常規(guī)的SLAM算法首先假設(shè)環(huán)境中所有物體均處于靜止的狀態(tài)。而一些能夠在動態(tài)環(huán)境中運行的SLAM系統(tǒng)，只是將環(huán)境中的動態(tài)物體視為異常值并將他們從環(huán)境中剔除，再使用常規(guī)的SLAM算法進行處理。這嚴重影響SLAM在自動駕駛中的應(yīng)用。

MonoDOS通過兩種方式對常規(guī)SLAM進行擴展。其一，具有對象感知功能，不僅可以檢測跟蹤關(guān)鍵點，還可以檢測跟蹤具有語義含義的對象。其次，它可以處理帶有動態(tài)對象的場景并跟蹤對象運動。

但小伙伴要注意一點，并非所有OSLAM都是動態(tài)的，也不是所有動態(tài)SLAM系統(tǒng)都需要對象感知。SLAM ++?（CVPR 2013）完成了OSLAM的開創(chuàng)性工作，?但仍然需要一定的靜態(tài)場景。一些動態(tài)SLAM系統(tǒng)通過假設(shè)剛體以及速度恒定，來約束和改善姿態(tài)估計結(jié)果，但其中并沒有明確的對象概念。

動態(tài)對象SLAM的元素

DOS系統(tǒng)引入了對象的概念，這個概念具有以下幾個內(nèi)容。首先，需要從單個圖像幀中提取對象，就相當于常規(guī)SLAM系統(tǒng)中的關(guān)鍵點（例如ORB-SLAM中的ORB特征點）提取階段。該階段將給出2D或3D對象檢測結(jié)果。現(xiàn)階段單目3D對象檢測取得了很大進展。其次，它的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性更加復雜。靜態(tài)SLAM只關(guān)心圖像中的關(guān)鍵點，因此靜態(tài)SLAM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)只是關(guān)鍵幀特征向量的匹配。對于動態(tài)SLAM我們必須對幀中的關(guān)鍵點和對象之間執(zhí)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。第三，作為傳統(tǒng)SLAM中Bundle　Adjustment的拓展，我們必須為這個處理過程添加跟蹤對象（tracklet）和動態(tài)關(guān)鍵點，其次還可以利用運動模型中的速度約束。

我們制作了以下圖表來表示DOS的三個過程。綠色方框代表數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程，藍色方框代表BA過程，紅色方塊是BA調(diào)整的因子圖。

典型動態(tài)對象SLAM的處理過程

為什么需要對象檢測？

考慮到這三個基本過程，我們可以提出一個問題：為什么在SLAM中引入動態(tài)對象？首先，假定對象是具有固定形狀和大小的剛體。其次假定這些對象在物理上具有簡單且符合要求的運動模型，該模型最好可以隨時間推移進行一定的調(diào)整。因此，可以通過少量參數(shù)來描述對象大小和姿態(tài)變化。另一方面，對象的引入可以為BA調(diào)整階段提供更多的約束條件。這將提高SLAM系統(tǒng)的魯棒性。

接下來我們將介紹近些年來較為優(yōu)秀的論文，我們將介紹篇論文中上述的的三個基本過程。

CubeSLAM：單目3D對象SLAM（TRO 2019）

這篇文章可以說是DOS中最全面的了。cubeSLAM的主要貢獻之一就是巧妙地將長方體的大小和位置集成到因子圖優(yōu)化中，并使用運動模型來限制長方體的可能運動，優(yōu)化了物體的速度。在這種情況下，3D對象檢測和SLAM可以相互促進。對象為BA和深度初始化提供了幾何約束。除此之外它還增加了泛化功能，使orb slam可以在低紋理環(huán)境中工作。mono3D結(jié)果通過BA優(yōu)化，并通過運動模型進行約束。

對象提取

這篇文章將2D對象檢測和初級圖像特征點用于3D長方體的檢測和評分。看似簡單的方法對椅子和汽車的檢測都具有非常好的效果。但是基于深度學習的方法可以得到更加精確的結(jié)果。

長方體對象的生成和評分

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

如概述中所述，這篇文章在多個級別上執(zhí)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，包括點-點、點-對象和對象-對象。

點-點匹配：與標準ORB-SLAM方式相同，基于orb進行特征點匹配。對于不滿足對極約束的匹配點對，我們將其歸類于動態(tài)對象。對于動態(tài)關(guān)鍵點采用稀疏光流法（KLT光流）直接對它們進行跟蹤。完成跟蹤之后，使用三角測量確定動態(tài)關(guān)鍵點的3D位置。

點-對象匹配：對于靜態(tài)關(guān)鍵點，如果它們屬于同一邊界框，則它與該對象相關(guān)聯(lián)。這里會使用多種方法來確保匹配的正確性。例如，該點在連續(xù)2幀中必須處于同一個box內(nèi)，并且距長方體中心小于1米。并且框之間重疊區(qū)域中的特征點將被忽略。

對象-對象匹配：對象匹配通過關(guān)鍵點匹配間接完成。如果連續(xù)幀中的兩個對象共享最多的特征點（且超過10個），則將它們作為同一對象進行跟蹤。如果基于特征的匹配或KLT跟蹤失敗，則使用邊界框級別的可視對象跟蹤完成動態(tài)對象跟蹤。

對象感知以及BA

靜態(tài)關(guān)鍵點與攝像機位姿一起進行優(yōu)化，與ORB-SLAM一樣會存在攝像機點錯誤或重投影錯誤等問題。從每個幀中獲得對象最佳的3D位姿后，我們可以將其視為9DoF的3D“測量”，并確定BA問題。對于靜態(tài)對象，會存在以下幾種誤差。

3D相機對象誤差：跟蹤的地標對象具有6DoF姿態(tài)+ 3DoF長方體尺寸，可以將其與9DoF 3D測量結(jié)果進行比較，并形成第一個誤差項。

2D相機對象誤差：從3D測量中，我們可以將長方體的8個角投影到相機圖像中。這8個點的最小邊界框應(yīng)與每幀的2d檢測邊框一致。

我們要注意到，這種2D-3D一致的假設(shè)并不總是正確。但在大多數(shù)情況下，對于自動駕駛中車載攝像頭的典型情況（水平或略微向下看）來說，這種假設(shè)可以成立。

對象點誤差：對于與框架中相關(guān)的點，它應(yīng)基于長方體的中心和大小位于長方體內(nèi)。

對于動態(tài)對象，curbSLAM假定動態(tài)對象是遵循一定運動模型的剛體。這引入了兩個附加的誤差。

運動誤差：根據(jù)運動模型假設(shè)一段時間內(nèi)速度恒定，利用幀計算幀處的狀態(tài)。然后，與幀處觀察結(jié)果進行比較。請注意，這涉及為每個動態(tài)對象更新速度。

動態(tài)點誤差：如果點在動態(tài)對象上，則動態(tài)點與該對象的相對位置不會隨著時間發(fā)生改變。

cubeSLAM因子圖（綠色方塊是與動態(tài)對象相關(guān)的誤差）

效果

CubeSLAM有一些效果相當不錯的案例，比如對于KITTI動態(tài)場景中的某些形狀大小不變是3D物體進行檢測和跟蹤。然而，SLAM的結(jié)果可能并不總是最優(yōu)，因為使采用分段恒定運動假設(shè)，也可以在一定范圍內(nèi)估計動態(tài)物體的速度曲線。要注意我們在計算里程表（相機姿勢）時會考慮對象約束。

通過SLAM進行3D對象檢測、軌跡跟蹤以及速度估計

S3DOT：用于自動駕駛的基于立體視覺的語義3D對象和自我運動跟蹤（ECCV 2018）

這篇文章的研究雖然是基于立體聲視頻流的，但該框架可以擴展到單目SLAM中。這篇文章的主要貢獻是展示了利用視頻提取和跟蹤3D對象，而這些對象在單個圖像上很難檢測到。

S3DOT預測極端截斷的汽車姿態(tài)、預測一致的軌道并估計被跟蹤汽車的速度

對象提取

這種對象提取方式的靈感來自Deep3DBox。它利用物體檢測得到的2D邊界框和8個視點進行分類。它使用邊界框形狀尺寸來推斷物體距離。這種方法非常通用，可以在單目環(huán)境中使用。

2D框+視點= 3D邊界框

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

對象-對象匹配：跨幀的2D邊界框通過相似性評分投票進行匹配。在補償相機旋轉(zhuǎn)后，相似度評分將會考慮邊界框形狀相似度以及中心距離。

點-點匹配：關(guān)鍵點與對象輪廓（凸包由2D圖像中的8個投影角對接）內(nèi)的ORB特征點匹配，同時與靜態(tài)背景匹配。

點-對象匹配：沒有明確說明，但是當一個點在該對象的對象輪廓內(nèi)時，應(yīng)將其與該對象關(guān)聯(lián)。這是一種簡單的關(guān)聯(lián)策略。

對象感知以及BA

對象輪廓之外的關(guān)鍵點被視為靜態(tài)關(guān)鍵點。靜態(tài)關(guān)鍵點空間位置和攝像機位姿求解同ORB-SLAM一樣，通過優(yōu)化解決。獲得相機位姿（或運動）后，便可以解決了對象位姿問題。動態(tài)對象BA具有以下四個誤差項。

動態(tài)點（稀疏特征）誤差：剛性對象上的特征點在對象框架中具有固定坐標。

2D相機對象誤差：跟蹤對象的投影應(yīng)滿足2D測量結(jié)果。

對象尺寸一致性誤差：對象形狀在框架之間保持一致。這是cubeSLAM中3D 相機對象誤差的一部分。

運動誤差：預測的位姿應(yīng)該與圖像幀中的3D位置保持一致。通過運動學模型可以進行運動估計。它涉及車輛的3維位置，速度，轉(zhuǎn)向角。

動態(tài)點云對準誤差：在將上述誤差最小化之后，我們基于先驗尺寸獲得了物體姿態(tài)的MPA估計。為了糾正先驗中偏差，這里將3D長方體與跟蹤的點云對齊。

效果

S3DOT同樣也有不錯的效果，該結(jié)果可以在KITTI的動態(tài)場景中檢測和跟蹤3D對象。但是我們要注意，這里在計算相機姿勢時不會考慮對象約束。

ClusterVO：對移動實例進行聚類并估算自身和周圍環(huán)境的視覺里程計（CVPR 2020）

ClusterVO通過將對象表示為跟蹤的關(guān)鍵點（或本文中的地標）的群集，提出了一種更通用的動態(tài)SLAM算法。

ClusterVO的總體流程

對象提取

ClusterVO使用YOLOv3作為2D對象檢測器，為每個幀中的對象提出語義2D邊界框。它不對描述對象進行假定。因此，相較于上述兩篇文章沒有長方體的產(chǎn)生階段。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

ClusterVO數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法相當復雜，由兩大步驟組成。其一是多級概率關(guān)聯(lián)，即將觀察到的關(guān)鍵點與跟蹤的地標相關(guān)聯(lián)，并將邊界框與跟蹤的聚類相關(guān)聯(lián)。其二是異構(gòu)CRF，該CRF將跟蹤的地標與跟蹤的聚類相關(guān)聯(lián)。

點-點匹配：屬于多級概率。描述符匹配對于靜態(tài)關(guān)鍵點可能效果很好，但對于動態(tài)關(guān)鍵點的效果則可能很差。因此，首先以其預測每個群集的位置、速度（僅線性，無旋轉(zhuǎn)）。如果觀測點在經(jīng)過運動預測后地標的投影范圍內(nèi)，那么關(guān)鍵點觀察值與地標相關(guān)的概率與描述符相似度成正比。

對象-對象匹配：同樣屬于多級概率。如果邊界框m包含來自群集的最多投影點，則它將與該群集q（對象）相關(guān)聯(lián)。

點-對象匹配：這是最復雜的部分，并且使用了異構(gòu)條件隨機場（CRF）。它確定界標是否與聚類相關(guān)聯(lián)。它具有多個能量項。一元能量項包括2D能量（如果點在與群集關(guān)聯(lián)的邊界框內(nèi)，則它與該簇關(guān)聯(lián)的可能性很高。如果該點在多個邊界框內(nèi)，則可以分配給多個群集）、3D能量（一個點與簇相關(guān)的可能性更高，如果該點靠近簇的中心，則由簇的大小進行調(diào)制）和運動能量（地標的投影可以通過群集的運動來解釋）。如果成對標簽平滑度能量項與附近的地標相關(guān)聯(lián)，則會造成不利影響。

對象感知以及BA

在概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)之后，我們可以為靜態(tài)場景和動態(tài)聚類制定BA。這里使用專門設(shè)計的雙軌滑動窗口來管理關(guān)鍵幀。

相機點誤差：對于靜態(tài)場景，clusterVO與ORB-SLAM相似，可以同時優(yōu)化相機位姿和靜態(tài)關(guān)鍵點的位置。當clusterVO選擇滑動窗口狀態(tài)估計方法時，它還會增加一個附加的邊緣化項。此邊緣化項捕獲了觀測結(jié)果，由于滑動窗口的寬度有限，這些結(jié)果將被刪除。

運動誤差：運動方程預測得到的位姿應(yīng)該與從單個幀求解處的3D測量值一致。這里采用的運動模型通過高斯過程采樣得到，且這個運動模型具有加速度。

動態(tài)點誤差：clusterVO也具有動態(tài)點錯誤，類似于cubeSLAM和S3DOT。如果點在動態(tài)對象上，則其在動態(tài)對象中的相對位置將隨時間而固定。

效果

ClusterVO是一種更通用的DOS方法。從KITTI動態(tài)場景的結(jié)果來看，用長方體近似得到的的結(jié)果質(zhì)量不如ClusterVO。對于自動駕駛，CubeSLAM和S3DOT似乎更實用。我們還要注意，優(yōu)化里程計（相機位姿）時會考慮對象約束。

MoMoSLAM：用于動態(tài)環(huán)境的多對象單目SLAM（IV 2020）

“多體單目SLAM”的概念似乎來自“ 多體SfM ”，但其本質(zhì)上與動態(tài)對象SLAM具有相同的含義。

對象提取

MoMoSLAM使用了非常復雜但準確的3D對象提取過程。使用形狀先驗和關(guān)鍵點將2D檢測提升為3D形狀。首先檢測車輛可區(qū)分特征上的36個有序關(guān)鍵點，并檢測一系列基本形狀的變形系數(shù)。然后，通過最小化重投影誤差將2D檢測提升為3D，以獲得6個DoF姿態(tài)和形狀參數(shù)。這種方法與RoI -10D（CVPR 2019）非常相似。

從2D關(guān)鍵點到3D形狀

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

點-點匹配：基于描述符特征的關(guān)鍵點匹配，類似于ORB-SLAM。

對象-對象匹配：本文沒有明確提及，但對象與對象之間的匹配是必須的，任何2D對象跟蹤方法都可以使用。

點-對象匹配：未使用，通過檢測每個幀中每個對象的語義關(guān)鍵點來間接完成。

對象感知以及BA

相機-對象姿態(tài)圖和循環(huán)一致性

MoMoSLAM使用了不同的優(yōu)化公式。如上所述，MoMoSLAM沒有指定每個誤差項并使它們最小化，而是對位姿圖中創(chuàng)建的每個循環(huán)強制執(zhí)行一致性處理。但從本質(zhì)上講，這應(yīng)等效于平方誤差的最小化。

相機點誤差：與ORB-SLAM相同。由于單眼圖像的比例尺模糊，因此里程表按比例縮放。使用反透視映射（IPM）對地面區(qū)域進行語義分割并在該區(qū)域中進行特征點匹配，以估計3D深度，以此固定比例因子，并用于里程計中。

MoMoSLAM的公制里程估算

多對象姿態(tài)圖循環(huán)一致性誤差：姿態(tài)圖中的節(jié)點為估計，姿態(tài)圖中的邊為度量。相機-相機邊緣是通過公制標度里程限制的。攝像機車輛的邊緣通過2D到3D單幀提升來約束。車輛邊緣通過兩種不同的3D深度估算方法（IPM與2D到3D提升）進行約束。但這里沒有顯式運動模型。

我覺得周期一致性存在人為的影響，尤其是車輛邊緣。添加一個錯誤項以優(yōu)化IPM并提升2D到3D之間的距離估計一致性會更加直接。

效果

MoMoSLAM在固定單目度量標準的情況效果較好。這里在計算測距（相機姿勢）時不會考慮對象約束。

總結(jié)

DOS將對象檢測和跟蹤功能添加到3D SLAM中，并將對象的位姿和大小添加到后端優(yōu)化中。

CubeSLAM和ClusterVO共同優(yōu)化了相機姿態(tài)和物體姿態(tài)。恒定的對象大小和剛體運動作為附加約束可用于圖優(yōu)化。這將有助于在特征點較少的環(huán)境中計算相機姿態(tài)。相比之下，S3DOT和MoMoSLAM將在ORB-SLAM失敗的情況下失敗，因為它們依賴ORB-SLAM進行相機姿態(tài)計算。

CubeSLAM和S3DOT將對象視為長方體，在自動駕駛中更為實用。盡管ClusterVO非常通用，但是它并沒有運用先驗知識，因此缺乏在3D對象檢測中實現(xiàn)SOTA性能的潛力。

當無法獲取全球位置信息時，CubeSLAM似乎是在自動駕駛中執(zhí)行VIO的很好的選擇。

編輯：黃飛

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