ORB-SLAM2学习笔记7之System主类和多线程

文章目录

  • 0 引言
  • 1 整体框架
    • 1.1 整体流程
  • 2 System主类
    • 2.1 成员函数
    • 2.2 成员变量
  • 3 多线程
    • 3.1 ORB-SLAM2中的多线程
    • 3.2 加锁

0 引言

ORB-SLAM2是一种基于特征的视觉SLAMSimultaneous Localization and Mapping)系统,它能够从单个、双目或RBGD相机的输入中实时地同时定位相机的位置,并构建环境的三维地图。ORB-SLAM2是在ORB-SLAM的基础上进行改进和扩展的版本。

本文主要对ORB-SLAM2的整体框架,System主类和多线程进行学习和总结,如有理解错误,欢迎指正交流。

1 整体框架

1.1 整体流程

ORB-SLAM2整体框架如下图,主要流程可以概括为以下几个步骤:

请添加图片描述

  1. 特征提取和匹配ORB-SLAM2首先对输入的图像进行特征提取,通常使用Oriented FAST and Rotated BRIEF (ORB)算法来检测和描述图像中的特征点。然后,它使用特征描述子进行特征匹配,以在连续帧之间建立对应关系。

  2. 初始化:初始化阶段是在初始帧上建立初始地图并估计相机的初始位姿。ORB-SLAM2使用基于单目、双目或RGB-D输入的不同方法来进行初始化。在单目或双目情况下,可以使用基于运动的方法或基于平面的方法来估计相机的初始位姿。在RGB-D情况下,可以通过三角测量来估计初始位姿。

  3. 跟踪:跟踪阶段是ORB-SLAM2的核心部分,它通过连续图像帧之间的特征匹配和运动估计来实时定位相机。通过追踪特征点的运动,ORB-SLAM2可以估计相机的位姿变化,并通过优化方法来减小累积误差。

  4. 局部地图更新ORB-SLAM2通过局部地图来表示环境的三维结构。在跟踪过程中,它会不断地更新和扩展局部地图,包括添加新的地图点和关键帧。同时,ORB-SLAM2还会执行一些优化步骤,如相机位姿优化、地图点优化等,以提高地图的一致性和准确性。

  5. 回环检测:回环检测是为了解决定位漂移和累积误差问题的关键步骤。ORB-SLAM2会在跟踪过程中检测可能的回环,并使用回环检测算法来识别和纠正回环。一旦回环被检测到,ORB-SLAM2会进行全局优化来提高整体的一致性。

  6. 闭环优化:闭环优化是在回环检测之后执行的步骤,通过全局优化来进一步提高地图的一致性和准确性。ORB-SLAM2会使用所有的关键帧和地图点进行非线性优化,以减小累积误差并提高整体的位姿和地图质量。

  7. 地图管理ORB-SLAM2会维护一个稠密的局部地图和一个稀疏的全局地图,用于表示环境的三维结构。地图管理模块负责管理和更新地图,包括删除冗余地图点、关键帧的选择和插入、地图点的筛选等。

以上是ORB-SLAM2的主要流程和步骤。通过不断的特征提取、跟踪、地图更新、回环检测和优化,ORB-SLAM2能够实现实时的定位和地图构建,并在大范围和长时间的场景中表现出较好的性能。

也有大佬绘制了更详细的流程图(以mono_tum.cc的运行流程为例,建议下载学习):
👉 https://www.jianguoyun.com/p/Dc1MEhMQ-9KLBxjM3uED

请添加图片描述
此外,还有大佬已经中文注释了ORB_SLAM2可以参考理解代码:
👉 https://github.com/electech6/ORB_SLAM2_detailed_comments/tree/master

但是在学习以上的核心的主要流程之前,需要先熟悉ORB-SLAM2中的System主类和多线程…

2 System主类

System类是ORB-SLAM2系统的主类,主要代码是头文件ORB_SLAM2/include/System.h和源文件ORB_SLAM2/src/System.cc,分析其主要的成员函数和成员变量。

2.1 成员函数

vscode打开System.cc文件,如下,可以看到成员函数的大纲:

请添加图片描述
具体成员函数的类型和定义如下:

成员函数类型定义
System(const string &strVocFile, string &strSettingsFile, const eSensor sensor, const bool bUseViewer=true)public构造System函数
cv::Mat TrackStereo(const cv::Mat &imLeft, const cv::Mat &imRight, const double &timestamp)public跟踪双目相机,返回相机位姿
cv::Mat TrackRGBD(const cv::Mat &im, const cv::Mat &depthmap, const double &timestamp)public跟踪RGBD相机,返回相机位姿
cv::Mat TrackMonocular(const cv::Mat &im, const double &timestamp)public跟踪单目相机,返回相机位姿
void ActivateLocalizationMode()public开启纯定位模式
void DeactivateLocalizationMode()public关闭纯定位模式
bool System::MapChanged()public检测地图是否有较大变化
void System::Reset()public系统复位
void System::Shutdown()public系统关闭
void System::SaveTrajectoryTUM(const string &filename)publicTUM格式保存相机运动轨迹
void System::SaveKeyFrameTrajectoryTUM(const string &filename)publicTUM格式保存关键帧位姿
void System::SaveTrajectoryKITTI(const string &filename)publicKITTI格式保存相机运动轨迹
int System::GetTrackingState()public获取追踪器状态
vector<MapPoint*> System::GetTrackedMapPoints()public获取追踪到的地图点
vector<cv::KeyPoint> System::GetTrackedKeyPointsUn()public获取追踪到的关键帧的点

2.2 成员变量

主要的成员变量及其定义如下:

成员变量类型定义
eSensor mSensorprivate传感器类型单目相机MONOCULAR,双目相机STEREO,彩色深度相机RGBD
ORBVocabulary* mpVocabularyprivateORB字典,保存ORB描述子聚类结果
KeyFrameDatabase* mpKeyFrameDatabaseprivate关键帧数据库,保存ORB描述子倒排索引
Map* mpMapprivate地图
Tracking* mpTrackerprivate追踪器
LocalMapping* mpLocalMapperprivate局部建图器
std::thread* mptLocalMappingprivate局部建图线程
LoopClosing* mpLoopCloserprivate回环检测器
std::thread* mptLoopClosingprivate回环检测线程
Viewer* mpViewerprivate查看器
FrameDrawer* mpFrameDrawerprivate帧绘制器
MapDrawer* mpMapDrawerprivate地图绘制器
std::thread* mptViewerprivate查看器线程
int mTrackingStateprivate追踪状态
std::mutex mMutexStateprivate追踪状态加锁
bool mbActivateLocalizationModeprivate开启纯定位模式
bool mbDeactivateLocalizationModeprivate关闭纯定位模式
std::mutex mMutexModeprivate纯定位模式加锁
bool mbResetprivate系统复位
std::mutex mMutexResetprivate系统复位加锁

都说ORB-SLAM2有三大线程TrackingLocalMappingLoopClosing线程,可从成员变量中只定义了LocalMappingLoopClosing线程,其实Tracking线程就是Syetem类的主线程,构成三大线程,虽然Tracking线程在代码实现上是主线程,但三者的关系其实是并发的。

3 多线程

刚刚学习到ORB-SLAM2中主要有三大线程,其实SLAM项目中一般都会使用多线程,由于某个节点可能同时订阅多个消息,或多个线程函数共享数据,为了防止在多个消息被订阅时发生处理时间过长或阻塞,而导致其他回调函数无法正常使用,也为了防止共享数据时在存储或调用时发生错乱,一般都会使用std::mutex(互斥锁)std::thread(多线程管理)

3.1 ORB-SLAM2中的多线程

ORB-SLAM2中三大线程中的Tracking线程产生关键帧的频率和时机不是固定的,三个线程同时运行,方便LocalMappingLoopClosing线程查询Tracking线程是否产生关键帧。

// Tracking线程主函数
void Tracking::Track() {// 进行跟踪// ...// 若跟踪成功,根据条件判定是否产生关键帧if (NeedNewKeyFrame())// 产生关键帧并将关键帧传给LocalMapping线程KeyFrame *pKF = new KeyFrame(mCurrentFrame, mpMap, mpKeyFrameDB);mpLocalMapper->InsertKeyFrame(pKF);	
}// LocalMapping线程主函数
void LocalMapping::Run() {// 死循环while (1) {// 判断是否接收到关键帧if (CheckNewKeyFrames()) {// 处理关键帧// ...// 将关键帧传给LoopClosing线程mpLoopCloser->InsertKeyFrame(mpCurrentKeyFrame);}// 线程暂停3毫秒,3毫秒结束后再从while(1)循环首部运行std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(3));}
}// LoopClosing线程主函数
void LoopClosing::Run() {// 死循环while (1) {// 判断是否接收到关键帧if (CheckNewKeyFrames()) {// 处理关键帧// ...}// 查看是否有外部线程请求复位当前线程ResetIfRequested();// 线程暂停5毫秒,5毫秒结束后再从while(1)循环首部运行std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(5));}
}

3.2 加锁

多线程一般都是和锁一起使用,ORB-SLAM2中多线程和互斥锁一起使用,而互斥锁是有范围的,锁的有效性仅限于大括号{}之内,程序运行出大括号之后就释放锁。另外,一把锁一般在某个时刻只有一个线程能够拿到,比如程序执行到某个需要锁的范围,但是锁正在另一个线程,那当前线程就会先停下来,直到其他线程释放这个锁,当前线程才能继续向下运行。

void KeyFrame::EraseConnection(KeyFrame *pKF) {// 以下大括号中的代码部分加锁{unique_lock<mutex> lock(mMutexConnections);if (mConnectedKeyFrameWeights.count(pKF)) {mConnectedKeyFrameWeights.erase(pKF);bUpdate = true;}}// 程序运行到这里就释放锁,比如下行代码未在加锁范围UpdateBestCovisibles();
}

至此,学习了ORB-SLAM2中的System主类的实现细节和ORB-SLAM2中的多线程。后续在此基础上继续学习ORB-SLAM2中的输入预处理部分的核心—特征点的提取、描述子的生成及特征点匹配等等。


Reference:

  • https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2



须知少时凌云志,曾许人间第一流。



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