[發明專利]基于稠密視覺SLAM的無人機三維地圖快速重建方法

有效

• 申請號: 201910646511.3
• 申請日: 2019-07-17
• 公開（公告）號: CN110675483B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 黃方;楊浩;鐵博;陸俊;彭思遠;陳胤杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/246;G06T7/80
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 羅江

本發明公開了一種基于稠密視覺SLAM的無人機三維地圖快速重建方法，本發明發明ROS分布式計算架構特性，并結合視覺SLAM算法設計多節點分布式計算、通信的方式與策略，然后搭建ROS網絡，基于可視化工具對ROS下的節點運行狀態及圖像、三維信息進行實時監測。引入CUDA并行編程模型，分析三維地圖重建中的算法熱點，設計并行算法，并在嵌入式GPU平臺上對其實現，驗證其在處理速度上的提升。基于ROS分布式計算框架，設計與實現多進程節點的視覺SLAM三維地圖重建系統原型。通過運行實時的無人機載視覺傳感器圖像數據，驗證基于視覺SLAM的三維地圖重建算法的實用性，具有推廣應用的價值。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，尤其涉及一種基于稠密視覺SLAM的無人機三維地圖快速重建方法。

背景技術

近年來，地震滑坡泥石流等自然災害頻繁發生，使得災區遭受了不同程度的破壞，正因如此，在這些自然災害發生時，快速的應急救援相當重要。當此類自然災害發生時，由于道路可能遭到破壞，營救人員很難在第一時間趕赴現場。無人機因其靈活機動、成本低、受地面地形約束小的特點，在抗震救災等工作中得到了廣泛的應用，并且憑借其快速反應能力，在應急救援工作中發揮了巨大作用。與此同時，如果想要獲取災區的三維地形信息，無人機也可代替測繪人員進入危險地帶。無人機能夠巡航于云層以下，獲取的圖像數據分辨率高，稍加處理即可用于三維地圖重建。基于獲取的三維地圖，就可以獲知災區的受災程度，并且通過其提供的空間信息，決策者就能夠快速部署營救的方案與路線。目前，構建三維地圖的方法主要有以下3種。

測量建模的方法：需要外業人員來采集建筑物的影像數據，然后交由內業人員處理，通過數據融合建立白模，最后對白模進行紋理映射，最終生成所測區域的三維模型。生產工藝復雜、工作強度大，需要內外業人員具備專業素質。

傾斜攝影技術：通過在一架無人機上搭載五臺高分辨率的相機，同時獲取五個角度的影像數據，即一個垂直方向和四個傾斜方向，然后通過處理能夠構建精準的三維地圖。傾斜攝影測量技術使得三維城市地圖構建成本大大降低，。

同步定位與地圖創建

基于視覺的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)是一項新興的三維地圖構建技術，即在傳感器運動過程中，對運動軌跡進行估算，并構建周圍環境的三維信息。視覺SLAM用相機作為數據獲取的傳感器，有著信息量大、靈活性高、成本低、時效性高、易于進行嵌入式開發等優勢。當前，比較經典的SLAM算法有擴展卡爾曼濾波(EKF)方法、擴展信息濾波(EIF)方法、以及粒子濾波(PF)方法等，但上述方法并不能很好的解決大尺度范圍內的三維地圖重建。隨著硬件性能的大幅提升，并行計算技術的發展以及高效求解方法的出現，使得基于圖優化的方法重新成為SLAM發明的一個熱點。

傳統的三維地圖構建方法都是基于不同視角方向上的測區影像數據來實現其三維幾何重建，然而其生產周期長、成本高、過程繁瑣。在某些特定的應用場景，例如自然災害等，人們對快速應急救援的需求十分迫切，此時就需要能夠快速甚至實時地生成三維地圖，傳統的方法并不能很好地解決這一問題。總的來說，傳統方法的時效性差主要是存在以下三個方面的不足：(1)在數據獲取前有諸多前序步驟，且對數據精度要求高；(2)在大部分的無人機三維重建過程中，無人機僅僅作為獲取數據的工具，獲取數據后需要等待作業完成才能進行處理，無法實時地將三維信息反饋回來，這樣也無法充分利用無人機平臺的便捷性為三維地圖重建的時效性服務；(3)在對無人機影像數據進行圖像處理時，傳統方法由于其算法復雜度比較高，導致計算也相應比較耗時，加之無人機影像分辨率高、數據量大，使得從圖像序列到三維地圖這一過程計算很難快速完成。因此如何利用視覺SLAM技術實現高效率的無人機快速三維重建，是一個值得發明和關注的方向。

發明內容

本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于稠密視覺SLAM的無人機三維地圖快速重建方法。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：