ORB-SLAM2框架下基于算术编码的CVSLAM高效数据压缩

【目的】协同视觉同时定位与建图(CVSLAM)因其所需传感器成本低、可以获取丰富的环境信息，且具有快速性和灵活性的特点，在机器人领域引起了越来越多的研究者关注。而实现对图像信息的高效传输是提高CVSLAM建图效率需要解决的关键问题之一。在多机协同作业中，机器人之间的数据传输是其工作的重中之重，数据共享往往受到通信带宽的影响，所以研究高效的数据处理方法成为至关重要的环节。【方法】基于中心式协同ORB-SLAM2框架，研究个体机器人向中心站进行数据传输问题，探索一种基于特征压缩的高效数据传输一般方法。特别地，研究了一种基于算术编码对ORB特征进行差分编码并进行压缩传输的方法。该方法根据特征不同的编码模式评价其压缩后所需传输的数据量，并选择数据传输量最小的模式对特征进行编码。【结果】在不影响整体建图效果的前提下，所采用的方法明显降低了CVSLAM系统中数据传输过程中的数据量，同时缩短了数据传输时间。【结论】基于KITTI数据集的实验结果表明，基于压缩编码的通信方式可以有效降低数据传输量、提高传输速度，是提高CVSLAM通信效率的有效手段。     

基于深度相机的ORB-SLAM2在矿井救援空间构建应用

矿井在发生安全事故时，由于井下空间条件不确定，救援人员很难到达矿井地下.为了解决这一问题，搭建可实现空间构建且能适应潮湿、粉尘等环境的小型轻量化矿井救援机器人，以获取矿井非现场物理空间信息.选择基于深度相机的ORB-SLAM2作为实时框架，框架由图像预处理、跟踪、局部建图、闭环组成.在图像预处理中，通过图像金字塔、灰度质心法实现ORB特征的旋转和尺度不变性.在跟踪线程中，通过基于参考关键帧方法、恒速关键帧方法、重定位方法进行粗糙跟踪，再通过局部地图跟踪进行精确跟踪，估计关键帧的位姿姿态.在局部线程中，进行插入和剔除冗余关键帧，通过共视图方法生成更多的地图点.在闭环线程中，检测是否存在相同信息，通过sim3相似变换进行闭环校正.使用TUM数据集对算法进行仿真测试，采用EVO测试RMSE误差在0.004～0.043 m范围内，定位精度可达到厘米级.借助矿井救援机器人试验平台，利用结构光相机的ORB-SLAM2的方法生成真实空间三维模型，对空间构建效果进行研究与应用，为矿山救援井下智能巡检装备提供方法.     

基于在线图修剪的网格地图寻路

跳点搜索算法(JPS)是网格地图上最先进的图形修剪技术,由Daniel Harabor在2011年开发。它是A*的变种,提高了A*在等价网格上寻路的速度,当考虑当前节点的孩子可能被添加到OPEN集合时候,跳点搜索算法则直接从当前节点跳跃到了远处可见的节点。本文给出了跳点搜索算法的两个规则,并通过实证分析,将跳点搜索算法与两个先进的搜索空间约化算法进行了对比。结果显示:跳点搜索算法相对于Swamps(保持最优性的修剪技术)来说有显著地改进;同样,相对于很多情况下性能上占优的HPA*(次优寻路算法)也具有优越性。     

基于改进ORB-SLAM2算法的RGB-D稠密地图构建

针对传统ORB-SLAM2系统无法稠密建图以及缺少可应用于移动机器人在特定场景下导航与路径规划的八叉树地图等问题，提出了一种改进RGB-D ORB-SLAM2算法.该算法利用深度信息，通过针孔成像模型计算出关键帧点云的三维空间位置，采用离群点滤波去除多余杂点，体素滤波保留具有特征信息的点云进行拼接，降低地图冗余度，并经过稠密回环处理进一步优化更新关键帧的点云位姿，构建出精确的稠密点云地图并转换为八叉树地图.试验数据表明，相比于RGB-D SLAMV2系统，RGB-D ORB-SLAM2系统的全局轨迹误差和相对位姿误差提升有50%以上，均方根误差为0.89%，均值误差为0.76%；在建图性能方面，相比于同类型算法，点云数量平均降低约30%.此外，八叉树地图相比于点云地图，仅占其内存的0.6%，更加满足了高精度、快速性的导航需求.     

基于跳点搜索算法的网格地图寻路

等价网格环境下的寻路问题普遍存在于机器人、电子游戏等应用领域.其中,最先进的技术都被分层寻路算法所主导,这些算法速度快且内存开销较小,但通常返回的路径都是次优的.本文提出了一个新颖的、特定于网格的搜索策略,该策略速度快、最优且无需内存开销,其算法可以描述为一个宏算符,该宏算符识别和有选择地扩展网格地图上的仅仅某些节点,我们称之为跳点,连接两个跳点的路径上的中间节点将不再被扩展.我们将证明该方法计算出的解总是优解的;然后,进行了深入的实证分析,并将我们的方法与其他文献上的相关工作做对比.我们发现利用跳点进行搜索能将A＊算法的速度提高一个数量级甚至更多;同时,我们报告了跳点搜索相对于当前最先进的技术而言有明显的改进.     

CO_2水合物气体分子笼占据状态的第一性原理研究

以CO2水合物形式储存是值得研究的一种方法,其中,用CO2置换海底天然气水合物中的CH4,达到开采天然气水合物中CH4的目的,同时将CO2作为水合物永久储存于海底,可起到经济和环保双重作用.由于CO2水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值,尽管人们对CO2水合物已有不少了解,但仍然诸多问题(例如小笼占据状态尚存在争议),有待进行深入的研究.利用第一性原理的密度泛函理论,对CO2水合物气体分子不同笼占据状态的能量进行计算,结果表明以CO2气体分子仅占据大笼的情形能量最低,从而证明了CO2气体分子仅占据大笼的情形是最有可能存在,与实验结果吻合,所得结论有参考价值.     

基于ArcGIS的三维地图制作

随着地理信息技术及虚拟现实技术的发展,本文根据已有的数据资料,通过对数据的处理及特性的研究,解决并研究出如何快速完成三维地图的制作的技术,本文通过ArcGIS平台的支持讨论了将已有二维数据向三维建模转变的基础技术,通过数据导入到ArcScene中建立场景,最终获取三维地图,本技术对三维地图可视化及数字城市建设提供了必要技术支持。     

基于Google Earth平台的城市三维虚拟地图的研究与构建

以数字化时代的地图演变趋势为研究的切入点,通过对三维虚拟地图的特点分析、架构体系研究以及现有技术的比较,提出一种多视角的城市三维虚拟地图的建设方案,并结合实例利用Google Sketchup技术完成三维建模,在Google Earth平台上实现城市三维虚拟地图的共享与发布。通过不同视角的城市三维虚拟地图对同一区域的地理数据进行展示,进一步提高了地图的地理信息量,丰富了地图的展示手段,可为城市规划与建设提供有力的决策服务。     

基于Kinect 2的三维人脸个性化建模

提出一种基于五官形状特征点以及人脸肌肉函数的优化Kinect 2 个性人脸网格的算法,然后通过自适应uv贴图,使结果更符合个性人脸特征.首先,通过提取彩色图的特征点位置获取个性人脸的x,y 空间的特征信息,基本的五官形状特征点为83 个,通过相似三角关系在鼻梁和鼻翼处添加了6 个特征点以丰富五官形状特征信息.肌肉形状特征约束方面,综合肌肉形状约束量有43 个.其次,通过Kinect 2 人脸个性化建模得到中间模型,同时也获得了五官形状和肌肉形状特征的深度先验信息.接着使用基于拉普拉斯算子的微分网格变形算法对Kinect2 的中间模型进行五官优化及肌肉形状约束,通过对比ASM、正则化均值漂移和face + + 算法检测的人脸特征点来选择更精确的五官位置.最后,为了让人脸更具有真实感,还通过平面微分网格形变实现了uv 自动贴图,提升了maya中手动调整uv 坐标的准确性和效率.同时,使用次表面散射光照模型来使人脸皮肤的真实感加强.实验表明,本文所采用的三维人脸模型的个性化变形方法能使Kinect2 模型更好地符合个性人脸特征,这将为后期的表情生成和动画制作奠定良好的基础.     

基于智能手机Tango传感器的室内三维场景实时感知

室内三维场景实时感知是室内增强现实、三维测图和机器人自主定位与导航的关键技术之一。利用智能手机Tango传感器搭载的单目摄像头和深度相机,根据实时获取的彩色图像和深度信息,研究并提出了一种实时的室内三维场景感知方法;该方法首先根据智能手机Tango传感器获取的彩色图像存在的问题,采用多项式函数对彩色相机进行校正。接着,使用ORB(oriented FAST and rotated BRIEF)算子对彩色图像进行特征提取,利用RANSAC算法剔除误匹配点;并根据优化后的匹配点对采用ICP算法对手机姿态进行初步估计。最后,基于融合空间关系的视觉词典(SDBo W2)对感知的初步室内场景进行闭环检测;并通过图优化得到实时感知的室内三维场景模型。实验表明,方法能利用Tango传感器高效地获取室内场景完整的三维结构信息与纹理。     

使用三维栅格地图的移动机器人路径规划

针对移动机器人使用三维地图进行路径规划的问题,研究了使用三维栅格地图的路径规划算法.该算法将装载三维激光扫描仪的移动机器人得到的三维点云转换成为八叉树结构的三维栅格地图;扩展了D*算法使之考虑机器人的尺寸,检测每种位姿状态下是否与环境发生碰撞,生成多条可行路径可以在栅格地图中直接生成机器人的运动轨迹,保证运动过程中机器人自身及物体的安全.实验结果表明:该算法不需要对地图具有先验认识,并且考虑了机器人的实际尺寸,具有较强的可靠性和实用性,已经在真实环境中进行了实验.     

三维电子地图的可视化和交互

以OpenGL技术为基础,应用支持动态显示的相关技术:多分辨率地形模型技术(LOD)、动态场景装载技术(DOL)、大面积数据管理等技术、地物三维显示的相关技术(目标剔除技术、Instance技术、M ip-M ap纹理贴图),对三维电子地图的技术实现进行了实践,为三维电子地图的进一步研究以及相关技术的研究提供了可以借鉴的经验.     

基于二维Cat映射的调频雷达信号性能分析

基于一维混沌的调频(FM)信号的相空间结构性强,容易被截获,提出了基于二维Cat映射的调频信号。给出了高维混沌调频信号的信号模型,并将基于二维Cat映射的调频信号分别与一维Bernulli调频信号和线性调频(LFM)信号从不同角度进行详细比较。仿真结果表明,基于二维Cat映射的调频信号与Bernulli调频信号相比,在具有相似的自相关特性、功率谱特性和模糊函数特性的同时,相空间更复杂,具有更低的截获率;与LFM信号相比,具有更高的距离、速度分辨力,不存在距离速度耦合,脉压输出的距离旁瓣更低,但是对多普勒频移更敏感。对该信号的研究可以为对低截获率要求高、多普勒频移范围较小的场合提供参考。     

计算网格在机器人三维仿真中的应用

基于计算网格技术构建了一个机器人三维图形仿真系统,并对PUMA560工业机器人进行动力学仿真．结果表明,与传统的机器人仿真技术相比,计算网格技术提高了机器人三维图形仿真系统的计算能力,有效解决了机器人三维图形仿真系统中机器人动力学、碰撞检测等实时计算占用大量计算机资源的问题,提高了机器人三维图形仿真系统的性能．     

基于AutoCAD由三维模型生成二维投影的方法研究

介绍了AutoCAD中由三维模型生成二维投影的3种方法,通过实例说明了3种方法的使用步骤,研究3种方法的各自特点,分析每种方法的适用条件,使它们能在工程实践和教学科研中被有效地使用。     

三维模型二维视图的自动生成

根据AutoCAD软件提供的多视窗绘图环境及实体二维视图的生成系统绘制出的实体三视图不符合我国标准，且模型空间多视窗绘图环境无法将该实体的多个视图同时打印出来，文中运用AutoCAD的图纸布局功能，对三维模型和二维视图之间的转换问题进行了研究，介绍了一种在已知形体三维模型情况下，二维视图的自动生成及一次性出图的方法，有实际意义。     

基于多源融合式SLAM的机器人三维环境建模

为有效处理移动机器人三维环境地图创建过程的不确定误差,提高所建地图的准确性、完整性和一致性,本文提出了一种基于传感器信息融合和Rao-Blackwellised粒子滤波(RBPF)的移动机器人三维同时定位与地图创建 (SLAM)方法. 在建立传感器不确定性概率模型的基础上,通过贝叶斯滤波实现传感器数据的去噪,将激光与视觉传感器获取的环境信息在一定的规则下融合,在SLAM框架下实现具有纹理映射的三维环境地图创建. 实验结果表明所用方法的有效性. 多源融合式自主SLAM提供了更为丰富、完备、准确的环境模型.      

基于外标记点的2D/3D图像配准方法

提出了一种基于外标记点的无框架配准方法.该方法首先建立参考坐标系,接着根据外标记点在两幅2D图像中的对应坐标,求出2D图像像素坐标到参考坐标系的转换关系,然后根据外标记点在3D图像坐标系中的坐标,求解3D图像坐标系和参考坐标系的转换矩阵,通过一组矩阵运算,从而实现2D/3D图像的配准.临床图像的实验结果表明,该方法的配准精度为(0.026 7±0.044 7)mm.     

一种基于运动和纹理特征的深度图提取方法

2D至3D的立体转换技术可以提供大量的3D立体视频内容,从而解决3D立体视频内容不足的问题.而2D到3D转换技术中关键的一步是怎样提取出质量较好的深度图.提出一种基于运动和纹理特征相结合的深度图提取方法.为了估计深度图,首先将前景和背景分离,然后分别进行基于运动的前景深度提取和基于纹理特征的背景深度提取,最后再将二者有效融合得到最终深度图.实验结果显示,使用本文提出的方法可以得到满足需求的深度图.