一起做RGB-D SLAM (1)

• 前言

---

2016.11 更新

• 增加了对16.04的支持。
• 整理了过时的代码。

---

　　SLAM，即Simultaneous Localization and Mapping，中文译作同时定位与地图创建，是近几十年里机器人领域有重大发展的研究方向。作为自主机器人的核心技术，SLAM在机器人导航、控制、生产等方面都有着重要的研究意义。尤其在二十一世纪，以视觉传感器为中心的视觉SLAM技术，在理论和方法上都经历了明显的转变与突破，正逐步从实验室研究迈向成熟的市场应用。在国外研究如火如荼之际，它在国内的研究尚处于起步阶段。有关SLAM的中文资料、书籍更是难以一见。然而，随着机器人技术得到国家的重视，越来越多的青年研究者、学生正逐渐跨入这片领域。本文档则试图为这些刚走进SLAM的同事们，提供一些简单而实际的参考。

　　小萝卜：师兄！你上面写的都是些什么东西啊！

　　师兄：都是些没什么卵用的废话啊……但是没这些东西文档就不上档次啊。

　　小萝卜：师兄！你别干这些无聊的事情了！赶紧教我做SLAM啊！

　　师兄：前言才写了一段，读者会觉得我在敷衍他们的吧。算了，不管了，前两天让你跑的rgbd-slam怎么样了？

　　小萝卜：跑起来了！然后呢？

　　师兄：然后你就可以调调参数，改改代码啥的啊。

　　小萝卜：师兄！我看不懂！

　　师兄：呃这个……

　　小萝卜：师兄！你给我写一个SLAM程序吧！

　　师兄：呃这个……

　　小萝卜：赶紧写啦师兄！写完了你请我吃饭！

　　师兄：吃饭啊，那好吧……

　　于是，师兄就开始写这本文档了。由于师兄也不知道什么时候会写完，所以他每写一段就拿给小萝卜看（然后请他吃饭）。还好小萝卜热情很高，每次师兄给他写好的代码，都拿回去仔细看而且跑了。这也给了师兄很大动力继续往下写。

---

• 本文的目标

　　本文将带领读者自己动手去写一个RGB-D SLAM程序。

　　因为我相信只有通过自己写程序，才能真正懂得slam的原理。

　　小萝卜：为什么要写一个SLAM程序，而不采用现有的代码呢？

　　- 师兄：为了更深的理解。

1. 一个完整的程序含有大量的算法与GUI的代码，你读一遍需要多久？弄清楚原理要多久？
2. 别人工具都做好了，代码都写完了，参数也调好了，你拿过来运行。那顶多给别人做一下评测。
3. 你迟早要自己写代码。

　　另一方面，自己写程序，不代表要用C++实现矩阵的线性代数。基本的库我们还是会用的。

　　我们要用的库：OpenCV, PCL, g2o.

　　还等什么？赶紧动手吧！

---

• 预备知识与编程环境

　　编程环境：ubuntu 12.04。建议读者和我们使用一样或类似的环境。如果你（出于酷或者其他什么原因）就是要用Arch/Fedora/Mac，请你自己配环境。

　　必备软件的安装：

1. OpenCV
   推荐从源代码安装的模式。编译过程需要一点时间。
   Step 1.
   下载OpenCV源代码： http://opencv.org/downloads.html。
   目前（2015.6）较好的版本是2.4系列，因为3.0系列还不完善（主要是没文档）。请把它下载到电脑上随意一个目录下。
   在下载过程中，你可以安装依赖项。基本的依赖项是底下那些，直接拷贝到终端执行。

    sudo apt-get install build-essential libgtk2.-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--dev libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev

   Step 2.
   把OpenCV解压到下载目录中，用cmake编译再安装.

   mkdir build
   cd build
   cmake ..
   make
   sudo make install

   编译过程需要一点时间，长短视你机器的配置而定。慢一点的可能一下午就过去了，请顺便找点其他事干干例如看场电影之类的。
   小萝卜：装完之后OpenCV在哪里呢？
   师兄：头文件在/usr/local/include/，里面有opencv和opencv2的头文件。我们基本只用opencv2啦。
   师兄：库文件就在/usr/local/lib/下面，当然这些在install的时候都是可以改动的，我列的是默认位置。
   小萝卜：师兄！刚才用的cmake是什么东西啊？
   师兄：cmake就是linux下的C++管理工具啦。简单的代码你可以用g++一条条敲，再多些可以用Makefile来管理，cmake就是自动生成makefile的工具，比makefile集成度更高一些。
   小萝卜：哦好的！我懂了师兄！请我吃饭哦！
   师兄：好！

   更新：你也可以使用 sudo apt-get install libopencv-dev 安装OpenCV 2.4.9 。

2. PCL

   PCL就是Point Cloud Library啦，处理点云的必备工具。
   小萝卜：师兄！为什么要处理点云？
   师兄：啊……忘了说了，这篇文档是讲RGB-D SLAM的呀，深度相机采出来的本来就是点云数据啦。
   小萝卜：这么重要的事情为什么你不放到开头去讲啊！
   师兄：我忘了……
   不管如何，PCL官网(http://pointclouds.org)上已经给出了ubuntu的安装方法。因为很多开发工具在ubuntu上装起来最方便，也比较适合小萝卜这种新手，所以我们才选用了ubuntu。
   在Ubuntu 1404或更低版本，你需要通过私有源来安装PCL库
   Step 1.

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

   在 Ubuntu 1604，PCL库已经存在于公共软件源中，直接安装即可：

   sudo apt-get install libpcl-dev pcl-tools

   但是，在1604中PCL的配置似乎有bug，需要在cmakelist中加一条指令修复。

   师兄：怎么样？是不是很简单？
   小萝卜：是！
   师兄：那么，类似的，你能否找到PCL的头文件以及库文件的安装目录呢？我们把这个作为留给读者的作业吧！
   小萝卜：师兄你不怕读者把你电话打爆吗？

　　到这里，必备的库就安装完了。之后若需要装别的软件，我们会单独讲。

---

• HELLO SLAM!

　　我们已经安装好了OpenCV和PCL，下面我们开始来写第一个程序吧！

　　小萝卜：终于可以开始写程序喽！我最爱写程序！我感到程序员之魂在我体内燃烧！

　　师兄：呃，可是我们第一个程序要做什么呢？

　　小萝卜：我们马上来写SLAM吧！

　　师兄：可是那样读者能看懂吗……我们还是从简单的东西开始吧。

　　小萝卜：好！那就写一个简单的SLAM！

　　师兄：不不不，首先我们来构建一个CMake项目，作为今后写代码的模板。开头读者可能会觉得困难，但是万事开头难，后来你就慢慢习惯了。

　　Linux下的CMake项目通常由几个文件夹组成。例如我们今天讲的slam，你可以在机器上建一个叫slam的文件夹（注意：这个文件夹就是你代码的根目录了！）。然后往里面建几个子文件夹：

　　

　　bin 用来放编译好的可执行二进制文件。
　　src 用来放源代码。
　　lib 用来放编译好的库文件。
　　include 用来放头文件。

　　为什么要用这种目录结构呢？其实这是一种编译习惯，当然你可以把所有文件都搁一个目录里，但是这样看起来很乱不是么。通常我们把源代码和编译好的东西分开。如果源代码比较多，还会按模板分开。像opencv和pcl的代码就是由好多个模块组成的。

　　我们要把目录结构告诉cmake。所以我们在代码根目录下写一个CMakeLists.txt。cmake在生成代码时，会读这个文件，并按照它来编译你的代码。刚才我们对opencv进行编译时，也采用了这个步骤。好，现在在代码根目录下新建一个CMakeLists.txt:

touch CMakeLists.txt

　　写入：

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED( VERSION 2.8 ) #设定版本
PROJECT( slam ) #设定工程名
SET( CMAKE_CXX_COMPILER "g++") #设定编译器

#设定可执行二进制文件的目录
SET( EXECUTABLE_OUTPUT_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR}/bin) 

#设定存放编译出来的库文件的目录
SET( LIBRARY_OUTPUT_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib)
#并且把该目录设为连接目录
LINK_DIRECTORIES( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib)

#设定头文件目录
INCLUDE_DIRECTORIES( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/include)

#增加子文件夹，也就是进入源代码文件夹继续构建
ADD_SUBDIRECTORY( ${PROJECT_SOURCE_DIR}/src)

　　井号后面的是我的注释，只是为了帮助你理解，你可以不敲。通过这个文件，你应该了解了CMakeLists.txt的一些基本的用法。如果你想找一个系统的介绍，我们提供了《CMake实践》电子书，我认为是一个不错的参考资料。

　　小萝卜：等一下师兄！库文件和二进制都是什么啊！

　　师兄：二进制就是可以直接运行的程序啦，库文件呢，就是为这些二进制提供函数的啦。有main函数的代码可以编译成二进制，其他的则编译成库文件。链接时，把库文件链到二进制上，就可以运行啦。

　　小萝卜：师兄我还是不懂！

　　师兄：呃，那我们还是通过实例来做吧。在src/文件夹下新建一个main.cpp文件，输入：

 #include <iostream>

 int main(int argc, char**argv)
 {
     std::cout<<"Hello SLAM!"<<std::endl;
     return ;
 }

　　这当然是个很简单的，一目了然的程序。所以我也没有加注释。然后，我们要从这个源代码生成一个二进制。在src/目录下新建一个CMakeLists.txt，输入：

# 增加一个可执行的二进制
ADD_EXECUTABLE( main main.cpp )

　　这样，cmake就会把这个main.cpp编译成一个叫做main的二进制了。赶紧来试试吧。首先转到代码根目录下，输入：

 mkdir build
 cd build
 cmake ..
 make

　　编译通过的话，就会在bin/目录下生成一个main的二进制哦！如果你执行这个二进制，就会输出Hello SLAM的语句啦！

　　是不是觉得这个程序太简单了？没关系，难的在后面呢！

　　小萝卜：难道这一讲就这样结束了？

　　师兄：是啊……毕竟写得还是蛮辛苦的，我得去休息一会。

　　小萝卜：可是我们基本上没写什么程序啊！

　　师兄：别急啊，你先把cmake好好学学，之后的工作都得在这上面做。

　　小萝卜：好吧！那师兄我们下一讲要做什么呢？
　　师兄：嗯，我们会用opencv读个图，再把它转成点云，怎么样？
　　小萝卜：听起来不难啊，那下一讲再见啦！

---

　　本文的pdf版本，源代码，图片等资源可在我的git里下载到。

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