动态场景位姿估计与建图鲁棒性分析

本文探讨了在使用SFM或SLAM时,如何处理动态场景中的运动目标,以提高位姿估计和场景重建的准确性。重点介绍了无监督视频目标分割方法MATNet、AMCNet和TMO,并提出基于深度和位姿warp校验的Dyna-DM算法,用于动态对象感知的自我监督单目深度映射,增强了算法的鲁棒性。

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1. 概述

使用SFM或者SLAM方法时,其前提假设是所处场景为静态的,也就是其中没有运动的物体。但这样的条件其实在实际中很多时候是不成立的,如道路场景,对此需要一种方法将场景中运动的目标从场景中区分出来。通常情况下会使用如语义分割或是实例分割的形式,抽取场景中固定目标的掩膜,之后从SFM方法中排除出去,从而避免这些运动目标给位姿估计和场景重建带来影响。但是这样的方法存在无法区分真实运动目标的能力,也就是对于属于具备行动能力,如车、人,也会存在静止的情况,一股脑直接从算法中排除出去也不具有合理性。而且语义分割和实例分割需要预先假定可移动目标的类别,不在这些类别中的运动物体是无法被探测到的。

对此,经过一些调研发现无监督视频目标分割(Unsupervised video object segmentation)与所期望的需求由一定关联性,在该类型方法也需要去分析视频数据中的主要运动目标,之后使用mask的形式进行描述,这与期望的效果一致。不过上述无监督视频目标分割在训练的过程中也并不是完全无监督的形式,也需要认为去确定需要分割的mask,这一点上与显著性目标分割有点类似,而运动信息(光流)就显得不是那么至关重要了。不过不管怎么说该类型方法也算是为解决运动目标问题提供一些思考

此时(03.18.2023)暂就对无监督视频目标分割的一些方法研究,后续对场景中运动目标处理的方法或思路也将在这里进行更新。


03.20.2023更新:
对于运动的物体其属性是不满足相机位姿约束的,也就是在给定的深度值和位姿,经过warp变换之后运动目标的mask与真实图像运动目标的mask是存在

<think>好的,用户想了解或实现相机位姿估计中的ICP算法。首先,我需要明确ICP在计算机视觉中的作用。ICP,即迭代最近点算法,主要用于点云配准,通过最小化两点云之间的距离来估计刚体变换,比如相机的姿变化。 接下来,我得回忆ICP的基本步骤:找对应点、计算变换矩阵、应用变换并迭代。可能需要详细解释每一步的具体操作,比如如何选择最近点,如何用SVD分解求解旋转和平移矩阵。 然后,用户可能关心如何将ICP应用到相机位姿估计中。通常,这需要两帧的点云数据,通过配准得到两帧之间的变换矩阵,即相机的相对姿。这里要注意点云的来源,比如RGB-D相机获取的深度生成点云,或者通过特征点匹配生成的3D点对。 用户可能需要具体的实现步骤或代码示例。Python示例代码会很有帮助,但要注意正确使用numpy进行矩阵运算,并展示如何迭代优化。同时,要指出ICP的局限性,比如依赖初始估计、容易陷入局部最优,以及对应的改进方法如点到面距离、颜色信息融合等。 还需要考虑相关的问题,比如ICP其他算法(如PnP)的区别,如何加速ICP,处理动态物体等。这些可以作为相关问题部分的内容,帮助用户进一步学习。 在引用资料方面,检查已有的引用内容,看是否有相关文献支持。例如,引用[1]提到了实时相机位姿估计,引用[4]讨论了6DoF姿态估计网络,可能ICP的应用场景或改进方法有关联,可以适当引用。 最后,确保回答结构清晰,符合用户的要求:使用正确的中文,LaTeX格式的数学公式,代码块用正确语法,相关问题部分覆盖常见疑问点。同时,语言要简洁,避免技术术语过多,但保持准确性。</think>### 相机位姿估计中的ICP算法 在计算机视觉中,**迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法**是用于点云配准的核心方法,通过最小化两个点云之间的距离来估计刚体变换(旋转矩阵$R$和平移向量$t$),进而实现相机位姿估计[^1]。 #### ICP算法步骤 1. **输入**: - 源点云$P = \{p_i\}$(当前帧) - 目标点云$Q = \{q_j\}$(参考帧) 2. **迭代过程**: - **步骤1:最近邻匹配** 对每个$p_i$,在$Q$中找到最近邻点$q_j$(通常通过KD树加速)。 - **步骤2:变换估计** 通过最小化对应点距离求解最优刚体变换$(R, t)$: $$ \min_{R,t} \sum_{i} ||R \cdot p_i + t - q_j||^2 $$ 通常使用**奇异值分解(SVD)**求解: - 计算质心:$\mu_p = \frac{1}{N}\sum p_i$,$\mu_q = \frac{1}{N}\sum q_j$ - 协方差矩阵:$H = \sum (p_i - \mu_p)(q_j - \mu_q)^T$ - 对$H$进行SVD分解:$H = U \Sigma V^T$,则$R = V U^T$,$t = \mu_q - R \mu_p$ - **步骤3:应用变换** 更新$P$:$P' = R \cdot P + t$ - **步骤4:收敛判断** 若误差变化小于阈值或达到最大迭代次数,停止迭代。 #### 实现示例(Python伪代码) ```python import numpy as np def icp(source, target, max_iter=50, tolerance=1e-5): R = np.eye(3) # 初始旋转矩阵 t = np.zeros(3) # 初始平移向量 prev_error = 0 for _ in range(max_iter): # 1. 最近邻匹配(需KD树优化) correspondences = [find_nearest_neighbor(p, target) for p in source] # 2. 计算变换 H = np.sum([np.outer((p - mu_p), (q - mu_q)) for p, q in correspondences], axis=0) U, _, Vt = np.linalg.svd(H) R_new = Vt.T @ U.T if np.linalg.det(R_new) < 0: Vt[-1,:] *= -1 R_new = Vt.T @ U.T t_new = mu_q - R_new @ mu_p # 3. 更新变换 source = (R_new @ source.T).T + t_new R = R_new @ R t = R_new @ t + t_new # 4. 检查收敛 error = np.mean([np.linalg.norm(p - q) for p, q in correspondences]) if abs(prev_error - error) < tolerance: break prev_error = error return R, t ``` #### 关键改进挑战 1. **加速匹配**:使用KD树或近似最近邻(ANN)优化搜索效率[^2]。 2. **鲁棒性增强**: - **剔除异常值**:RANSAC或基于距离阈值的过滤。 - **点到面距离**:优化点到局部平面的距离而非点到点[^4]。 3. **初始值依赖**:需结合其他方法(如PnP)提供初始位姿估计。 #### 应用场景 - **SLAM系统**:实时定(如RGB-D SLAM) - **3D重**:多视角点云对齐 - **自动驾驶**:LiDAR点云配准
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