从零开始设计VSLAM系统：基于smoothly-vslam项目的实践指南

2025-06-04 00:48:18作者：戚魁泉Nursing

引言

视觉SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技术是计算机视觉和机器人领域的重要研究方向。本文将基于smoothly-vslam项目，详细介绍如何从零开始设计一个完整的VSLAM系统。我们将从工程框架搭建到核心算法实现，逐步讲解VSLAM系统的设计思路和实现方法。

一、工程框架搭建

1.1 C++工程目录结构

一个良好的工程结构是项目成功的基础。对于VSLAM系统，我们采用以下目录结构：

project_root/
├── bin/                # 存放编译生成的二进制文件
├── include/            # 头文件目录
│   └── myslam/         # 项目专属头文件
├── src/                # 源代码文件
├── test/               # 测试代码
├── config/             # 配置文件
└── cmake_modules/      # 第三方库的CMake文件

这种结构具有以下优点：

模块化清晰，便于维护
避免头文件命名冲突
便于扩展和测试

1.2 构建工具选择

我们使用CMake作为构建工具，它是现代C++项目的事实标准。CMake的主要优势在于：

跨平台支持
强大的依赖管理
灵活的构建配置

二、核心算法模块设计

2.1 前端设计

前端是VSLAM系统的实时处理部分，主要职责包括：

特征提取与追踪
- 采用ORB特征：平衡性能与精度
- 使用光流法进行特征追踪：保证实时性
位姿估计
- 基于匀速运动模型初始化
- 使用Bundle Adjustment优化位姿
关键帧判定
- 基于追踪点数量和质量
- 触发后端优化

2.2 后端优化

后端负责全局一致性优化，主要特点：

优化策略
- 局部窗口优化（7个关键帧）
- 基于g2o或GTSAM实现
线程管理
- 独立优化线程
- 条件变量触发机制

2.3 回环检测

回环检测模块的关键设计：

特征匹配
- 使用DBoW3进行快速图像检索
- 几何一致性验证
位姿图优化
- 校正累积误差
- 保证全局一致性

2.4 地图管理

地图模块的设计考虑：

地图表示
- 稀疏特征点地图
- 关键帧位姿图
数据关联
- 特征点与关键帧的关联
- 高效的查询机制

三、核心数据结构设计

3.1 Frame类

表示单帧图像的核心信息：

class Frame {
public:
    typedef std::shared_ptr<Frame> Ptr;
    
    unsigned long id_;                // 帧ID
    double time_stamp_;               // 时间戳
    SE3 pose_;                       // 位姿
    cv::Mat left_img_, right_img_;    // 左右图像
    
    // 特征点相关
    std::vector<std::shared_ptr<Feature>> features_left_;
    std::vector<std::shared_ptr<Feature>> features_right_;
    
    // 关键帧标志
    bool is_keyframe_ = false;
};

3.2 Feature类

表示图像特征点：

class Feature {
public:
    typedef std::shared_ptr<Feature> Ptr;
    
    std::weak_ptr<Frame> frame_;      // 所属帧
    cv::KeyPoint position_;           // 2D位置
    std::weak_ptr<MapPoint> map_point_; // 关联地图点
    
    bool is_outlier_ = false;         // 外点标志
};

3.3 MapPoint类

表示三维地图点：

class MapPoint {
public:
    typedef std::shared_ptr<MapPoint> Ptr;
    
    unsigned long id_;                // 点ID
    Vec3 pos_;                       // 3D位置
    std::mutex data_mutex_;           // 数据锁
    
    // 观测关系
    std::list<std::weak_ptr<Feature>> observations_;
    
    // 描述子
    cv::Mat descriptor_;
};

3.4 Map类

管理整个SLAM地图：

class Map {
public:
    typedef std::shared_ptr<Map> Ptr;
    
    // 数据存储
    std::unordered_map<unsigned long, Frame::Ptr> keyframes_;
    std::unordered_map<unsigned long, MapPoint::Ptr> map_points_;
    
    // 线程安全操作
    void InsertKeyFrame(Frame::Ptr frame);
    void InsertMapPoint(MapPoint::Ptr map_point);
    
    // 激活地图管理
    std::vector<Frame::Ptr> GetActiveKeyFrames();
    std::vector<MapPoint::Ptr> GetActiveMapPoints();
};