Kimera实时重建的语义SLAM系统

Kimera是C++实现的一个具有实时度量的语义SLAM系统，使用的传感器有相机与IMU惯导数据来构建环境语义标注的3D网格，Kimera支持ＲＯＳ运行在ＣＰＵ上的高效模块化的开源方案。包含了四个模块：

• 快速准确的视觉-惯导里程计VIO流水线（Kimera-VIO）

• 基于鲁棒位姿的图优化完整SLAM实现（Kimera-RPGO）

• 单帧和多帧3D网格生成器（Kimera-Mesher）

• 语义标签的3D网格生成器（Kimera-Semantics）

github:https://github.com/MIT-SPARK/Kimera

摘要

论文提供了一个开源的C++库，用于实时度量语义视觉惯性同时定位和构图系统（SLAM）。该库超越了现有的视觉和视觉惯性SLAM库（如ORB-SLAM、VINSMono、OKVIS、ROVIO），在3D环境中中实现了网格重建和语义标记。Kimera的设计考虑了模块化，它有四个关键组件：用于快速准确状态估计的视觉惯性里程计（VIO）模块、健壮的姿态图全局轨迹估计优化器、快速网格重建的轻量级三维网格模块和密集三维度量语义重建模块。这些模块可以单独运行，也可以组合运行，因此Kimera可以很容易被修改单独作为VIO或完整的SLAM系统。Kimera是基于ROS的在CPU上实时运行，从语义标记的图像中生成一个三维度量语义网格，可以通过现代的深度学习方法获得。我们希望Kimera提供的灵活性、计算效率、健壮性和准确性将为未来的度量语义SLAM和感知研究奠定坚实的基础，并允许研究人员跨多个领域（如VIO、SLAM、3D重建）进行研究升级，在不需要从头开始的情况下，对自己的工作进行基准测试和原型开发）。

方案对比

Kimera是一个开源的C++库，用于实时度量语义SLAM。图（a）IMU速率下的视觉惯性状态估计，以及全局一致的鲁棒轨迹估计，计算出（b）可用于快速避障的场景低延迟局部网格，并构建（c）全局语义注释的3D网格，该网格准确地反映了地面真值模型（d）。

主要内容与贡献

Kimera的输入是立体图像和惯导测量值，输出有：

（1）IMU进行的有效的状态估计；

（2）全局一致的轨迹估计；

（3）多个环境网格，包括快速局部网格和基于语义标签的全局网格。

系统框图

Kimera用四个线程以不同帧率接收输入和输出（例如IMU、图像帧和关键帧)。

（1）Kimera-VIO前端，该获取立体图像和IMU数据，前端执行在线预先积分，从原始IMU数据中获得两个连续关键帧之间相对状态的简洁预积分测量值。视觉前端检测Shi-Tomasi角点，使用Lukas-Kanade跟踪器跨帧跟踪它们，找到左右立体匹配，并执行几何验证。并输出特征轨迹和预先积分的IMU测量值。并发布基于IMU帧率的状态估计值。

（2）Kimera-VIO输出优化的状态估计，在每个关键帧处，将预积分的IMU和视觉测量值添加到构成VIO后端。

（3）位姿图优化Kimera-RPG，检测当前关键帧与过去关键帧之间闭环，闭环检测依赖于DBoW2库，使用词袋（bag-of-word）表示法来快速检测假定的闭环。可检测闭环、剔除出格点并估计全局一致轨迹。由Kimera-Mesher快速生成两种类型的3D网格：单帧网格和多帧网格（就是点云的三角化后的表面重建等算法）

（4）Kimera-Semantics语义标签，基于Kimera-VIO的姿势估计，使用2D语义标注的图像（在每个关键帧处生成）语义标注全局网格；可以用像素级2D语义分割的现成工具获得2D语义标签，获得细化的语义标签网格。

与真实值之间的颜色差异图

总结

Kimera是一个开源的C++库，用于可度量语义SLAM。它包括最新的可视的里程计实现、健壮的位姿图优化、网格重建和三维语义标记。它在CPU上实时运行，并提供一套连续的集成和基准测试工具，有兴趣的可以自行研究。