ORB-SLAM2源码解析

本文主要是介绍ORB-SLAM2源码解析，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

ORB-SLAM2源码解析

代码文件树
├── build_ros.sh
├── build.sh
├── CMakeLists.txt
├── cmake_modules
│   └── FindEigen3.cmake
├── Dependencies.md
├── #Examples# import!!!!
│   ├── Monocular
│   │   ├── EuRoC_TimeStamps
│   │   │   ├── MH01.txt
│   │   │   ├── MH02.txt
│   │   │   ├── MH03.txt
│   │   │   ├── MH04.txt
│   │   │   ├── MH05.txt
│   │   │   ├── V101.txt
│   │   │   ├── V102.txt
│   │   │   ├── V103.txt
│   │   │   ├── V201.txt
│   │   │   ├── V202.txt
│   │   │   └── V203.txt
│   │   ├── EuRoC.yaml
│   │   ├── KITTI00-02.yaml
│   │   ├── KITTI03.yaml
│   │   ├── KITTI04-12.yaml
│   │   ├── mono_euroc.cc
│   │   ├── mono_kitti.cc
│   │   ├── mono_tum.cc
│   │   ├── TUM1.yaml
│   │   ├── TUM2.yaml
│   │   └── TUM3.yaml
│   ├── RGB-D
│   │   ├── associations
│   │   │   ├── fr1_desk2.txt
│   │   │   ├── fr1_desk.txt
│   │   │   ├── fr1_room.txt
│   │   │   ├── fr1_xyz.txt
│   │   │   ├── fr2_desk.txt
│   │   │   ├── fr2_xyz.txt
│   │   │   ├── fr3_nstr_tex_near.txt
│   │   │   ├── fr3_office.txt
│   │   │   ├── fr3_office_val.txt
│   │   │   ├── fr3_str_tex_far.txt
│   │   │   └── fr3_str_tex_near.txt
│   │   ├── rgbd_tum.cc
│   │   ├── TUM1.yaml
│   │   ├── TUM2.yaml
│   │   └── TUM3.yaml
│   ├── ROS
│   │   └── ORB_SLAM2
│   │       ├── Asus.yaml
│   │       ├── CMakeLists.txt
│   │       ├── manifest.xml
│   │       └── src
│   │           ├── AR
│   │           │   ├── ros_mono_ar.cc
│   │           │   ├── ViewerAR.cc
│   │           │   └── ViewerAR.h
│   │           ├── ros_mono.cc
│   │           ├── ros_rgbd.cc
│   │           └── ros_stereo.cc
│   └── Stereo
│       ├── EuRoC_TimeStamps
│       │   ├── MH01.txt
│       │   ├── MH02.txt
│       │   ├── MH03.txt
│       │   ├── MH04.txt
│       │   ├── MH05.txt
│       │   ├── V101.txt
│       │   ├── V102.txt
│       │   ├── V103.txt
│       │   ├── V201.txt
│       │   ├── V202.txt
│       │   └── V203.txt
│       ├── EuRoC.yaml
│       ├── KITTI00-02.yaml
│       ├── KITTI03.yaml
│       ├── KITTI04-12.yaml
│       ├── stereo_euroc.cc
│       └── stereo_kitti.cc
├── #include# import!!!!
│   ├── Converter.h
│   ├── FrameDrawer.h
│   ├── Frame.h
│   ├── Initializer.h
│   ├── KeyFrameDatabase.h
│   ├── KeyFrame.h
│   ├── LocalMapping.h
│   ├── LoopClosing.h
│   ├── MapDrawer.h
│   ├── Map.h
│   ├── MapPoint.h
│   ├── Optimizer.h
│   ├── ORBextractor.h
│   ├── ORBmatcher.h
│   ├── ORBVocabulary.h
│   ├── PnPsolver.h
│   ├── Sim3Solver.h
│   ├── System.h
│   ├── Tracking.h
│   └── Viewer.h
├── License-gpl.txt
├── LICENSE.txt
├── README.md
├── #src# import!!!!
│   ├── Converter.cc
│   ├── Frame.cc
│   ├── FrameDrawer.cc
│   ├── Initializer.cc
│   ├── KeyFrame.cc
│   ├── KeyFrameDatabase.cc
│   ├── LocalMapping.cc
│   ├── LoopClosing.cc
│   ├── Map.cc
│   ├── MapDrawer.cc
│   ├── MapPoint.cc
│   ├── Optimizer.cc
│   ├── ORBextractor.cc
│   ├── ORBmatcher.cc
│   ├── PnPsolver.cc
│   ├── Sim3Solver.cc
│   ├── System.cc
│   ├── Tracking.cc
│   └── Viewer.cc
├── Thirdparty
│   ├── DBoW2
│   │   ├── CMakeLists.txt
│   │   ├── DBoW2
│   │   │   ├── BowVector.cpp
│   │   │   ├── BowVector.h
│   │   │   ├── FClass.h
│   │   │   ├── FeatureVector.cpp
│   │   │   ├── FeatureVector.h
│   │   │   ├── FORB.cpp
│   │   │   ├── FORB.h
│   │   │   ├── ScoringObject.cpp
│   │   │   ├── ScoringObject.h
│   │   │   └── TemplatedVocabulary.h
│   │   ├── DUtils
│   │   │   ├── Random.cpp
│   │   │   ├── Random.h
│   │   │   ├── Timestamp.cpp
│   │   │   └── Timestamp.h
│   │   ├── LICENSE.txt
│   │   └── README.txt
│   └── g2o
│       ├── CMakeLists.txt
│       ├── cmake_modules
│       │   ├── FindBLAS.cmake
│       │   ├── FindEigen3.cmake
│       │   └── FindLAPACK.cmake
│       ├── config.h.in
│       ├── g2o
│       │   ├── core
│       │   │   ├── base_binary_edge.h
│       │   │   ├── base_binary_edge.hpp
│       │   │   ├── base_edge.h
│       │   │   ├── base_multi_edge.h
│       │   │   ├── base_multi_edge.hpp
│       │   │   ├── base_unary_edge.h
│       │   │   ├── base_unary_edge.hpp
│       │   │   ├── base_vertex.h
│       │   │   ├── base_vertex.hpp
│       │   │   ├── batch_stats.cpp
│       │   │   ├── batch_stats.h
│       │   │   ├── block_solver.h
│       │   │   ├── block_solver.hpp
│       │   │   ├── cache.cpp
│       │   │   ├── cache.h
│       │   │   ├── creators.h
│       │   │   ├── eigen_types.h
│       │   │   ├── estimate_propagator.cpp
│       │   │   ├── estimate_propagator.h
│       │   │   ├── factory.cpp
│       │   │   ├── factory.h
│       │   │   ├── hyper_dijkstra.cpp
│       │   │   ├── hyper_dijkstra.h
│       │   │   ├── hyper_graph_action.cpp
│       │   │   ├── hyper_graph_action.h
│       │   │   ├── hyper_graph.cpp
│       │   │   ├── hyper_graph.h
│       │   │   ├── jacobian_workspace.cpp
│       │   │   ├── jacobian_workspace.h
│       │   │   ├── linear_solver.h
│       │   │   ├── marginal_covariance_cholesky.cpp
│       │   │   ├── marginal_covariance_cholesky.h
│       │   │   ├── matrix_operations.h
│       │   │   ├── matrix_structure.cpp
│       │   │   ├── matrix_structure.h
│       │   │   ├── openmp_mutex.h
│       │   │   ├── optimizable_graph.cpp
│       │   │   ├── optimizable_graph.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_dogleg.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_dogleg.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm_factory.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_factory.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm_gauss_newton.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_gauss_newton.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm_levenberg.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_levenberg.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm_property.h
│       │   │   ├── optimization_algorithm_with_hessian.cpp
│       │   │   ├── optimization_algorithm_with_hessian.h
│       │   │   ├── parameter_container.cpp
│       │   │   ├── parameter_container.h
│       │   │   ├── parameter.cpp
│       │   │   ├── parameter.h
│       │   │   ├── robust_kernel.cpp
│       │   │   ├── robust_kernel_factory.cpp
│       │   │   ├── robust_kernel_factory.h
│       │   │   ├── robust_kernel.h
│       │   │   ├── robust_kernel_impl.cpp
│       │   │   ├── robust_kernel_impl.h
│       │   │   ├── solver.cpp
│       │   │   ├── solver.h
│       │   │   ├── sparse_block_matrix_ccs.h
│       │   │   ├── sparse_block_matrix_diagonal.h
│       │   │   ├── sparse_block_matrix.h
│       │   │   ├── sparse_block_matrix.hpp
│       │   │   ├── sparse_block_matrix_test.cpp
│       │   │   ├── sparse_optimizer.cpp
│       │   │   └── sparse_optimizer.h
│       │   ├── solvers
│       │   │   ├── linear_solver_dense.h
│       │   │   └── linear_solver_eigen.h
│       │   ├── stuff
│       │   │   ├── color_macros.h
│       │   │   ├── macros.h
│       │   │   ├── misc.h
│       │   │   ├── os_specific.c
│       │   │   ├── os_specific.h
│       │   │   ├── property.cpp
│       │   │   ├── property.h
│       │   │   ├── string_tools.cpp
│       │   │   ├── string_tools.h
│       │   │   ├── timeutil.cpp
│       │   │   └── timeutil.h
│       │   └── types
│       │       ├── se3_ops.h
│       │       ├── se3_ops.hpp
│       │       ├── se3quat.h
│       │       ├── sim3.h
│       │       ├── types_sba.cpp
│       │       ├── types_sba.h
│       │       ├── types_seven_dof_expmap.cpp
│       │       ├── types_seven_dof_expmap.h
│       │       ├── types_six_dof_expmap.cpp
│       │       └── types_six_dof_expmap.h
│       ├── license-bsd.txt
│       └── README.txt
└── Vocabulary
    └── ORBvoc.txt.tar.gz

准备活动

解读思路

明线——代码里有哪些函数，这些函数做了什么？
暗线——这些函数何时被调用，类和类之间如何发生关系？

变量命名规则

ORB-SLAM2中的变量遵循一定的命名规则

变量名的第一个字母为m表示该变量为某类的成员变量
变量名的第一、二个字母表示数据类型
- p表示指针类型
- n表示int类型
- b表示bool类型
- s表示std::set类型
- v表示std::vector类型
- l表示std::list类型
- KF表示KeyFrame类型

这种将变量类型写进变量名的命名方法叫做匈牙利命名法

理解多线程

为什么要使用多线程

加快运行速度

bool Initializer::Initialize(const Frame &CurrentFrame) {
 	// ...
    thread threadH(&Initializer::FindHomography, this, ref(vbMatchesInliersH), ref(SH), ref(H));
    thread threadF(&Initializer::FindFundamental, this, ref(vbMatchesInliersF), ref(SF), ref(F));
    // ...
}

开两个线程同时计算两个矩阵,在多核处理器上会加快运算速度

因为系统的随机性，各个步骤的运行顺序是不确定的

Tracking线程不产生关键帧时，LocalMapping和LoopClosing线程基本上处于空转的状态。

而Tracking线程产生关键帧的频率和时机不是固定的，因此需要3个线程同时运行。LocalMapping和LoopClosing线程不断循环查询Tracking线程是否产生关键帧，产生了的话就处理。

请添加图片描述

// 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));
    }
}

多线程中的锁

为了防止多个线程同时操作同一变量造成混乱，所以引入锁机制

将成员函数本身设置为私有变量(privateorprotected)，并在操作他们的公有函数中设置锁

class KeyFrame {
protected:
	KeyFrame* mpParent;
    
public:
    void KeyFrame::ChangeParent(KeyFrame *pKF) {
        unique_lock<mutex> lockCon(mMutexConnections);		// 加锁
        mpParent = pKF;
        pKF->AddChild(this);
    }

    KeyFrame *KeyFrame::GetParent() {
        unique_lock<mutex> lockCon(mMutexConnections);		// 加锁
        return mpParent;
    }
}

一把锁在某个时刻只有一个线程能够拿到,如果程序执行到某个需要锁的位置,但是锁被别的线程拿着不释放的话,当前线程就会暂停下来;直到其它线程释放了这个锁,当前线程才能拿走锁并继续向下执行

什么时候加锁和释放锁？

unique_lock<mutex> lockCon(mMutexConnections);这句话就是加锁,锁的有效性仅限于大括号{}之内,也就是说,程序运行出大括号之后就释放锁了.因此可以看到有一些代码中加上了看似莫名其妙的大括号.

void KeyFrame::EraseConnection(KeyFrame *pKF) {
    // 第一部分加锁
    {//here!!!
        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,后面的操作不需要抢到锁就能执行
	
    UpdateBestCovisibles();
}

SLAM主类System

System类是ORB-SLAM2系统的主类,先分析其主要的成员函数和成员变量:

成员变量/函数	访问控制	意义
`eSensor mSensor`	`private`	传感器类型 MONOCULAR`,`STEREO`,`RGBD
`ORBVocabulary* mpVocabulary`	`private`	ORB字典,保存ORB描述子聚类结果
`KeyFrameDatabase* mpKeyFrameDatabase`	`private`	关键帧数据库,保存ORB描述子倒排索引
`Map* mpMap`	`private`	地图
`Tracking* mpTracker`	`private`	追踪器
`LocalMapping* mpLocalMapper` `std::thread* mptLocalMapping`	`private` `private`	局部建图器局部建图线程
`LoopClosing* mpLoopCloser` `std::thread* mptLoopClosing`	`private` `private`	回环检测器回环检测线程
`Viewer* mpViewer` `FrameDrawer* mpFrameDrawer` `MapDrawer* mpMapDrawer` `std::thread* mptViewer`	`private` `private` `private` `private`	查看器帧绘制器地图绘制器查看器线程
`System(const string &strVocFile, string &strSettingsFile, const eSensor sensor, const bool bUseViewer=true)`	`public`	构造函数
`cv::Mat TrackStereo(const cv::Mat &imLeft, const cv::Mat &imRight, const double &timestamp)` `cv::Mat TrackRGBD(const cv::Mat &im, const cv::Mat &depthmap, const double &timestamp)` `cv::Mat TrackMonocular(const cv::Mat &im, const double &timestamp)` `int mTrackingState` `std::mutex mMutexState`	`pubilc` `public` `public` `private` `private`	跟踪双目相机,返回相机位姿跟踪RGBD相机,返回相机位姿跟踪单目相机,返回相机位姿追踪状态追踪状态锁
`bool mbActivateLocalizationMode` `bool mbDeactivateLocalizationMode` `std::mutex mMutexMode` `void ActivateLocalizationMode()` `void DeactivateLocalizationMode()`	`private` `private` `private` `pubilc` `pubilc`	开启/关闭纯定位模式
`bool mbReset` `std::mutex mMutexReset` `void Reset()`	`private` `private` `public`	系统复位
`void Shutdown()`	`pubilc`	系统关闭
`void SaveTrajectoryTUM(const string &filename)` `void SaveKeyFrameTrajectoryTUM(const string &filename)` `void SaveTrajectoryKITTI(const string &filename)`	`public` `public` `public`	以TUM/KITTI格式保存相机运动轨迹和关键帧位姿

构造函数

System(const string &strVocFile, string &strSettingsFile, const eSensor sensor, const bool bUseViewer=true): 构造函数

System::System(const string &strVocFile, const string &strSettingsFile, const eSensor sensor, const bool bUseViewer) : 
        mSensor(sensor), mpViewer(static_cast<Viewer *>(NULL)), mbReset(false), mbActivateLocalizationMode(false), mbDeactivateLocalizationMode(false) {
	
	// step1. 初始化各成员变量
	// step1.1. 读取配置文件信息
    cv::FileStorage fsSettings(strSettingsFile.c_str(), cv::FileStorage::READ);
	// step1.2. 创建ORB词袋
    mpVocabulary = new ORBVocabulary();
    // step1.3. 创建关键帧数据库,主要保存ORB描述子倒排索引(即根据描述子查找拥有该描述子的关键帧)
	mpKeyFrameDatabase = new KeyFrameDatabase(*mpVocabulary);
	// step1.4. 创建地图
    mpMap = new Map();

	// step2. 创建3大线程: Tracking、LocalMapping和LoopClosing
    // step2.1. 主线程就是Tracking线程,只需创建Tracking对象即可
	mpTracker = new Tracking(this, mpVocabulary, mpFrameDrawer, mpMapDrawer, mpMap, mpKeyFrameDatabase, strSettingsFile, mSensor);
	// step2.2. 创建LocalMapping线程及mpLocalMapper
    mpLocalMapper = new LocalMapping(mpMap, mSensor==MONOCULAR);
    mptLocalMapping = new thread(&ORB_SLAM2::LocalMapping::Run, mpLocalMapper);
	// step2.3. 创建LoopClosing线程及mpLoopCloser
    mpLoopCloser = new LoopClosing(mpMap, mpKeyFrameDatabase, mpVocabulary, mSensor!=MONOCULAR);
    mptLoopClosing = new thread(&ORB_SLAM2::LoopClosing::Run, mpLoopCloser);
            
	// step3. 设置线程间通信
	mpTracker->SetLocalMapper(mpLocalMapper);
    mpTracker->SetLoopClosing(mpLoopCloser);
    mpLocalMapper->SetTracker(mpTracker);
    mpLocalMapper->SetLoopCloser(mpLoopCloser);
    mpLoopCloser->SetTracker(mpTracker);
    mpLoopCloser->SetLocalMapper(mpLocalMapper);
}

LocalMapping和LoopClosing线程在System类中有对应的std::thread线程成员变量,为什么Tracking线程没有对应的std::thread成员变量?

因为Tracking线程就是主线程,而LocalMapping和LoopClosing线程是其子线程,主线程通过持有两个子线程的指针(mptLocalMapping和mptLoopClosing)控制子线程.

(ps: 虽然在编程实现上三大主要线程构成父子关系,但逻辑上我们认为这三者是并发的,不存在谁控制谁的问题)

跟踪函数

System对象所在的主线程就是跟踪线程,针对不同的传感器类型有3个用于跟踪的函数,其内部实现就是调用成员变量mpTracker的GrabImageMonocular(GrabImageStereo或GrabImageRGBD)方法

传感器类型	用于跟踪的成员函数
`MONOCULAR`	`cv::Mat TrackRGBD(const cv::Mat &im, const cv::Mat &depthmap, const double &timestamp)`
`STEREO`	`cv::Mat TrackStereo(const cv::Mat &imLeft, const cv::Mat &imRight, const double &timestamp)`
`RGBD`	`cv::Mat TrackMonocular(const cv::Mat &im, const double &timestamp)`

cv::Mat System::TrackMonocular(const cv::Mat &im, const double &timestamp) {
    cv::Mat Tcw = mpTracker->GrabImageMonocular(im, timestamp);
    unique_lock<mutex> lock(mMutexState);
    mTrackingState = mpTracker->mState;
    mTrackedMapPoints = mpTracker->mCurrentFrame.mvpMapPoints;
    mTrackedKeyPointsUn = mpTracker->mCurrentFrame.mvKeysUn;
    return Tcw;
}

概念解释

特征点响应值和描述子的区别

响应值描述的是该特征点的区分度大小
- 响应值越大的点越应该被留用做特征点
- 响应值类似于分数，分数越高的学生能力越强，越应该被录取
描述子是特征点的一个哈希运算
- 其大小无意义，仅用来在数据库中快速找回某些特征点
- 描述子相当于学生的学号，系统随机运算出的一串数，用于定位学生

特征点和地图点的区别

维度
- 特征点是2D的，是相机图像上的点
- 地图点是3D的，根据同一特征点在多个图片中的不同位置三角化得到的
对应关系
- 地图点在观测到它的帧上必对应某特征点
- 特征点不一定能够成功三角化出地图点

双目相机和单目相机的数据

从直接读取的数据来讲
- 双目相机
  - 知道特征点的左目坐标、右目坐标，不知道特征点深度值
- RGBD相机
  - 知道特征点的左目数据、特征点深度，不知道右目数据

回环检测的标准

连续3帧场景都在之前出现过
- 根据BOW判断
当前3帧场景在之前出现的时机也具有一定连续性
- 根据连续关键帧组判断

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