SLAM后端:位姿图优化(Pose Graph)

BA优化时间跟特征点数量有关,特征点数量越多BA消耗时间越长。折衷做法是,在进行几次优化后,将特征点位置固定,不再优化特征点,只优化相机位姿。位姿图优化是一中方法。场景如下:

                                   

三角形节点表示相机位姿,用[\xi _1,\xi_2,\xi_3,...]表示,蓝色的边表示两相机位姿之间的相对运动,\Delta \xi _{ij}表示\xi _i,\xi _j之间的相对运动之间的相对位姿变化。图优化的目的是为了优化[\xi _1,\xi_2,\xi_3,...],方法是利用\Delta \xi _{ij}\xi _i,\xi _j之间的相对运动之间的相对关系构建最小二乘问题进行优化求解。

首先根据两帧的位姿可以得到相对位姿变换:

                                                                             \Delta \xi _{ij}^{'} = \xi_i^{-1}\circ \xi _j

李群表达式:

                                                                               T_{ij}^{'} = T_{i}^{-1}T_{j}

实际的\Delta \xi _{ij},即T_{ij}值根据i,j两帧图像利用2D-2D(对极几何)得到。优化的目的就是让

                                                                       min e_{ij}=min(T_{ij}-T_{ij}^{'} )

可以写成:

                    e_{ij}=ln(T_{ij}^{-1}T_{ij}^{'})^{\vee } = ln(T_{ij}^{-1}T_{i}^{-1}T_{j})^{\vee }=ln(exp((-\xi_{ij} )^{\wedge })exp((-\xi_{i} )^{\wedge })exp((\xi_{j} )^{\wedge }))^{\vee }

求解该优化问题一般采用LM法,需要计算偏导数并求解H,以通过增量方程H\Delta x=g求解优化量。

\xi_i,\xi_j分别左乘以一个扰动\delta \xi_i,\delta \xi_j

                                               e_{ij} = ln(T_{ij}^{-1}T_{i}^{-1}exp(-(\delta \xi_i)^{\wedge} )exp(\delta\xi_j)^{\wedge }T_{j})^{\vee }

套用伴随性质(附在后文)得到:

                                  e_{ij} = ln(T_{ij}^{-1}T_{i}^{-1}T_{j}exp(-(Ad(T_i^{-1})\delta \xi_i)^{\wedge} )exp(Ad(T_j^{-1})\delta\xi_j)^{\wedge })^{\vee }

泰勒展开合并得到:

                                    \hat{e_{ij}} = ln(T_{ij}^{-1}T_{i}^{-1}T_{j}(I-(Ad(T_j^{-1})\delta \xi_i)^{\wedge} + (Ad(T_j^{-1})\delta\xi_j))^{\wedge }))^{\vee }=e_{ij}+\frac{\partial e_{ij}}{\partial \delta\xi_i}\delta\xi_i+\frac{\partial e_{ij}}{\partial \delta\xi_j}\delta\xi_j

T_i,T_j的偏导数如下:

                                                                 \\ \frac{\partial e_{ij}}{\partial \delta\xi_i}=-J_r^{-1}(e_{ij})Ad(T_j^{-1})\\ \frac{\partial e_{ij}}{\partial \delta\xi_j}=J_r^{-1}(e_{ij})Ad(T_j^{-1})

得到偏导数即可求解增量方程解决优化问题。

伴随性质:

旋转群伴随性质:

                                                                    Rexp(p^{\wedge })R^{T}=exp((Rp)^{\wedge})

变换群伴随性质:

                                                               Texp(\xi^{\wedge})T^{-1}=exp((Ad(T)\xi)^{\wedge})

其中:

                                                                          Ad(T) = \left [ \begin{matrix} R & t^{\wedge}R \\ 0 & R \\ \end{matrix} \right ]

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