一塊兒作RGB-D SLAM (1)

• 前言

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2016.11 更新

• 增長了對16.04的支持。
• 整理了過期的代碼。

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　　SLAM，即Simultaneous Localization and Mapping，中文譯做同時定位與地圖建立，是近幾十年裏機器人領域有重大發展的研究方向。做爲自主機器人的核心技術，SLAM在機器人導航、控制、生產等方面都有着重要的研究意義。尤爲在二十一世紀，以視覺傳感器爲中心的視覺SLAM技術，在理論和方法上都經歷了明顯的轉變與突破，正逐步從實驗室研究邁向成熟的市場應用。在國外研究如火如荼之際，它在國內的研究尚處於起步階段。有關SLAM的中文資料、書籍更是難以一見。然而，隨着機器人技術獲得國家的重視，愈來愈多的青年研究者、學生正逐漸跨入這片領域。本文檔則試圖爲這些剛走進SLAM的同事們，提供一些簡單而實際的參考。

　　小蘿蔔：師兄！你上面寫的都是些什麼東西啊！

　　師兄：都是些沒什麼卵用的廢話啊……可是沒這些東西文檔就不上檔次啊。

　　小蘿蔔：師兄！你別幹這些無聊的事情了！趕忙教我作SLAM啊！

　　師兄：前言才寫了一段，讀者會以爲我在敷衍他們的吧。算了，無論了，前兩天讓你跑的rgbd-slam怎麼樣了？

　　小蘿蔔：跑起來了！而後呢？

　　師兄：而後你就能夠調調參數，改改代碼啥的啊。

　　小蘿蔔：師兄！我看不懂！

　　師兄：呃這個……

　　小蘿蔔：師兄！你給我寫一個SLAM程序吧！

　　師兄：呃這個……

　　小蘿蔔：趕忙寫啦師兄！寫完了你請我吃飯！

　　師兄：吃飯啊，那好吧……

　　因而，師兄就開始寫這本文檔了。因爲師兄也不知道何時會寫完，因此他每寫一段就拿給小蘿蔔看（而後請他吃飯）。還好小蘿蔔熱情很高，每次師兄給他寫好的代碼，都拿回去仔細看並且跑了。這也給了師兄很大動力繼續往下寫。

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• 本文的目標

　　本文將帶領讀者本身動手去寫一個RGB-D SLAM程序。

　　由於我相信只有經過本身寫程序，才能真正懂得slam的原理。

　　小蘿蔔：爲何要寫一個SLAM程序，而不採用現有的代碼呢？

　　- 師兄：爲了更深的理解。

1. 一個完整的程序含有大量的算法與GUI的代碼，你讀一遍須要多久？弄清楚原理要多久？
2. 別人工具都作好了，代碼都寫完了，參數也調好了，你拿過來運行。那頂多給別人作一下評測。
3. 你早晚要本身寫代碼。

　　另外一方面，本身寫程序，不表明要用C++實現矩陣的線性代數。基本的庫咱們仍是會用的。

　　咱們要用的庫：OpenCV, PCL, g2o. 

　　還等什麼？趕忙動手吧！

 

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• 預備知識與編程環境

　　編程環境：ubuntu 12.04。建議讀者和咱們使用同樣或相似的環境。若是你（出於酷或者其餘什麼緣由）就是要用Arch/Fedora/Mac，請你本身配環境。

　　必備軟件的安裝：

1. OpenCV
   推薦從源代碼安裝的模式。編譯過程須要一點時間。
   Step 1.
   下載OpenCV源代碼： http://opencv.org/downloads.html。
   目前（2015.6）較好的版本是2.4系列，由於3.0系列還不完善（主要是沒文檔）。請把它下載到電腦上隨意一個目錄下。
   在下載過程當中，你能夠安裝依賴項。基本的依賴項是底下那些，直接拷貝到終端執行。
   

   1 sudo apt-get install build-essential libgtk2.0-dev libjpeg-dev libtiff4-dev libjasper-dev libopenexr-dev cmake python-dev python-numpy python-tk libtbb-dev libeigen2-dev yasm libfaac-dev libopencore-amrnb-dev libopencore-amrwb-dev libtheora-dev libvorbis-dev libxvidcore-dev libx264-dev libqt4-dev libqt4-opengl-dev sphinx-common texlive-latex-extra libv4l-dev libdc1394-22-dev libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev

   Step 2.
   把OpenCV解壓到下載目錄中，用cmake編譯再安裝.
   

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make
   sudo make install

   編譯過程須要一點時間，長短視你機器的配置而定。慢一點的可能一下午就過去了，請順便找點其餘事幹幹例如看場電影之類的。
   小蘿蔔：裝完以後OpenCV在哪裏呢？
   師兄：頭文件在/usr/local/include/，裏面有opencv和opencv2的頭文件。咱們基本只用opencv2啦。
   師兄：庫文件就在/usr/local/lib/下面，固然這些在install的時候都是能夠改動的，我列的是默認位置。
   小蘿蔔：師兄！剛纔用的cmake是什麼東西啊？
   師兄：cmake就是linux下的C++管理工具啦。簡單的代碼你能夠用g++一條條敲，再多些能夠用Makefile來管理，cmake就是自動生成makefile的工具，比makefile集成度更高一些。
   小蘿蔔：哦好的！我懂了師兄！請我吃飯哦！
   師兄：好！

   更新：你也可使用 sudo apt-get install libopencv-dev 安裝OpenCV 2.4.9 。

2. PCL
   

   PCL就是Point Cloud Library啦，處理點雲的必備工具。
   小蘿蔔：師兄！爲何要處理點雲？
   師兄：啊……忘了說了，這篇文檔是講RGB-D SLAM的呀，深度相機採出來的原本就是點雲數據啦。
   小蘿蔔：這麼重要的事情爲何你不放到開頭去講啊！
   師兄：我忘了……
   無論如何，PCL官網(http://pointclouds.org)上已經給出了ubuntu的安裝方法。由於不少開發工具在ubuntu上裝起來最方便，也比較適合小蘿蔔這種新手，因此咱們才選用了ubuntu。
   在Ubuntu 1404或更低版本，你須要經過私有源來安裝PCL庫
   Step 1.

   1 sudo add-apt-repository ppa:v-launchpad-jochen-sprickerhof-de/pcl
   2 sudo apt-get update
   3 sudo apt-get install libpcl-all

   在 Ubuntu 1604，PCL庫已經存在於公共軟件源中，直接安裝便可：

   sudo apt-get install libpcl-dev pcl-tools

    可是，在1604中PCL的配置彷佛有bug，須要在cmakelist中加一條指令修復。

   師兄：怎麼樣？是否是很簡單？
   小蘿蔔：是！
   師兄：那麼，相似的，你可否找到PCL的頭文件以及庫文件的安裝目錄呢？咱們把這個做爲留給讀者的做業吧！
   小蘿蔔：師兄你不怕讀者把你電話打爆嗎？

　　到這裏，必備的庫就安裝完了。以後若須要裝別的軟件，咱們會單獨講。

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• HELLO SLAM!

　　咱們已經安裝好了OpenCV和PCL，下面咱們開始來寫第一個程序吧！

　　小蘿蔔：終於能夠開始寫程序嘍！我最愛寫程序！我感到程序員之魂在我體內燃燒！

　　師兄：呃，但是咱們第一個程序要作什麼呢？

　　小蘿蔔：咱們立刻來寫SLAM吧！

　　師兄：但是那樣讀者能看懂嗎……咱們仍是從簡單的東西開始吧。

　　小蘿蔔：好！那就寫一個簡單的SLAM！

　　師兄：不不不，首先咱們來構建一個CMake項目，做爲從此寫代碼的模板。開頭讀者可能會以爲困難，可是萬事開頭難，後來你就慢慢習慣了。

　　Linux下的CMake項目一般由幾個文件夾組成。例如咱們今天講的slam，你能夠在機器上建一個叫slam的文件夾（注意：這個文件夾就是你代碼的根目錄了！）。而後往裏面建幾個子文件夾：

　　

　　bin 用來放編譯好的可執行二進制文件。
　　src 用來放源代碼。
　　lib 用來放編譯好的庫文件。
　　include 用來放頭文件。

　　爲何要用這種目錄結構呢？其實這是一種編譯習慣，固然你能夠把全部文件都擱一個目錄裏，可是這樣看起來很亂不是麼。一般咱們把源代碼和編譯好的東西分開。若是源代碼比較多，還會按模板分開。像opencv和pcl的代碼就是由好多個模塊組成的。

　　咱們要把目錄結構告訴cmake。因此咱們在代碼根目錄下寫一個CMakeLists.txt。cmake在生成代碼時，會讀這個文件，並按照它來編譯你的代碼。剛纔咱們對opencv進行編譯時，也採用了這個步驟。好，如今在代碼根目錄下新建一個CMakeLists.txt:

touch CMakeLists.txt

　　寫入：

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED( VERSION 2.8 ) #設定版本
PROJECT( slam ) #設定工程名
SET( CMAKE_CXX_COMPILER "g++") #設定編譯器
	
#設定可執行二進制文件的目錄
SET( EXECUTABLE_OUTPUT_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR}/bin) 
	
#設定存放編譯出來的庫文件的目錄
SET( LIBRARY_OUTPUT_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib) 
#而且把該目錄設爲鏈接目錄
LINK_DIRECTORIES( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib)
	
#設定頭文件目錄
INCLUDE_DIRECTORIES( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include)
	
#增長子文件夾，也就是進入源代碼文件夾繼續構建
ADD_SUBDIRECTORY( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/src)

　　井號後面的是個人註釋，只是爲了幫助你理解，你能夠不敲。經過這個文件，你應該瞭解了CMakeLists.txt的一些基本的用法。若是你想找一個系統的介紹，咱們提供了《CMake實踐》電子書，我認爲是一個不錯的參考資料。

　　小蘿蔔：等一下師兄！庫文件和二進制都是什麼啊！

　　師兄：二進制就是能夠直接運行的程序啦，庫文件呢，就是爲這些二進制提供函數的啦。有main函數的代碼能夠編譯成二進制，其餘的則編譯成庫文件。連接時，把庫文件鏈到二進制上，就能夠運行啦。

　　小蘿蔔：師兄我仍是不懂！

　　師兄：呃，那咱們仍是經過實例來作吧。在src/文件夾下新建一個main.cpp文件，輸入：

1 #include <iostream>
2 
3 int main(int argc, char**argv)
4 {
5     std::cout<<"Hello SLAM!"<<std::endl;
6     return 0;
7 }

　　這固然是個很簡單的，一目瞭然的程序。因此我也沒有加註釋。而後，咱們要從這個源代碼生成一個二進制。在src/目錄下新建一個CMakeLists.txt，輸入：

# 增長一個可執行的二進制
ADD_EXECUTABLE( main main.cpp )

　　這樣，cmake就會把這個main.cpp編譯成一個叫作main的二進制了。趕忙來試試吧。首先轉到代碼根目錄下，輸入：

1 mkdir build
2 cd build
3 cmake ..
4 make

　　編譯經過的話，就會在bin/目錄下生成一個main的二進制哦！若是你執行這個二進制，就會輸出Hello SLAM的語句啦！

　　是否是以爲這個程序太簡單了？不要緊，難的在後面呢！

　　小蘿蔔：難道這一講就這樣結束了？

　　師兄：是啊……畢竟寫得仍是蠻辛苦的，我得去休息一會。

　　小蘿蔔：但是咱們基本上沒寫什麼程序啊！

　　師兄：別急啊，你先把cmake好好學學，以後的工做都得在這上面作。

　　小蘿蔔：好吧！那師兄咱們下一講要作什麼呢？
　　師兄：嗯，咱們會用opencv讀個圖，再把它轉成點雲，怎麼樣？
　　小蘿蔔：聽起來不難啊，那下一講再見啦！

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　　本文的pdf版本，源代碼，圖片等資源可在個人git裏下載到。

　　網址: https://github.com/gaoxiang12/rgbd-slam-tutorial-gx