基于光线碰撞检测的轻量化实时三维重建系统

作     者：陈昌川 丁锡烽 王亦何 孙霞 乔飞 CHEN Chang-chuan;DING Xi-feng;WANG Yi-he;SUN Xia;QIAO Fei

作者机构：重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 清华大学电子工程系北京100084 重庆工程学院电子信息学院重庆400056 

出 版 物：《电子学报》 (Acta Electronica Sinica)

年 卷 期：2024年第52卷第12期

页      面：4074-4086页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 081203[工学-计算机应用技术] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：新疆维吾尔自治区重点研发计划(No.2022B01008-3) 国家自然科学基金(No.92164203,No.62334006) 重庆市教委重点项目(No.KJZD-K202301901) 重庆市科委项目(NO.2023NSCQ-MSX4308) 陕西省重点研发计划(No.2023-YBNY-222) 

主　　题：三维重建 TSDF 同时定位与地图构建 ORB_SLAM2 光线碰撞检测 

摘      要：针对小型机器人在复杂环境中进行实时定位与建图时,存在机载端CPU(Central Processing Unit)计算资源不足,建图精度差、探索效率低的问题.本文提出一种基于同时定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)、截断符号距离函数(Truncated Signed Distance Function,TSDF)实时的三维重建方法 .该方法基于深度相机或双目相机获取重建目标及场景的RGB(Red Green Blue)图和深度图,同时基于ORB_SLAM2获取位姿信息;采用基于特征点云数据的表面重建算法TSDF与深度图相结合,实现一种实时三维场景重建;为了降低三维重建模型与真实场景的误差,提出一种采用光线碰撞检测融合特征点的方法,并结合优化策略减小光线投影距离与体素到物体表面距离的误差.通过优化后的TSDF值,保证了重建场景的完整性.在ASL(Autonomous Systems Lab)开源数据集上,相比于Voxblox、Voxfield和VDBblox,该系统三维重建模型的均方根误差分别下降了55.6%、47.11%、21.7%,相比于Voxblox、Voxfield,系统地图更新速率分别提升了9.7%和12.9%.最后,将该系统用于室内场景实验,地图平均每帧更新速率为7.35 ms/帧,验证了所提系统的可行性和有效性.