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基于RGB-D的SLAM定位与GPU三维建图方法研究1
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2022-08-03
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摘要I1 绪论 11.1 研究背景及意义 11.2 SLAM 问题概述 21.3 基于 RGB-D 相机的 SLAM 方法研究现状 21.4 本文主要工作 42
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专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文
基于 RGB-D 的 SLAM 定位与 GPU 三维建图
方法研究
Research on SLAM Location and GPU 3D Mapping Method
Based on RGB-D
作 者 姓 名: 王 振 龙
工 程 领 域: 软 件 工 程
学 号: 31617067
指 导 教 师: 周宽久 教授
完 成 日 期: 2018 年 3 月 25 日
大连理工大学
Dalian University of Technology
万方数据
大连理工大学学位论文独创性声明
作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工
作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本
论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学
位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均
已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。
学位论文题目:
作 者 签 名 : 日期: 年 月 日
万方数据
大连理工大学专业学位硕士学位论文
- I -
摘 要
传统传感器的 SLAM 一般需要在环境放置识别标志,基于视觉的 SLAM 系统可以
在不改变环境的情况下实现定位与建图需求,并且更加灵活多变,适应复杂环境。但是
基于视觉的 SLAM 系统在处理传感器的图片信息和进行三维建模时会消耗大量的算力,
很难在保证实时性的同时保证准确性。
而本文正是在此基础上提出了一个采用 RBG-D 图像序列的同步定位与三维建图方
法,在系统的实时性和系统的准确性方面也进行了相关算法的比较分析与优化选择。本
文可分为基于特征的视觉里程计设计和拓扑图优化的 GPU 三维建图。其一,对相邻的
两张 RGB-D图像使用 ORB特征提取算法进行特征提取,特征匹配算法使用的是 FLAAN,
可以进行特征匹配,使用基于距离筛选的策略和 RANSAC 算法进行特征点匹配对的筛
选优化,最后使用 PNP 计算相机位姿。当输入 RGB-D 图像序列时,则可以实时输出相
机位姿。其二,根据上一部分中的相机位姿,采用拓扑图存储相机运动信息,使用闭环
检测优化的方式减小相机移动过程中产生的累积误差,同时根据相机移动距离和相机方
向来筛选关键帧减小点云噪声。
最后使用 GPU 加速点云间坐标转换,然后将点云图转换为八叉树地图用以存储以
定位需求。八叉树地图是一种基于概率估计的三维地图,可以大大缩小地图的存储空间。
经过试验,本文所设计的系统能够满足同步定位和地图创建的实时性需求和精确性需求,
使用 GPU 对三维建模的速度有很大提升。
关键词:RGB-D;特征检测;八叉树;SLAM
万方数据
基于 RGB-D 的 SLAM 定位与 GPU 三维建图方法研究
- II -
Research on SLAM Location and GPU 3D Mapping Method Based on
RGB-D
Abstract
The traditional sensor's SLAM usually needs to place identification marks in the
environment. The vision based SLAM system can realize the requirement of positioning and
mapping without changing the environment, and is more flexible and adaptable to the complex
environment. But the visual based SLAM system will consume a lot of computing power when
dealing with the image information of the sensor and modeling the 3D modeling. It is difficult
to ensure the accuracy while ensuring the real-time.
On the basis of this, this thesis puts forward a method of synchronous positioning and 3D
mapping using RBG-D image sequence. It also makes comparative analysis and Optimization
on the real-time and system accuracy of the system. This thesis can be divided into the features
of visual odometry based design and topology optimization of GPU 3D mapping. First, two
adjacent RGB-D images are extracted by ORB feature extraction algorithm, and the feature
matching algorithm is FLAAN, which can match the feature. The distance selection strategy
and RANSAC algorithm are used to optimize the matching of feature points. Finally, PNP is
used to calculate the position and posture of the camera. When the RGB-D image sequence is
input, the position and posture of the camera can be output in real time. Secondly, according to
the position and posture of the camera in the previous part, the motion information of the camera
is stored by the topology graph, and the cumulative error generated in the camera movement is
reduced by the closed loop detection optimization. At the same time, the camera moving
distance and the camera direction are used to screen the key frame to reduce the cloud noise.
Finally, we use GPU to accelerate point cloud coordinate transformation, and then convert
point cloud to octree map to store location requirements. Octree map is a 3D map based on
probability estimation, which can greatly reduce the storage space of map. The system designed
in this thesis can meet the real-time requirements and precision requirements of synchronous
positioning and map creation, and the speed of 3D modeling is greatly improved by using GPU.
Key Words:RGB-D; Feature Detection; Octree; SLAM
万方数据
大连理工大学专业学位硕士学位论文
- III -
目 录
摘 要 ............................................................................................................................. I
Abstract ............................................................................................................................. II
1 绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1 研究背景及意义 ............................................................................................... 1
1.2 SLAM 问题概述 ............................................................................................... 2
1.3 基于 RGB-D 相机的 SLAM 方法研究现状 ................................................... 2
1.4 本文主要工作 ................................................................................................... 4
2 SLAM 系统的相关技术综述 ...................................................................................... 6
2.1 相机成像模型 ................................................................................................... 6
2.1.1 针孔成像模型 ........................................................................................ 6
2.1.2 坐标系变换关系 .................................................................................... 6
2.2 相机标定 ........................................................................................................... 9
2.2.1 相机内参与畸变参数 ............................................................................ 9
2.2.2 相机的标定方法与意义 ...................................................................... 10
2.3 3D 空间位置表示 ........................................................................................... 11
2.3.1 2D 姿态描述 ........................................................................................ 11
2.3.2 3D 变换 ................................................................................................ 12
2.4 三维地图 ......................................................................................................... 16
2.4.1 点云图 .................................................................................................. 16
2.4.2 八叉树地图 .......................................................................................... 17
3 基于图像特征的视觉 SLAM 设计 ........................................................................... 20
3.1 图像特征检测与描述子获取 ......................................................................... 20
3.1.1 SIFT 算法 ............................................................................................. 20
3.1.2 SURF 算法 ........................................................................................... 20
3.1.3 ORB 算法 ............................................................................................. 21
3.1.4 三种方案实验比较 .............................................................................. 23
3.2 图像匹配算法 ................................................................................................. 25
3.2.1 FLANN 算法 ........................................................................................ 25
3.2.2 BF 算法 ................................................................................................ 25
3.2.3 两种匹配算法实验比较及改进方法 .................................................. 25
3.3 基于方向的距离筛选策略 ............................................................................. 27
万方数据
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