同步地图构建和定位(simultaneous localization and mapping, SLAM)包含定位和建图两方面，是移动机器人领域的一个重要的开放问题：移动机器人要想精确移动，必须有精确的环境地图；然而，为了建立一个精确的地图，必须知道移动机器人精确的位置[1]，所以，这是一个相辅相成的过程。1990年，有学者首次提出利用拓展卡尔曼滤波器对机器人姿态的后验分布进行增量估计[2]。事实上，在未知的位置、未知的环境中，机器人通过在运动过程中反复观察环境特征确定自身位置，然后根据自己的位置构建一个增量的周边环境地图，从而达到同时定位和地图构建的目的。随着中央处理器 (central processing unit, CPU)和图形处理器 (graphic processing unit, GPU)的发展，图形处理能力越来越强大。相机传感器变得更价廉、更轻便，同时具有更多功能。在过去的十几年中，视觉SLAM发展迅速。该系统可在微PC和嵌入式设备上运行，甚至可在智能手机等移动设备上运行[3-7]。视觉SLAM可使用单目相机、立体相机等视觉传感器进行数据采集、前端视觉里程计、后端优化、回环检测和地图构建等[8]。有些SLAM系统包含重定位模块，作为更稳定和准确的视觉SLAM附加模块[9]。本文主要介绍几种重要的视觉传感器，并根据数据的稀疏程度分类综述视觉SLAM的现阶段成果。
1 视觉SLAM系统视觉SLAM(visual SLAM, VSLAM)系统的架构包括两个主要部分:前端和后端。前端抓取传感器数据，并进行状态估计，后端对前端产生的数据进行优化。后端可为前端提供反馈，并进行回环检测[10]。该体系结构如图1所示。
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| 图 1 典型的SLAM系统图 Fig. 1 A typical SLAM system | |
大多数视觉传感器是基于相机，相机可以分为单目相机、立体相机、RGB-D相机和事件相机等[11]。
1.1.1 单目相机单目相机定位和建图具有和现实世界的真实比例关系，但没有真实的深度信息和绝对尺度，这称为尺度模糊[12]。基于单目相机的SLAM必须进行初始化来确定尺度，而且面临漂移问题，但单目相机价格低廉、计算速度快，在SLAM领域受到广泛应用。
1.1.2 立体相机立体相机是两个单目相机的组合，其中两个相机之间的距离是已知的，称之为基线。使用立体相机，可以通过定标、较正、匹配和计算4个步骤获取深度信息，进而确定尺度信息，但这个过程会消耗很大的计算资源。
1.1.3 RGB-D相机RGB-D相机也称为深度相机，因为这种相机可以直接以像素形式输出深度信息。深度相机可以通过立体视觉、结构光和飞行时间 (time of flight, TOF)技术来实现。结构光理论是指红外激光向物体表面发射具有结构特征的图案，红外相机收集不同深度的表面图案的变化信息。TOF通过测量激光飞行的时间计算距离。
1.1.4 事件相机事件相机不是以固定的速率捕获即时消息，而是异步地测量每个像素的亮度变化[13]。事件相机具有非常高的动态范围、高时间分辨率、低功耗，并且不会出现运动模糊。因此，事件相机在高速、高动态范围的情况下性能优于传统相机。事件相机包含动态视觉传感器[14-17]、动线传感器[18]、动态和主动像素视觉传感器[19]和异步基于时间的图像传感器[20]。
以上4种视觉传感器各有其优缺点，如表1所示。
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表 1 4种视觉传感器的优缺点 Tab.1 Advantages and disadvantages of 4 kinds of visual sensor |
在实际的机器人应用中，可能很难将传感器的测量值直接写成传感器状态量的解析函数。例如，原始传感器数据是一个图像，那么可能很难将每个像素的强度表示为SLAM状态的函数;这是由于无法设计一个足够普遍、但又易于处理的函数来表示环境与传感器状态的关系;即使存在这样一种普遍的表示，也很难写出一个将测量值与传感器状态联系起来的解析函数。因此，在数据进入SLAM后端之前，通常需要一个前端模块提取传感器原始图像的相关特征。例如，在VSLAM中，前端提取特征点位置，后端可根据这些特征点的位置进行优化处理。同时，前端模块负责初始化，例如单目SLAM中的初始化，利用多角度观测图像三角化将尺度信息固定。
前端数据关联模块包括短期数据关联和长期数据关联，短期数据关联负责联系传感器数据的帧间特征点及追踪特征点，常用的方法有特征匹配和光流法等。长期关联是关联新的信息是否和过去的所有信息有关联，即回环检测，常用的方法有词袋法和深度学习[10]。
1.3 基于优化的SLAM后端早期SLAM后端主要是基于滤波的方法，但由于优化方法的精度明显优于滤波的方法而逐渐成为主流。文献[21-22]综述了滤波的方法，本文主要介绍基于优化的SLAM后端。
在SLAM问题中，需要估计的未知变量X包括机器人的位姿和路标点的物理坐标。给定观测数据
| $\begin{array}{c} {X^*}\mathop = \limits^ \cdot \mathop {{\rm{arg}} \;{\rm{max}} }\limits_X p(X|Z) = \\ \mathop {{\rm{arg}} \;{\rm{max}} }\limits_X p(Z|X)p(X) \end{array} $ | (1) |
式中：
假设测量值Z是独立的，即噪声不相关，将式(1)因式分解为
| $\begin{array}{c} {X^*} = \mathop {{\rm{arg}} \;{\rm{max}} }\limits_X p(X)\displaystyle\prod\limits_{k = 1}^m {p({z_k}|X)} = \\ \mathop {{\rm{arg}} \;{\rm{max}} }\limits_X p(X)\displaystyle\prod\limits_{k = 1}^m {p({z_k}|{X_k})} \end{array} $ | (2) |
式(2)可以用因子图来解释，因子图是一种图模型，可以建立第k个因子与相应变量Xk的依赖关系。
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| 图 2 因子图表示的SLAM Fig. 2 SLAM as a factor graph | |
假设测量噪声
| $p({z_k}|{X_k}) \propto {\rm{exp}} \Bigg( - \frac{1}{2}\mathop {||{h_k}({X_k}) - {z_k}||_{{\varOmega _k}}^2}\limits_{} \Bigg)$ | (3) |
其中,
| $\begin{array}{c} {X^*} = \mathop {{\rm{arg}} \;{\rm{min}} }\limits_X {\rm{ - log}}(p(X)\displaystyle\prod\limits_{k = 1}^m {p({z_k}|{X_k}))}= \\ \mathop {\mathop { {\rm{arg}} \;{\rm{min}} }\limits_X \displaystyle\sum\limits_{k = 0}^m {||{h_k}({X_k}) - {z_k}||_{{\varOmega _k}}^2} }\limits_{} \\ \end{array} $ | (4) |
式(4)是一个最小二乘问题，在SLAM问题中，
度量地图是对环境结构的一种表示方法。选择合适的SLAM度量表示方法十分重要，会影响很多研究领域，例如长时间导航、环境交互和人机交互等领域。根据利用图像信息的方法不同，可分为直接法和特征点法，直接法会产生半稠密和稠密的结构，特征点法会产生稀疏的结构。本文根据SLAM系统产生的不同稀疏程度结构的特点，将VSLAM分为稀疏VSLAM、半稠密VSLAM和稠密VSLAM。
2.1 稀疏VSLAM稀疏VSLAM的前端算法以特征点匹配为主，光流追踪以及直接法等方法也在不断发展，但特征匹配仍为稀疏VSLAM的主流前端算法。后端算法主要分为基于滤波的算法和基于优化的算法，早期由于算力的限制，主要以基于滤波的后端算法为主，随着CPU和GPU的发展，基于优化的后端由于其具有更好的精度而逐渐成为主流。
MonoSLAM是在2007年提出的一种可以通过单目相机实现实时场景三维重建的算法[23]，该算法首次实现单目SLAM系统，可实现实时且无漂移的运动恢复结构，后端使用拓展的卡尔曼滤波算法，前端使用稀疏的特征点匹配，实现在线稀疏地图的持续构建。虽然MonoSLAM应用场景很窄，特征点也容易丢失，但作为第一个SLAM系统，具有里程碑意义。2007年，一种专门为小型AR工作空间中手持摄像机设计的系统—PTAM系统出现[24]，此系统首次将特征点追踪和地图构建分为两个独立的任务，使用并行处理的方式，并首次使用重投影误差进行后端优化，因此PTAM的出现对于SLAM的发展具有重要意义。同样，PTAM也存在场景小、跟踪容易丢失等特点。
2009年，Klein等[5]提出关键帧的概念和重定位的方法。同年，此团队又提出应用于照相手机的基于关键帧的SLAM系统[25]。2015年，建立了ORB-SLAM[3]，一种基于ORB特征匹配[26]的单目实时SLAM系统，此系统在稀疏VSLAM领域具有里程碑意义，系统十分完善，可应用于多种场景，对于运动杂波具有较强的鲁棒性。具有追踪、建图、重定位和回环检测功能，其标志性地使用3个线程(如图3所示)，分别为特征点追踪线程、局部重投影误差优化线程和基于位姿图的全局优化线程。对于选择重建点和关键帧具有良好鲁棒性，可生成增量地图，这使得基于特征点的SLAM成为当时的主流。目前此项目源代码已开源。2017年的ORB-SLAM2[27]支持单目相机、立体相机和RGB-D相机的SLAM系统，可在CPU上实时工作。
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| 图 3 ORB-SLAM的三线程结构 Fig. 3 Three-thread structure of ORB-SLAM | |
与其他基于特征点提取的稀疏VSLAM不同，Forster等[28]在2016年提出了一种半直接VO (semi-direct visual odometry, SVO)，是一种直接法和特征点混合的方法，它使用直接的方法跟踪和三角化像素，这些像素具有较高的图像梯度，但依赖于基于特征方法的联合优化。半直接VO加上鲁棒的概率深度估计算法，能够有效地跟踪像素的角点和边。该算法可以很容易地扩展到多个相机跟踪，包括运动先验，并可适用于大视场相机，如鱼眼和反折射相机。相对于其他VSLAM，SVO的优点是速度快、计算要求低。但只适用于平面运动，而且没有后端优化和回环检测，不是完整的SLAM系统。2018年，Loo等[29]提出利用神经网络预测单目图像深度的SVO版本，可根据单图像深度来预测网络的深度预测结果，通过初始化特征点处深度的均值和方差改进SVO建图。
此外，还有大量优秀的稀疏VSLAM系统。2016年，Zhang等[30]提出ENFT-sfm系统，它是一种特征跟踪方法，能够有效地匹配一个或多个视频序列之间的特征点对应。升级版的ENFT-SLAM可大规模运行。DSO是2017年Engel等[31]提出的基于单目相机在不需要检测和描述特征点的情况下，采用直接法和稀疏法建立的一个可视化导航系统。2018年，Schlegel等[32]提出一种简单的轻量级立体VSLAM，此方法重点在数据结构和算法提升方面，可达到目前最优秀算法级别的准确性，同时大大减少计算资源。OpenVSLAM是Sumikura等[33]2019年提出的一个具有高可用性和可扩展性的可视化SLAM框架，基于具有稀疏特征的间接SLAM算法。传统的开源VSLAM框架并不适合作为第三方程序调用，此框架易于扩展和使用，该系统支持透视、鱼眼等相机，甚至支持自己设计的相机模型。2019年，通过使用AprilTag基准标记实现SLAM的TagSLAM系统出现[34]。该系统提供了一个前端的GT-SAM因子图优化器，此优化器可设计大量的实验,包括完整SLAM系统、相机标定、视觉定位、回环检测以及位姿估计等。UcoSLAM是2019年提出的一种融合自然地标和人工地标的同步定位方法[35]。多数SLAM方法使用自然地标(如关键点)。但是，自然地标随着时间的推移是不稳定的，在许多情况下是重复的，或者不足以进行鲁棒的跟踪(例如在室内建筑物中)。另一方面，基于人工地标的其他方法 (例如平方基准标记)可通过放置在环境中的地标帮助跟踪和重新定位。UcoSLAM提出了一种将这两种方法相结合的方法，以实现在许多场景下的长期鲁棒跟踪，且具有更好的准确性。
综上所述，稀疏VSLAM由于其计算量小、速度快，一度成为VSLAM的主流方法，但稀疏VSLAM无法构建稠密地图，对于路径规划以及场景理解等高层任务无法很好地实现。
2.2 半稠密VSLAM由于特征点法只能产生稀疏的结构，半稠密VSLAM主要以直接法和半直接法为主，直接法不需要提取特征点，直接根据像素变化估计相机运动，因此计算量远高于特征点法，其起步也晚于基于特征点法的VSLAM。本文介绍几种经典的半稠密VSLAM系统。
LSD-SLAM是2014年Engel等[36]提出的一种直接(无特征)单目SLAM算法，与目前最先进的直接方法相比，可构建大规模、一致的环境地图，标志着半稠密VSLAM的成功应用，其运行结果如图4所示。2015年立体相机直接SLAM算法在标准CPU上以高帧速率实时运行[37]，此前很少见到使用CPU实时建立半稠密地图的算法。此方法的创新性在于直接基于所有高对比度像素(包括角、边和高纹理区域)的亮度一致性对图像进行对齐，同时，通过固定基线的立体摄像机设置的静态立体以及利用摄像机运动的临时多视点立体估计这些像素的深度。2015年，Caruso等[38]将鱼眼相机引入直接单目SLAM方法，使直接法SLAM支持广角相机。但LSD-SLAM同时有着直接法SLAM的缺点，对相机内参和曝光敏感，相机快速运动时容易丢失。
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| 图 4 LSD-SLAM运行图 Fig. 4 LSD-SLAM running figure | |
基于事件相机的SLAM系统的早期代表为2013年Weikersdorfer等[39]提出的一种对单个像素事件进行操作的算法，可生成具有精确机器人定位的高质量2D环境地图。2014年又提出了一种基于事件的动态视觉传感器与一个基于帧的RGB-D传感器融合的SLAM系统，以产生一个深度增强的3D点图[40]。EVO是2016年提出的一种基于事件的视觉里程计算法[41]，此算法成功地利用了事件相机的特性来跟踪快速的相机运动，同时恢复了半密集的3D环境地图。由于事件相机的性质，算法不受运动模糊的影响，并在具有挑战性的高动态范围条件下运行良好，光照变化强烈。2018年，Zhou等[42]提出了一种基于立体事件相机的SLAM系统，可进行半稠密的三维重建。
2.3 稠密VSLAM稠密VSLAM由于可构建三维稠密地图并应用于路径规划中，使其具有前者不具备的优势，在近些年得到了广泛关注。与半稠密VSLAM类似，稠密VSLAM也是以直接法和半直接法为主。
DTAM是2011年Newcombe等[43]提出的一种不依赖于特征提取而是依赖于稠密的逐像素方法，使用RGB-D相机和一种非凸优化框架中最小化全局空间正则化的能量泛函实现实时地追踪与重建系统。这是直接法SLAM系统的典型例子，具有里程碑意义。
Newcombe等[44]在2011年提出了Kinect Fusion，一个使用Kinect传感器的实时建图和追踪系统，通过ICP算法跟踪深度相机的数据，并构建稠密的地图。同年，Izadi等[45]也提出了一个使用Kinect传感器进行三维重建的系统，这是第一个基于深度相机的三维重建系统。2012年，Whelan等[46]提出了KinectFusion算法的一个扩展算法—Kintinuous，它允许扩展尺度环境的实时稠密建图。相比于KinectFusion，此算法的区域空间可以动态变化，通过三角网格代替点云创建地图，该系统实现了一组能够实时操作的分层多线程组件，地图绘制能力大大超出了原始KinectFusion算法的范围，其运行结果图如图5所示。2013年，Whelan等[47]又对Kintinuous算法进行了扩展，提出3点补充：1)融合多种6自由度相机进行稳健跟踪；2)实现基于GPU的新型稠密RGB-D视觉里程计算法；3)采用先进的融合实时表面着色技术。这些扩展可为机器人和虚拟现实应用提升构建密集的全彩色空间扩展环境模型的能力，同时在具有挑战性的几何和视觉特征的场景中保持鲁棒。2015年，Whelan等[48]又提出了一种新的SLAM系统，能够在数百米范围内实时生成高质量的全局一致性地表重建，且只需要一个低成本的商品级RGB-D传感器，实现了比使用原始RGB-D点云更高质量的地图。此方案创新性地使用一个基于GPU的3D循环缓冲区技巧，高效地扩展稠密图融合方法，并克服了相机位姿估计在各种环境中的局限性。
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| 图 5 Kintinuous运行结果图 Fig. 5 Kintinuous running figure | |
Labbé等[49]在2011年提出的RTAB-MAP系统，是利用RGB-D传感器的经典SLAM系统，可利用RGB-D相机进行同步定位和局部建图、可在大规模和长时间SLAM中实时回环检测的方法，克服了回环检测随着时间推移影响实时处理的不足。两年后此团队又提出了基于外观的回环检测方法，该方法基于一种内存管理方法，它限制了用于回环检测的位置数量，从而使计算时间保持在实时约束下。包括将最近观察到的位置保存在工作内存 (WM)中，用于回环检测，并将其他位置转移到长期内存 (LTM)中。当在当前位置和存储在WM中的位置之间找到匹配时，可以更新并记住存储在LTM中的相关位置，以便进行回环检测[50]。1年后，该团队又将SLAM系统与全局回环检测结合，解决多机器人初始值定位问题[51]。2019年，该团队继续发展了RTSB-MAP系统，使其能同时支持视觉和激光雷达SLAM[52]。
除上述系统外，稠密VSLAM系统还包括基于光度和深度误差的DVO[53-54]，能够实时重建非刚性变形场景的密集SLAM系统的DynamicFusion、VolumeDeform和Fusion4D[55-57]。实现在线增量地图的ElasticFusion[58-59]。基于CPU的体素表示的三维重建系统InfiniTAM v3系统和统一的框架，即InfiniTAM[6, 60-61]。此外，2014年，ENDRES等[62]提出一种新型的建图系统RGBD-SLAM-V2，只使用RGB-D传感器生成高精度的3D地图。2016年，Greene等[63]提出MLM SLAM系统，一种基于单目相机、无需GPU即可在线重建稠密的三维模型，从而解决了多分辨率深度估计和空间平滑处理问题。
2.4 发展趋势当前SLAM地图表达主要使用点云图和截断符号距离函数(truncated signed-distance function，TSDF)进行三维建模，这些表示方法有两个主要缺陷。第一，浪费大量内存，点和体素这两种表示都需要大量参数去编码一个简单的环境。第二，这两种表示都不能完整表达环境信息。比如机器人无法确定在房间内移动还是走廊中移动。因此，通过增加语义信息数据关联、人机交互等方式为SLAM提供更强有力的数据支撑是地图表示的趋势。
现在已有大量关于SLAM建图的研究，但是很少有人研究可以指导研究人员进行地图选择的标准和地图的评价指标。例如简单的室内环境、简单的参数变化可以满足三维环境表达，但网格表示对复杂的室外环境更适用。因此，制定一套评价不同地图表示以及指导研究者选择地图的标准也是亟待解决的问题。
设计环境表示方法是一个困难的问题，而且设计的表示方法往往不够灵活，缺乏适应性，如何让机器人根据所处环境的变化自动设计地图表示形式也是重要的发展方向，尤其对于长时间导航有着巨大的促进作用。
3 机遇和挑战SLAM的概念早在1986年由Smith等[64]提出，由于没有发现海森矩阵的稀疏性导致长期未被实际应用，经历了几十年的发展，VSLAM已经被广泛应用于机器人、无人机、无人车和增强现实等领域，但SLAM对环境光照、高速运动、运动干扰等问题较为敏感，如何提升系统的鲁棒性以及长时间构建大规模地图等问题都是值得挑战的领域。在SLAM主要应用的两大场景是基于智能手机或无人机等嵌入式平台和3D重建、场景理解和深度学习。如何平衡实时性和准确性是一个重要的开放性问题。针对动态、非结构化、复杂、不确定和大规模等诸多环境的解决方案仍有待探索[65]。此外，VSLAM和语义信息以及与其他类型传感器的结合也给SLAM带来了新的机遇和挑战。
3.1 鲁棒性VSLAM仍然面临着光照条件、高动态环境、快速运动、强烈旋转和低纹理环境等问题。首先，利用新型传感器可以解决高动态和光照条件等问题。例如，动态视觉传感器这样的事件相机每秒可产生100万个事件，这对于高速、高动态范围内的快速运动已经足够。其次，结合语义特征，如边缘、平面、表面特征可减少对特征的依赖，可以解决低纹理环境等问题。语义SLAM也是一个重要的研究方向。第三，每一次运动信息都会减少一次定位不确定性，但同时也增大一次计算量，如何平衡精度与计算量之间的关系，进行大尺度地图构建仍是一个重要问题。
3.2 多传感器融合实际的机器人和硬件设备通常携带不止一种传感器，往往是多个传感器的融合。新的传感器的诞生往往是SLAM的一大驱动因素。例如，将视觉信息与IMU信息相结合，实现了两个传感器的互补优势，为SLAM的小型化和低成本提供了非常有效的解决方案。事件相机有可能解决高动态环境等问题。目前的传感器包括激光雷达、声纳、IMU、红外、相机、GPS、雷达等。传感器的选择取决于环境和所需的地图类型。
3.3 基于深度学习的SLAM深度学习在机器视觉的众多领域获得了成功，也不断有学者将深度学习引入SLAM的各个模块，例如回环检测、特征识别等，甚至深度学习理论上可以代替整个SLAM系统，但基于精确的数学公式推导出的导航函数仍优于学习得到的导航函数。所以基于最大后验概率的后端SLAM依旧是目前的主流。事实上，人类识别物体的运动是基于感知，而不是图像的特征。SLAM中的深度学习可实现目标识别和分割，帮助SLAM系统更好地感知周围环境。语义SLAM还可以在全局优化、循环关闭和重定位等方面发挥作用。传统的SLAM依赖于点、线 (PL-SLAM[66]、StructSLAM[67])、面等几何特征来推断环境结构。在大规模场景中，高精度实时定位的目标可以通过语义SLAM来实现[68]。
4 结束语本文介绍了常见的VSLAM系统并根据数据的稀疏性将VSLAM分为3类，分别介绍了3种类型的VSLAM发展历程，最后提出了VSLAM的机遇与挑战。从近些年的发展来看，VSLAM在向鲁棒性、实时性更强的方向发展，也有越来越多的新型技术不断涌现，使得VSLAM已经应用于实际生活中，尤其是视觉惯导融合领域，已在无人车和手持设备中实现应用，但对于许多应用环境，许多重大的挑战仍亟需解决，如实现长时间鲁棒的感知和导航、挑战光环境下导航等。随着新的系统、新型传感器和新的计算工具等的开发，相信未来VSLAM技术一定会在导航定位领域发挥重要作用。
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