先，建立位姿搜索空间，采用由低到高的分辨率对搜索空间进行逐层搜索，并结合多点云密度进行部分点云扫描匹配，排除非最优位姿，加速搜索过程；在进行点云匹配中，采用帧对图的方式，有效地利用了历史帧信息；对得到的最优位姿进行稀疏矩阵位姿优化，进一步提高定位精度。在SLAM Benchmark数据集上进行测试，结果表明所提方法的算法效率是现流行的Cartographer算法的1.8倍到4.9倍之间，同时平移误差较小。并利用Turtlebot2机器人进行实际测试，结果表明所提方法的定位误差相比Cartographer和Gmapping均有明显的降低，且实时性较好；与传统的自适应蒙特卡罗重定位（AMCL）相比，平移误差均值降低了0.035 m，旋转误差均值降低了0.001 rad，具有较高的重定位精度。
激光雷达 移动机器人定位 多分辨率 迭代近邻点 多点云密度 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0811001
1 西北工业大学 无人系统技术研究院，陕西西安70072
2 中国人民解放军军事科学院 国防科技创新研究院，北京100850
针对室内弱纹理环境下基于点特征的视觉同步定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM）存在的轨迹漂移等问题，提出了一种融合点线特征的双目视觉SLAM系统，并对线特征的提取与匹配问题展开研究。为了提高线特征的质量，通过长度与梯度抑制、短线合并等方法，进一步改进LSD（Line Segment Detector）线特征提取方法。同时，通过将匹配问题转换为优化问题，并利用几何约束构建代价函数，提出了一种基于几何约束的快速线段三角化方法。实验结果表明，本文所提方法在多个数据集上的表现都优于基于描述子的传统方法，尤其在室内弱纹理场景下，其平均匹配精度达到91.67%，平均匹配时间仅需7.4 ms。基于此方法，双目视觉SLAM系统在弱纹理数据集上与已有算法ORBSLAM2，PL-SLAM的定位误差分别为1.24，7.49，3.67 m，定位精度优于现有算法。
双目视觉 线特征提取 视觉同步定位与建图 特征匹配 binocular vision line features vision simultaneous localization and mapping feature matching
1 重庆交通大学 交通运输学院， 重庆400074
2 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海01804
针对自动驾驶三维建图中存在的建图不准确以及位姿飘移的问题，利用激光雷达里程计消除惯性测量单元（Inertial Measurement Unit， nIMU）累计误差并通过IMU预积分去除激光雷达点云畸变，形成激光雷达与IMU的紧耦合建图系统；通过增加回环检测因子、激光雷达里程计因子以及IMU预积分因子进行后端图优化，旨在提升定位建图的全局一致性，减小位姿估计误差，降低累计漂移误差。最后，在学校园区实地场景以及利用开源数据集KITTI进行实验验证，实验表明，在选取的学校园区实地场景下，改进算法APE误差均值相较于原算法降低了11.04%，APE均方根误差较于原算法降低了17.35%；改进算法在KITTI数据集场景下平均APE误差下降了10.04%，均方误差方面相较于原算法平均下降了12.04%。研究结果表明，改进的建图方法能够有效提高建图的位姿估计精度与地图构建精度。
激光雷达 自动驾驶 同步定位与建图 传感器融合 lidar automatic driving synchronous positioning and mapping sensor fusion
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 上海中科神光光电产业有限公司，上海 201815
4 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站，上海 201602
分布式光纤多维定位对于周界安防、地震速报、目标跟踪等应用有着十分重要的意义。地震源或空气中声源波长与光纤探测孔径为同一量级，光纤传感通道无法对波场进行密集采样，难以实现精准定位。为了消除光纤大探测孔径对目标源多维定位的影响，提出了一种基于相位校正的分布式光纤大探测孔径多维定位方法。首先建立了光纤传感通道对目标源的响应模型，分析了光纤阵列相位误差来源，根据目标源预估计位置对光纤阵列采样信号进行相位校正；然后对校正后的信号进行空间谱估计并采用多次迭代降低定位误差。现场初步实验结果表明，所提方法能够有效实现对目标源的二维定位，定位结果与实际测量位置的误差为1.1 m。该方法可用于既有光缆，提高了分布式光纤传感系统在实际应用中的定位能力。
光纤光学 分布式声波传感 阵列信号处理 目标定位
1 重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065
2 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
针对室内可见光定位接收信号强度易出现波动从而产生较大定位误差，以及从一个定位单元迁移到其他定位单元可能会降低定位精度的问题，笔者提出了一种基于注意力机制的卷积神经网络的室内三维定位方法，以减小接收信号波动产生的影响，并采用迁移学习将在第一个定位单元中训练的网络迁移到其他定位单元中，在保证定位精度不变的前提下减少了训练网络的成本。仿真结果表明：所提算法在5 m×5 m×3 m的定位单元内可以实现平均误差为3.54 cm的三维定位；采用迁移学习将已训练网络部署到第二个定位单元中，可以实现平均误差为3.67 cm的定位。实验结果表明：在1.2 m×0.75 m×1.2 m的定位单元实验中，所提算法可以实现平均误差为3.32 cm的三维定位，90%的误差分布在4.12 cm内；采用迁移学习将已训练网络部署到第二个定位单元中，可以实现平均误差为3.35 cm的定位。与现有算法相比，所提算法迁移前后的定位精度均有所改善。
光通信 可见光定位 注意力机制 卷积神经网络 迁移学习
南方科技大学生物医学工程系，广东 深圳 518055
由于衍射极限的存在，传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术，为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点，在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后，对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。
高通量 大视场 单分子定位显微镜 超分辨成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618004
国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室，北京 100190
超分辨显微成像技术自诞生以来，凭借其优异的纳米级空间分辨率，已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中，基于单分子定位的超分辨成像策略，使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性，近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展，逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展，介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外，还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后，针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战，进行了总结与展望。
显微 单分子荧光 超分辨成像 单分子空间取向 单分子定位显微术 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618015
1 福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
2 福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
3 福建省光电传感应用工程技术研究中心，福建 福州 350007
4 广州工业智能研究院，广东 广州 511458
环境感知是无人驾驶的关键技术，针对相机缺乏深度信息无法定位检测目标以及目标跟踪精度较差的问题，提出一种基于相机与激光雷达融合的目标定位与跟踪算法。该算法通过图像检测框内的激光雷达点云簇在像素平面的面积比例大小获得检测目标的定位信息，然后根据检测目标的轮廓点云在像素坐标系下的横向移动速度和纵向移动速度融合图像检测框中心坐标提高目标跟踪精度。实验结果表明：所提目标定位算法正确率为88.5417%，且平均每帧处理时间仅为0.03 s，满足实时性要求；图像检测框中心横坐标的平均误差为4.49 pixel，纵坐标的平均误差为1.80 pixel，平均区域重叠率为87.42%。
传感器融合 机器视觉 3D激光雷达 目标定位 目标跟踪 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0828004
