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NICE-SLAM

约 1340 个字 预计阅读时间 4 分钟

Abstract

Idea

Introduction

  • Real-Time
  • 大场景有效，iMAP 或 learning-based 方法做不到
  • robust，对 nosie 和未观测到位置鲁棒，合理预测
  • 最大的创新点：multilevel grid-based features（基于网格的多层特征），其余的 idea 就是优化方法，如何 mapping、tracking、如何加速，联合训练 + 分层训练，nerf 采样方法等等
  • 采用了三维栅格地图，每个栅格保存局部特征，用 decoder 将特征解码即可恢复出场景，因此即使场景面积很大也不存在网络遗忘的问题

Hierarchical Scene Representation

  • 上图中的右边部分，从左向右看分别是 MLP 和 feature grid；
  • 从上往下看，有四个部分，前三部分预测几何信息，第四部分预测颜色：
    1. coarse-level: 为提升效率，grid 采样块大且独立出来，用于预测（填补空洞，例如地板墙面）
    2. mid-level+fine-level: 先经过 mid-level 预测出一个占用率 \(o\)，使用 fine-level 预测出 \(\Delta o\)，两者相加得到最终占用率。从图中可以看出 fine-level 的输入是小网格、小小网格 ...
    3. color-level：与前三层不同，color-level 的 decoder 和 encoder 都在更新，而前三层固定了 MLP 只更新特征网络，这样有助于大场景的构建，MLP 不会被新的特征影响。此处的 MLP 是 CNN + MLP 预训练后，单独取 MLP 出来获得。因此 color-level 就会存在颜色被更新的问题，构建大场景时就不能有颜色信息。

Depth and Color Rendering

  • 借鉴 NeRF 的方法获得 depth 和 color
  • 对于一条光线，使用分层和均匀采样一个得到 N 个点，对于这 N 个点都估计出一个权重 \(w_i\)（表示光线到 i 终止的概率），显然概率越大，这一点越容易是物体。
  • coarse 层 和 fine 层的权重：
\[ w_i^c = o_{p_i}^0 \prod_{j=1}^{i-1}(1-o_{p_j}^0) = o_{p_i} \prod_{j=1}^{i-1}(1-o_{p_j}) \]
  • 由权重可以得到渲染后的深度值和颜色值：
\[ \hat{D}^c = \sum_{i=1}^N w_i^c d_i, \quad \hat{D}^f = \sum_{i=1}^N w_i^f d_i, \quad \hat{I} = \sum_{i=1}^N w_i^f \mathbf{c}_i \]
  • 其中，\(d_i\) 是采样点到原点的距离。进一步还可以求出沿光线方向的深度方差：
\[ \hat{D}_{var}^c = \sum_{i=1}^N w_i^c (\hat{D}^c - d_i)^2 \quad \hat{D}_{var}^f = \sum_{i=1}^N w_i^f (\hat{D}^f - d_i)^2 \]

Mapping and Tracking

  • 主要基于 Hierarchical Scene Representation 和相机位姿的参数 \(\theta\) 和 \(\omega\) 的优化。（损失函数）

  • Mapping：优化 scene representation

    • 建图阶段包含两个 loss
    • 几何 loss
    \[ \mathcal{L}_g^l=\frac{1}{M}\sum_{m=1}^M \left | D_m - \hat{D}_m^l \right |, \quad l\in\{c,f\} \]
    • 光度 loss
    \[ \mathcal{L}_p = \frac{1}{M} \sum_{m=1}^M \left | I_m - \hat{I}_m \right | \]

    • 通过从当前帧和关键帧中均匀采样共 M 个像素，最小化 loss。优化顺序：

      1. 使用 \(\mathcal{L}_g^f\) 优化 mid-level feature grid \(\phi_\theta^1\)
      2. 使用 \(\mathcal{L}_g^f\) 优化 mid-level 和 fine-level feature grid \(\phi_\theta^1\) 和 \(\phi_\theta^2\)
      3. 使用 local bundle adjustment（BA 局部约束调整）联合优化所有 level 的 grids，color decoder，相机外参 \(\{\mathbf{R}_i, \mathbf{t}_i\}\) 在第 K 个关键帧处，使用如下：
      \[ \min_{\theta,\omega,\{\mathbf{R}_i,\mathbf{t}_i\}}(\mathcal{L}_g^c+\mathcal{L}_g^f+\lambda_p\mathcal{L}_p) \]

作者解释这么做的原因

外分辨率的外观和 fine-level 都依赖于 mid-level 所以先优化 mid 能够加快收敛。此外，使用并行三个线程加速优化过程：coarse-level，mid+fine+color，tracking（下个步骤）。

  • Tracking：优化当前帧的 camera poses，即 \(\{R,t\}\)

    • 在当前帧中采样 \(M_t\) 个像素点使用如下 loss：
    \[ \min_{\mathbf{R},\mathbf{t}} (\mathcal{L}_{g \_ var}+\lambda_{pt}\mathcal{L}_{p}) \]
    • 其中，对几何损失做了修改，修改 \(\mathcal{L}_{g \_ var}\) 如下：
    \[ \mathcal{L}_{g \_ var}=\frac{1}{M_t}\sum_{m=1}^{M_t}\frac{\left|D_m-\hat{D}_m^c\right|}{\sqrt{\hat{D}_{var}^c}}+\frac{\left|D_m-\hat{D}_m^f\right|}{\sqrt{\hat{D}_{var}^f}} \]

使用 \(L_{g \_ var}\) 的好处

The modified loss down-weights less certain regions in the reconstructed geometry [46, 62], e.g., object edges. 修改后的 loss 降低了重建场景中不确定区域的权重。

  • Robustness to Dynamic Objects：当场景中出现动态物体时，NICE-SLAM 可以通过过滤像素点来忽略这个动态物体，因为在动态物体上采样得到的像素点 loss 值会很大。（这一点可以利用起来）

Keyframe Selection

  • 类似 iMAP 一样，维护一个全局的关键帧，基于新增信息来添加新的关键帧，但不同的是，包括 的关键帧当优化场景几何时需要与当前帧有视觉重叠。
  • 这种选择策略不仅确保当前视图之外的几何保持静态，而且还会导致非常有效的最佳化问题，因为每次只优化必要的参数。
  • 实际上，首先随机采样像素并使用优化的相机姿势反向投影相应的深度。然后，将点云投影到全局关键帧列表中的每个关键帧。从那些有点投射到的关键帧中，我们随机选择 K−2 帧。此外，还在场景表示优化中包括最近的关键帧和当前帧，形成 K 个活动帧的总数。

Experiments

  • 数据集：Replica、ScanNet、TUM RGB-D、Co-Fusion
  • Baseline：TSDF-Fusion、DI-Fusion、iMAP、BAD—SLAM、Kintinuous、ORB-SLAM2

Reference

最后更新: 2024年8月8日 16:25:42
创建日期: 2024年8月8日 16:25:42
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