基于ORB-SLAM2系统的快速误匹配剔除算法与地图构建

针对ORB-SLAM2系统中随机抽样一致（RANSAC）算法在误匹配剔除时因其算法本身的随机性而导致效率较低的问题和在ORB-SLAM2系统里未能构建稠密点云地图的问题,采用渐进一致采样（PROSAC）算法来改进ORB-SLAM2系统中的误匹配剔除,并在系统中添加稠密点云地图和八叉树地图构建线程。首先,与RANSAC算法相比,PROSAC算法依据评价函数对特征点进行预排序,并选取评价质量较高的特征点求解单应性矩阵,根据单应性矩阵的解与匹配误差阈值进行误匹配剔除;然后,根据ORB-SLAM2系统进行相机的位姿估计与重定位;最后,根据所选关键帧进行稠密点云地图与八叉树地图的构建。根据TUM数据集上的实验结果,PROSAC算法在进行相同图像的误匹配剔除时所用时间是RANSAC算法的50%左右,并且所提系统的绝对轨迹误差与相对位姿误差与ORB-SLAM2系统基本一致,表现出良好的鲁棒性;另外,与稀疏点云地图相比,提出的新构建地图可以直接用于机器人的导航与路径规划。     

基于ORB-SLAM2系统的快速误匹配剔除算法与地图构建

针对ORB-SLAM2系统中随机抽样一致（RANSAC）算法在误匹配剔除时因其算法本身的随机性而导致效率较低的问题和在ORB-SLAM2系统里未能构建稠密点云地图的问题，采用渐进一致采样（PROSAC）算法来改进ORB-SLAM2系统中的误匹配剔除，并在系统中添加稠密点云地图和八叉树地图构建线程。首先，与RANSAC算法相比，PROSAC算法依据评价函数对特征点进行预排序，并选取评价质量较高的特征点求解单应性矩阵，根据单应性矩阵的解与匹配误差阈值进行误匹配剔除；然后，根据ORB-SLAM2系统进行相机的位姿估计与重定位；最后，根据所选关键帧进行稠密点云地图与八叉树地图的构建。根据TUM数据集上的实验结果，PROSAC算法在进行相同图像的误匹配剔除时所用时间是RANSAC算法的50%左右，并且所提系统的绝对轨迹误差与相对位姿误差与ORB-SLAM2系统基本一致，表现出良好的鲁棒性；另外，与稀疏点云地图相比，提出的新构建地图可以直接用于机器人的导航与路径规划。     

基于目标检测的室内动态场景定位与建图

针对室内场景中动态对象严重影响相机位姿估计准确性的问题,提出一种基于目标检测的室内动态场景同步定位与地图构建（SLAM）系统。当相机捕获图像后,首先,利用YOLOv4目标检测网络检测环境中的动态对象,并生成对应边界框的掩膜区域;然后,提取图像中的ORB特征点,并将掩膜区域内部的特征点剔除掉;同时结合GMS算法进一步剔除误匹配,并仅利用剩余静态特征点来估计相机位姿;最后,完成滤除动态对象的静态稠密点云地图和八叉树地图的构建。在TUM RGB-D公开数据集上进行的多次对比测试的结果表明,相对于ORB-SLAM2系统、GCNv2_SLAM系统和YOLOv4+ORB-SLAM2系统,所提系统在绝对轨迹误差（ATE）和相对位姿误差（RPE）上有明显的降低,说明该系统能够显著提高室内动态环境中相机位姿估计的准确性。     

基于改进ORB特征点的LK光流算法

针对传统ORB特征点匹配准确率低和在光流算法中跟踪特性差的问题,提出了一种基于改进ORB特征点的LK光流算法。首先结合FAST特征点和rBRIEF特征描述符计算出ORB特征点;然后结合SURF算法在特征提取步骤中构建的Hessian矩阵对ORB特征点进行再提取;最后对改进ORB特征点进行特征匹配测试和LK光流跟踪测试。实验结果表明,相较于传统ORB特征点,改进ORB特征点的特征匹配准确率平均提升20.96%,LK光流跟踪成功率平均提升19.73%。本文提出的改进ORB特征点不仅拥有更好的特征匹配效果,同时具有更好的跟踪特性。     

一种改进的Qtree_ORB算法

在视觉SLAM中,特征点的提取和准确的特征匹配对机器人的位姿推断具有重要作用。针对传统ORB算法特征点分布不均匀,容易出现簇集的问题和Qtree_ORB算法特征点过均匀等问题,提出了一种基于四叉树改进的ORB特征提取算法。对每层图像金字塔进行自适应网格划分,采用自适应阈值来进行特征点提取;根据每层图像金字塔所提取特征点数目对四叉树的划分深度进行限制,减少冗余特征点;设定最小阈值来减少低质量特征点的提取;在Mikolajczyk数据集上对改进算法的均匀度和匹配性能进行测试,在TUM数据集上对改进算法在ORB-SALM2系统中的精度进行测试。结果表明改进算法能够有效提高其均匀度,并且保持着较高的匹配精度;在ORB-SLAM2测试中,改进算法能有效改进SLAM系统的轨迹精度和漂移程度。     

基于改进ORB特征的单目视觉SLAM算法

单目视觉SLAM算法容易受场景纹理影响出现初始化失败或者相机轨迹漂移的问题.为此,提出一种基于改进ORB特征的单目视觉SLAM算法.对输入视频帧构建高斯金字塔提取FAST特征,综合考虑特征点的灰度信息与其邻域的梯度信息生成描述子,并采用多网格策略划分特征点邻域,凭借改进的特征点降低运动模型算法的迭代次数,达到较好的时间效率.实验表明,该算法的相机轨迹精度与特征匹配精度相较于ORB-SLAM得到有效提高,并且能很好地适应多种纹理特殊场景.     

自适应窗隔匹配与深度学习相结合的RGB-D SLAM算法

在动态场景的SLAM系统中,传统的特征点法视觉SLAM系统易受动态物体的影响,使得图像前后两帧的动态物体区域出现大量的误匹配,导致机器人定位精度不高。为此,提出一种结合自适应窗隔匹配模型与深度学习算法的动态场景RGB-D SLAM算法。构建基于自适应窗隔匹配模型的视觉SLAM前端算法框架,该框架筛选图像帧后采用基于网格的概率运动统计方式实现匹配点筛选,以获得静态区域的特征匹配点对,然后使用恒速度模型或参考帧模型实现位姿估计。利用深度学习算法Mask R-CNN提供的语义信息进行动态场景的静态三维稠密地图构建。在TUM数据集和实际环境中进行算法性能验证,结果表明,该算法在动态场景下的定位精度和跟踪速度均优于ORB-SLAM2及DynaSLAM系统,在全长为6.62 m的高动态场景中定位精度可达1.475 cm,平均跟踪时间为0.024 s。     

动态环境下基于深度学习的语义SLAM算法

针对应用场景中存在的运动物体会降低视觉同步定位与地图构建（SLAM）系统的定位精度和鲁棒性的问题,提出一种基于语义信息的动态环境下的视觉SLAM算法。首先,将传统视觉SLAM前端与YOLOv4目标检测算法相结合,在对输入图像进行ORB特征提取的同时,对该图像进行语义分割;然后,判断目标类型以获得动态目标在图像中的区域,剔除分布在动态物体上的特征点;最后,使用处理后的特征点与相邻帧进行帧间匹配来求解相机位姿。实验采用TUM数据集进行测试,测试结果表明,所提算法相较于ORB-SLAM2在高动态环境下在位姿估计精度上提升了96.78%,同时该算法的跟踪线程处理一帧的平均耗时为0.065 5 s,相较于其他应用在动态环境下的SLAM算法耗时最短。实验结果表明,所提算法能够实现在动态环境中的实时精确定位与建图。     

改进人工鱼群的ORB特征匹配算法

针对室内轮椅定位与地图构建中传统ORB（oriented FAST and rotated BRIEF）受到特征点检测与选取策略的影响导致特征匹配正确率不理想,提出一种改进人工鱼群的ORB特征匹配算法。使用改进后的FAST检测特征点,利用改进后的人工鱼群在组合优化问题中具有收敛速度快且易获得最优解的特点,在图像中计算出不同特征区域,根据特征点所在区域位置赋予其相应的状态,对不同状态的特征点选择保留或去除,使用汉明距离的RANSAC算法在特征区域之间进行特征匹配。实验结果表明,改进后的FAST在图像边缘处提取到更多的图像特征,在实际环境中改进后的ORB匹配算法平均正确匹配率达到了92.7%,比传统ORB平均正确匹配率高52.3%。     

基于改进网格运动统计特征的图像匹配算法

为了解决尺度不变特征变换（SIFT）算法在图像匹配中匹配正确率低、耗时长等问题，提出一种基于改进网格运动统计特征RANSAC-GMS的图像匹配算法。首先，利用快速旋转不变性特征（ORB）算法对图像进行预匹配，对预匹配的特征点采用网格运动统计（GMS）来支持估计量以实现正确匹配点与错误匹配点的区分；然后，采用改进的随机抽样一致性（RANSAC）算法通过匹配点间的距离相似性对特征点进行筛选，并采用评价函数对筛选后的新数据集进行重新整理，进而实现对误匹配点的剔除。采用Oxford标准图库和现实中拍摄的图像对图像匹配算法进行测试对比，实验结果表明，所提算法在图像匹配中的平均匹配正确率达到91%以上；与GMS、SIFT、ORB等算法相比，该改进算法的近景匹配正确率和远景匹配正确率分别最少提高了16.15个百分点和3.56个百分点，说明它能有效剔除误匹配点，进一步提高图像匹配精度。     

融合GMS与VCS+GC-RANSAC的图像配准算法

针对当前图像配准算法配准时间过长、配准正确率低等问题,提出一种基于网格运动统计（GMS）、矢量系数相似度（VCS）与图割随机抽样一致性（GC-RANSAC）的图像配准算法。首先,通过ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）算法对图像进行特征点提取,并对特征点进行暴力匹配。之后,通过GMS算法对图像中的粗匹配特征点进行网格划分,利用网格中正确匹配点邻域内具有较高特征支持量的原理对粗匹配对进行筛选;并引入图像匹配对在进行矢量运算时VCS不超过某一设定阈值的原理对匹配对进行部分剔除,以利于算法后期的快速收敛。最后,运用GC-RANSAC算法进行局部最优模型拟合,得到精匹配特征点集,实现高精度的图像配准和拼接。通过与ASIFT+RANSAC、GMS、AKAZE+RANSAC、GMS+GC-RANSAC等算法对比,实验结果表明,该算法在平均匹配精度上提高了30.34%,平均匹配时间缩短0.54 s。     

图形相似性匹配在多机器人地图中的应用

在多机器人同时定位与地图创建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）协同工作下,要求融合各机器人的特征子地图形成单一的公共地图,利用三角形相似性原理,实现SLAM定位中各机器人子地图的相互匹配。在机器人创建的地图中,依据路标位置相关的特征组成最小三角形,并通过三角形相似性原理对各机器人创建子地图进行相似性匹配,并记录相似三角形对应点匹配次数,最后彼此匹配次数最多的对应路标即为相关联的路标对。实验结果表明该方法是有效的,且鲁棒性强。     

一种结合光流追踪的双目视觉里程计算法

针对特征点法视觉里程计频繁计算和匹配描述子导致系统实时性能变差的问题,提出一种结合光流追踪的双目视觉里程计算法;首先进行初始化,生成初始的关键帧和地图点,随后在追踪线程中使用光流追踪特征点获取匹配关系,计算并优化相机位姿;满足生成关键帧的条件后,将当前帧设置为关键帧,提取图像的ORB特征点,并使用描述子匹配获取与上一关键帧特征点的匹配关系,三角化生成新的地图点;最后在优化线程中将新的关键帧和地图点使用滑动窗口算法进行优化,剔除冗余关键帧和地图点;在KITTI数据集上的实验结果表明,所提出的算法轨迹误差与双目模式下的ORB-SLAM3算法处于同一水平,同时实时性能有大幅度提高,追踪每一帧图像的平均时间从52ms降至16ms,在保证高精度的情况下运行速度大大提高,具有较高的实用价值.     

基于SURF特征提取的遥感图像自动配准

基于SURF（Speeded UpRobust Features）特征点提取是目前比较流行的图像配准方法．本文在SURF基础上,提出一种基于分块策略的改进方法：首先采用分水岭分割法确定图像的分块数量,然后对图像进行分块,每个子块提取一定数量的特征点,以便实现特征点的均匀提取;再通过稀疏特征树法找出匹配的特征点对;最后用RANSAC算法剔除错误匹配特征点对,同时计算参考图像与待配准图像的变换关系．实验表明,该方法能够高效、快速地解决遥感图像的自动配准问题．     

基于改进关键帧选择的ORB-SLAM3算法

针对视觉同时定位与地图构建（VSLAM）领域关键帧选择方法多为启发式阈值的方式,容易存在定位精度不高等问题,提出了基于改进关键帧选择的ORB-SLAM3算法。该算法从考虑关键帧质量出发,采用如下三个标准代替ORB-SLAM3中启发式阈值方式,首先是基于几何约束的自适应关键帧阈值,确保特征点数量充足;其次是基于图像质心原理的分布标准,确保特征点分布均匀;最后是惯性测量单元（IMU）加速度状态观测。在EuRoC数据集下的实验结果表明,所改进的算法在不使用启发式阈值的情况下,单目惯性模式下将ORB-SLAM3定位精度提高了9%,双目惯性模式下定位精度提高了6%,表现出更好的鲁棒性和构图能力。     

基于网格运动统计算法和最佳缝合线的密集重复结构图像快速拼接方法

针对常用的图像拼接算法对具有密集重复结构的图像会产生大量误匹配点从而出现明显鬼影且耗时较长的问题,将网格运动统计（GMS）算法与最佳缝合线算法相结合,提出了一种密集重复结构的图像快速拼接方法。首先,在图像的重叠区域提取大量粗匹配点;接着,采用GMS算法进行精匹配,然后在此基础上估计变换模型;最后,采用基于动态规划思想的最佳缝合线算法完成图像拼接。实验结果表明,将所提算法应用于两组具有密集重复结构的图像上,不仅可以有效消除鬼影,得到理想的拼接效果,而且显著减少了拼接时间;平均拼接速度分别是传统尺度不变特征变换（SIFT）和加速稳健特征（SURF）算法的7.4倍和3.2倍,分别是结合区域分块的SIFT算法和SURF算法的4.1倍和1.4倍。所提算法能够有效地消除密集重复结构拼接时的鬼影,同时缩短了拼接时间。