自学视觉SLAM（1）

引言

小编研究生的研究方向是视觉SLAM，目前在自学，本篇文章为初学高翔老师课的第一次作业。

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1 熟悉 Linux

1.1 如何在 Ubuntu 中安装软件（命令⾏界⾯）？它们通常被安装在什么地⽅？

可以使用 sudo apt install XXX
普通安装：sudo apt-get install XXX
修复安装：sudoapt-get -f install XXX
重新安装：sudo apt-get -f reinstall XXX

在linux中文件与软件一般都是安装在到/usr/share和/usr/local中了，如果我们需要查看软件安装路径linux为我们提供了查看命令，whereis就可以帮我查找文件安装路径在哪里了，which可以查询在哪里运行。

/usr/下系统自带的程序，/usr/local/是用户安装的程序
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1.2 linux 的环境变量是什么？我如何定义新的环境变量？

环境变量，就是存在当前环境中的变量，无论是Linux还是Windows，都有环境变量。比如，最常用的环境变量PATH,JAVA_HOME。Windows下的环境变量如图所示.

按照序号①②③操纵即可

Linux下的环境变量可以用以下命令查看：

①定义环境变量： export OUTDIR=/opt export可以认为是导出的意思 OUTDIR是环境变量的名字，然后加上一个值，这个值是一个路径
②显示环境变量： echo $OUTDIR或者echo $OUTDIR/si ，可以用echo将它显示出来，或者用在一个字符串里也可以
③查看所有环境变量： printenv

环境变量可以在当前终端中使用，也可以在一个脚本里面执行的时候直接调用，但是环境变量的范围仅仅局限于当前这个终端环境中，将它关闭或是重开一个都是没有的。

环境变量更加细分如下：
①用户环境变量：就是对当前用户有效的那些环境变量。定义在~/.profile中(在有的Linux系统中定义在.bash_profile中)，其在主目录下，是一个隐藏文件，直接使用ls命令无法查看，需要使用ls -la查看，a表示all，显示所有文件。在Linux下，以.开头的文件为隐藏文件。
我们可以用vim查看，输入命令行:vim .profile,进入后我们可以添加环境变量，比如我们添加一个,输入export JAVA_HOME=/opt/jdk1.8（路径不存在没有关系），然后保存关闭保存后我们需要注销一下才可以生效。

②系统环境变量：用户环境变量只对当前用户有效，如果想定义一个变量对所有用户都有效的话，需要系统环境变量。系统环境变量定义在/etc/profile中，想要执行必须以root超级用户来执行。同样的，输入命令vim /etc/profile进入，但是一般不直接修改/etc/profile,而是在/etc/profile.d/ 创建一个自定义的脚本。
以下命令为演示：
vim /etc/profile.d/myprofile.sh 用vim创建一个脚本
export TOMCAT=/opt/tomcat 定义环境变量，然后保存，注销并重新登陆

③PATH环境变量：最常见的一个环境变量，用于描述可执行程序的搜索路径
echo $PATH 查看当前的PATH环境变量（为一堆路径，多个路径之间以：分割）
1.编辑/etc/profile.d/myprofile.sh
设定PATH环境变量
export PATH=$PATH:/opt/tomcat/bin
最后保存注销重新登陆

这三种环境变量，①和②比较简单，这里便不在演示，这里着重演示以下③

用vim打开我们的PATH环境变量设置

1.3 linux 根⽬录下⾯的⽬录结构是什么样的？⾄少说出 3 个⽬录的⽤途。

1.4 假设我要给 a.sh 加上可执⾏权限，该输⼊什么命令？

chmod a+w a.sh 所有人all添加w权限
chmod a-w a.sh 所有人减去w权限
chmod u+w a.sh仅用户suer自己的权限 +w
chmod o-w a.sh 修改别人other的权限-w
chmod +w a.sh 同下
chmod -w a.sh 前面不写的话是默认修改自己和本组的权限

链接: link如果大家想看更具体的，可以看我之前写过的博客，此为连接

1.5 假设我要将 a.sh ⽂件的所有者改成 xiang:xiang/root，该输⼊什么命令？

链接: link如果大家想看更具体的，可以看我之前写过的博客，此为连接

2 SLAM 综述文献阅读

2.1 SLAM 会在哪些场合中⽤到？⾄少列举三个⽅向。

1.手持设备定位
2.自动驾驶定位
3.AR（增强现实）

2.2 SLAM 中定位与建图是什么关系？为什么在定位的同时需要建图？

定位是为了精确地确定当前设备在某个环境中的姿态和位置；建图将周围环境的观测部分整合到一个单一的模型中。最初定位和建图是两个相互独立的关系，后来发现这两个步骤是相互依赖的。建图的准确性依赖于定位精度，而定位的实现又离不开精确的建图。

SLAM强调在未知环境下进行整个过程，如果在未知环境下进行定位，首先需要能够识别并理解周围的环境。再利用环境中的外部信息作为定位的基准，所以需要对所处的环境进行建图。

2.3 SLAM 发展历史如何？我们可以将它划分成哪⼏个阶段？

定位与建图（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技术最早由 Randall C. Smith 和Peter Cheeseman 于 1986 年提出，后经 Leonard 等扩充.
Cadena 将 SLAM 的 发 展 分 为 两 个阶段:古 典 时 代 ( 1986—2004 年 ) 与 算 法 分 析 时 代( 2004—2015 年).

在 古 典 时 代,SLAM 算 法 处 于probabilistic SLAM 阶段,算 法 包 括 扩 展 卡 尔 曼 滤 波(
extended Kalman filter, EKF ) 、 Rao-Blackwellized 粒子滤 波、 以 及 最 大 似 然 估
计 等。
2007 年, Davison 等提 出 了 MonoSLAM, 这 是 第 一 个 实 时 的 视 觉SLAM系统,以一个单目相 机 作 为 输 入,实 现 对 相 机位置 的 定 位, 并 构 建 由 高 质 量 特 征 构 成 的 稀 疏 3D地图。同 年, Klein等提 出 了 PTAM, 将 位 置 估 计 ( tracking ) 与 建 图( mapping)并行运行,以提高运行效率。
2014 年,Forster 等提 出了 SVO,采用半直接法,具 有 极 高 的 运 行 速 度,但 该方法 只 实 现 了 视 觉 里 程 计 的 功 能。
2015 年, Mur-Artal 等提 出 了 ORB-SLAM, 使 用 了FAST 角 点以 及 ORB ( orientedbrief) 描述子[,使系统具有更高的运行速度。
2017 年,Mur-Artal等进一步提出了 ORB-SLAM2,支持了双目以及 RGB-D 摄像机模式,并加入全局优化、纯定位模式 等 改 进。
2020年,Zubizarreta 等提 出 了 基 于 直 接 法 的 完 整 单 目SLAM 系统 DSM,具 有 优 秀 的 速 度 与 精度。

参考文献：
[1]曾庆化,罗怡雪,孙克诚,等. 视觉及其融合惯性的SLAM技术发展综述[J]. 南京航空航天大学学报,2022,54(6):1007-1020. DOI:10.16356/j.1005-2615.2022.06.002.
[2]高翔，张涛，刘毅，等 . 视觉 SLAM 十四讲：从理论到实践［M］. 北京：电子工业出版社，2019.
[3]万泽宇,丁朝阳,王怡阳,等. 同步定位与建图技术的发展现状[J]. 微纳电子与智能造,2022,4(2):22-45. DOI:10.19816/j.cnki.10-1594/tn.2022.02.022.

2.4 列举三篇在 SLAM 领域的经典⽂献。

[1] Mur-Artal R, Montiel J M M, Tardos J D. ORB-SLAM: a versatile and accurate monocular SLAM system[J]. IEEE transactions on robotics, 2015, 31(5): 1147-1163.

[2] Davison A J, Reid I D, Molton N D, et al. MonoSLAM: Real-time single camera SLAM[J]. IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence, 2007, 29(6): 1052-1067.

[3] Durrant-Whyte H, Bailey T. Simultaneous localization and mapping: part I[J]. IEEE robotics & automation magazine, 2006, 13(2): 99-110.

3 CMake 练习

3.1书写⼀个由 cmake 组织的 C++ ⼯程，要求如下：

1. include/hello.h 和 src/hello.c 构成了 libhello.so 库。 hello.c 中提供⼀个函数 sayHello()，调⽤此函数时往屏幕输出⼀⾏“Hello SLAM”。
2. ⽂件 useHello.c 中含有⼀个 main 函数，它可以编译成⼀个可执⾏⽂件，名为“sayhello”。
3. 默认⽤ Release 模式编译这个⼯程。
4. 如果⽤户使⽤ sudo make install，那么将 hello.h 放⾄/usr/local/include/下，将 libhello.so 放
   ⾄/usr/local/lib/下。

首先我们理以下文件，清晰以下工程结构：

include中放头文件，src中放源文件。

运行指令：

cd cmakebuild2
cmake ..
make
./sayHello
1
2
3
4

输入以下指令即可运行出Hello SLAM！

这里只做简单的运行演示，如果需要是自学小白需要从头看演示的，可以看我写的一篇cmake的使用教程，包括两部分内容，一部分是简单的直接编译，另一种是稍微复杂的包含库的。
链接如下：
链接: cmake使用

4 理解 ORB-SLAM2 框架

1. 从 github.com 下载 ORB-SLAM2 的代码。地址在： https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2.
   提⽰：在安装 git 之后，可以⽤ git clone https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2 命令下载
   ORB-SLAM2。下载完成后，请给出终端截图。

命令：

git clone https://ghproxy.com/https://github.com/raulmur/ORB_SLAM2
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2. 此时我们不着急直接运⾏ ORB-SLAM2，让我们⾸先来看它的代码结构。 ORB-SLAM2 是⼀个
cmake ⼯程，所以可以从 CMakeLists.txt 上⾯来了解它的组织⽅式。阅读 ORB-SLAM2 代码⽬录
下的 CMakeLists.txt，回答问题：
(a) ORB-SLAM2 将编译出什么结果？有⼏个库⽂件和可执⾏⽂件？
(b) ORB-SLAM2 中的 include, src, Examples 三个⽂件夹中都含有什么内容？
© ORB-SLAM2 中的可执⾏⽂件链接到了哪些库？它们的名字是什么？

(a) ORB-SLAM2 将编译出什么结果？有⼏个库⽂件和可执⾏⽂件？
使用cmeke …进行编译，编译结果如下：

可以编译出5个可执行文件和1个库文件。

凡是有add_library的都是库文件
1.只有一个，在CMakeLists.txt的第51-71行
…
` 凡是有add_executable的都是可执行文件 阅读文件可知
1.add_executable(rgbd_tum Examples/RGB-D/rgbd_tum.cc)
2.add_executable(stereo_kitti Examples/Stereo/stereo_kitti.cc)
3.add_executable(stereo_euroc Examples/Stereo/stereo_euroc.cc)
4.add_executable(mono_tum Examples/Monocular/mono_tum.cc)
5.add_executable(mono_kitti Examples/Monocular/mono_kitti.cc)
6.add_executable(mono_euroc Examples/Monocular/mono_euroc.cc)

(b) ORB-SLAM2 中的 include, src, Examples 三个⽂件夹中都含有什么内容？

include下是20个头文件。src下是19个源文件。
include文件夹包含：对应src中程序的代码函数头文件
src文件夹包含：相应程序的代码函数的c++文件
Examples文件夹包含：对应不同类别的相机的主程序，包含单目，RGBD，双目以及ROS，编译通过之后可执行文件会存放在这些文件夹中;

© ORB-SLAM2 中的可执⾏⽂件链接到了哪些库？它们的名字是什么？

（1）OPENCV_LIBS

（2）EIGEN3_LIBS

（3）Pangolin_LIBRARIES

（4）/ORB-SLAM2/Thirdparty/DBoW2/lib/libDBoW2.so

（5）/ORB-SLAM2/Thirdparty/g2o/lib/libg2o.so

最后一道题运行ORB_SLAM2，因为内容过多，我分别以两篇博客单独写了
链接: 保姆教程教你如何使用自己的视频运行ORB-SLAM2
链接: 保姆教程教你如何使用摄像头运行ORB-SLAM2