vio预积分—高翔

Momenta视觉算法研究员，2008年就读清华大学自动化系，2012年免试进入清华大学自动化系攻读博士学位。研究课题为视觉SLAM，兴趣包括计算机视觉与机器学习。曾撰写过与SLAM相关的论文和技术博客。著有《视觉SLAM十四讲 从理论到实践》一书。

 

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本次Paper Reading的主题是VIO领域的一个重要的工作：预积分（Preintegration）

 

预积分是Christian Forster（SVO作者）在15年做的工作，发表在2015年的RSS（Robotics: Science and Systems）上，随后又整理成期刊论文，预计发表在2017年的IEEE Trans. On Robotics（TRO）上。预积分给出了一种比较优雅的，在SO(3)流形上处理IMU运动的方法，并给出了实现代码（gtsam中）。有一些后续工作，例如ORB+IMU，LSD+IMU等等，都是在本文的基础上实现的。因此，了解预积分，会对VIO的研究有重要的意义。

 

VIO，或VI-SLAM，是指利用视觉（Vision）加上惯导（Inertial），共同实现视觉里程计（Odometry）或完整SLAM的做法。我们知道，纯视觉可以实现三维空间中的定位，但由于图像可靠性不好，存在一些不可避免的问题：运动模糊、遮挡、快速运动、纯旋转、尺度不确定性，等等。许多问题，在纯视觉的SLAM中，难以得到根本上的解决。而IMU，可以得到与视觉无关的，关于运动主体自身的角速度、加速度的测量数据，从而对运动有一个约束。然而，从IMU数据到六自由度的空间位姿，还隔着一个动力学方程。同时，IMU数据，除了受白噪声影响之外，通常认为还存在一个零偏。仅用IMU来做位姿估计，由于零偏的影响，很快就会漂移。然而，视觉图像在固定不动时，并不会产生漂移。所以，利用视觉确定IMU的零偏，同IMU来辅助快速运动的定位和纯旋转的处理，成为VIO比较吸引人的研究点之一。

 

图1 IMU与视觉在时间轴上的信息

 

如图1所示。在时间轴上，IMU通常以较快的速率采集角速度和加速度的信息，而视觉则是以较慢的频率采集图像。VIO的器件同步，保证了每个时刻采集的数据都是同步的。原理上，我们可以给出每个时刻的位姿估计，然而，现有视觉SLAM，多数是基于关键帧+BA的处理形式。于是，一个重要的问题是，能否将两个视觉关键帧当中的IMU数据，整合在一起，约束它们之间的运动？如果可以的话，又如何来约束？预积分的目的，就在于处理这里的运动关系。为了说清楚这件事，需要介绍一些背景知识。

 

图2 VIO器件的坐标系

 

 

 

为了估计位姿，首先要选择状态变量。在紧耦合（Tightly Coupled）方案中，通常选择位姿、速度、零偏这几个量，作为待估计的状态量，共15维：

 

 

于是，可以想见，在带IMU的bundle adjustment中，我们每一个Pose都是这样一个15维的变量。那么，如何通过IMU数据，定义两个状态量之间的运动约束呢？还是回到动力学。

 

前面给出了微分形式的动力学，当然我们可以把它写成积分形式的。然后，由于是在离散时刻进行采样，所以得到的是离散时刻的动力学方程。再代入IMU的测量，有：

 

 

于是，差分方程给出了两个连续的视觉帧之间的IMU约束。进一步，如果把两个关键帧之间的多个视觉帧积分起来，就形成了预积分：

 

 

 

 

然后，还需讨论观测量对零偏的雅可比：

 

 

至此，除了细节推导之外，我们已经说明了预积分的主要思路。那么，如何在VIO里应用预积分呢？实际上也不难，只要把原先视觉SLAM里的bundle adjustment里，用15维的Pose代替原先6维的Pose，再加上IMU运动约束即可。

 

 

在ORB+IMU、LSD+IMU的工作中，作者们都是利用了这个框架实现VIO或VI-SLAM的：

 

 

不过，由于预积分原先是在gtsam上开源的，所以作者们也都用了gtsam作为后端。然而，只要清楚了预积分的原理，那么在g2o或ceres这些通用优化框架中，也完全可以实现预积分的计算。这就给出了一种基于优化方法的VIO处理方式。