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g2o（4）边

发布时间 2023-11-15 23:02:43作者: MKT-porter

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxOTczOTM4NA==&mid=2247487082&idx=1&sn=d4a27e4c9a76760fffb571f57f4f7719&chksm=97d7ebfda0a062eba412877e9ecf5933f2051f0210c0d56f03267985512d97f2db434ab7356c&cur_album_id=1361700104461467649&scene=189#wechat_redirect

 

一元边你可以理解为一条边只连接一个顶点

两元边理解为一条边连接两个顶点

多元边理解为一条边可以连接多个（3个以上）顶点

 一元一个点

曲线优化

三个参数，打包[a,b,c] 算一个点，没有[a1,b1,c1]  [ai,bi,ci]多个参数

 一元多个点

位姿优化或者三维点优化

1元[Rt] 或 [x,y,z] 打包算一个点

有多个点（多个优化位姿或者三维点）

 

二元多个点

元1 位姿  多个位姿

元2 三维点 多个点

函数

 BaseBinaryEdge<2, Vector2D, VertexSBAPointXYZ, VertexSE3Expmap>

参数D, E, VertexXi, VertexXj，

D 是 int 型，表示测量值的维度 （dimension）
E 表示测量值的数据类型
VertexXi，VertexXj 分别表示不同顶点的类型

 

函数例子说明

三维点投影到图像平面的重投影误差

 BaseBinaryEdge<2, Vector2D, VertexSBAPointXYZ, VertexSE3Expmap>

参数1 纬度 2维

参数2 类型 Vector2D 两个顶点

参数3 两个顶点也就是优化变量分别是三维点 VertexSBAPointXYZ，和李群位姿VertexSE3Expmap

函数

virtual bool read(std::istream& is);
virtual bool write(std::ostream& os) const;
virtual void computeError();
virtual void linearizeOplus();

read，write：分别是读盘、存盘函数，一般情况下不需要进行读/写操作的话，仅仅声明一下就可以
computeError函数：非常重要，是使用当前顶点的值计算的测量值与真实的测量值之间的误差
linearizeOplus函数：非常重要，是在当前顶点的值下，该误差对优化变量的偏导数，也就是我们说的Jacobian

 

除了上面几个成员函数，还有几个重要的成员变量和函数也一并解释一下：

_measurement：存储观测值
_error：存储computeError() 函数计算的误差
_vertices[]：存储顶点信息，比如二元边的话，_vertices[] 的大小为2，存储顺序和调用setVertex(int, vertex) 是设定的int 有关（0 或1）
setId(int)：来定义边的编号（决定了在H矩阵中的位置）
setMeasurement(type) 函数来定义观测值
setVertex(int, vertex) 来定义顶点
setInformation() 来定义协方差矩阵的逆

　　

例子0 通用模型 一元边

class myEdge: public g2o::BaseBinaryEdge<errorDim, errorType, Vertex1Type, Vertex2Type>
  {
      public:
      EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW      
      myEdge(){}     
      virtual bool read(istream& in) {}
      virtual bool write(ostream& out) const {}      
      virtual void computeError() override
      {
          // ...
          _error = _measurement - Something;
      }      
      virtual void linearizeOplus() override
      {
          _jacobianOplusXi(pos, pos) = something;
          // ...         
          /*
          _jocobianOplusXj(pos, pos) = something;
          ...
          */
      }      
      private:
      // data
  }

最重要的就是

误差计算 computeError()，

雅克比方程 linearizeOplus()两个函数了

 

 

例子1 曲线拟合 一元边

参数1 纬度 1维

参数2 类型 double

 

定义

// 误差模型 模板参数：观测值维度，类型，连接顶点类型
class CurveFittingEdge : public g2o::BaseUnaryEdge<1, double, CurveFittingVertex> {
public:
  EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
 
  CurveFittingEdge(double x) : BaseUnaryEdge(), _x(x) {}
 
  // 计算曲线模型误差，测量值减去估计值得到误差。
  virtual void computeError() override {
    const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
    const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
    _error(0, 0) = _measurement - std::exp(abc(0, 0) * _x * _x + abc(1, 0) * _x + abc(2, 0));
  }
 
  // 计算雅可比矩阵，和上一篇高斯牛顿法里面的求解方式是一样的。
  virtual void linearizeOplus() override {
    const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
    const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
    double y = exp(abc[0] * _x * _x + abc[1] * _x + abc[2]);
    _jacobianOplusXi[0] = -_x * _x * y;
    _jacobianOplusXi[1] = -_x * y;
    _jacobianOplusXi[2] = -y;
  }
 
  virtual bool read(istream &in) {}
 
  virtual bool write(ostream &out) const {}
 
public:
  double _x;  // x 值， y 值为 _measurement
};

　　

 

例子2 3D-2D点的PnP 最小化重投影误差问题 二元边

 二元边 定义

//继承了BaseBinaryEdge类，观测值是2维，类型Vector2D,顶点分别是三维点、李群位姿
class G2O_TYPES_SBA_API EdgeProjectXYZ2UV : public  BaseBinaryEdge<2, Vector2D, VertexSBAPointXYZ, VertexSE3Expmap>{
  public:
    EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW;
    //1. 默认初始化
    EdgeProjectXYZ2UV();
    //2. 计算误差
    void computeError()  {
      //李群相机位姿v1
      const VertexSE3Expmap* v1 = static_cast<const VertexSE3Expmap*>(_vertices[1]);
      // 顶点v2
      const VertexSBAPointXYZ* v2 = static_cast<const VertexSBAPointXYZ*>(_vertices[0]);
      //相机参数
      const CameraParameters * cam
        = static_cast<const CameraParameters *>(parameter(0));
     //误差计算，测量值减去估计值，也就是重投影误差obs-cam
     //估计值计算方法是T*p,得到相机坐标系下坐标，然后在利用camera2pixel()函数得到像素坐标。
      Vector2D obs(_measurement);
      _error = obs-cam->cam_map(v1->estimate().map(v2->estimate()));
    }
    //3. 线性增量函数，也就是雅克比矩阵J的计算方法
    virtual void linearizeOplus();
    //4. 相机参数
    CameraParameters * _cam; 
    bool read(std::istream& is);
    bool write(std::ostream& os) const;
};

 

解析理解
v1->estimate().map(v2->estimate())
用V1估计的pose把V2代表的三维点，变换到相机坐标系三维点下。

_error = obs - cam->cam_map(v1->estimate().map(v2->estimate()));

　

cam_map函数，它的定义在

g2o/types/sba/types_six_dof_expmap.cpp

cam_map 函数功能是把相机坐标系下三维点（输入）用内参转换为图像坐标（输出），具体代码如下所示

Vector2  CameraParameters::cam_map(const Vector3 & trans_xyz) const {
  Vector2 proj = project2d(trans_xyz);
  Vector2 res;
  res[0] = proj[0]*focal_length + principle_point[0];
  res[1] = proj[1]*focal_length + principle_point[1];
  return res;
}

 .map函数，它的功能是把世界坐标系下三维点变换到相机坐标系，函数在
g2o/types/sim3/sim3.h

    Vector3 map (const Vector3& xyz) const {
        return s*(r*xyz) + t;
      }

　　

 

添加边

例子1 曲线拟合添加一元边

    // 往图中增加边
    for ( int i=0; i<N; i++ )
    {
        CurveFittingEdge* edge = new CurveFittingEdge( x_data[i] );
        edge->setId(i);
        edge->setVertex( 0, v );                // 设置连接的顶点
        edge->setMeasurement( y_data[i] );      // 观测数值
        edge->setInformation( Eigen::Matrix<double,1,1>::Identity()*1/(w_sigma*w_sigma) ); // 信息矩阵：协方差矩阵之逆
        optimizer.addEdge( edge );
    }

　　

例子2 二元边添加

这个例子比刚才的复杂一点，因为它是二元边，需要用边连接两个顶点

 index = 1;
    for ( const Point2f p:points_2d )
    {
        g2o::EdgeProjectXYZ2UV* edge = new g2o::EdgeProjectXYZ2UV();
        edge->setId ( index );
        edge->setVertex ( 0, dynamic_cast<g2o::VertexSBAPointXYZ*> ( optimizer.vertex ( index ) ) ); 链接点1 三维点xyz
        edge->setVertex ( 1, pose );  链接点2 位姿Rt
        edge->setMeasurement ( Eigen::Vector2d ( p.x, p.y ) );  观测值
        edge->setParameterId ( 0,0 );
        edge->setInformation ( Eigen::Matrix2d::Identity() );
        optimizer.addEdge ( edge );
        index++;
    }

　　这里的setMeasurement函数里的p来自向量points_2d，也就是特征点的图像坐标(x,y)

　　0和1对应节点

g2o::EdgeProjectXYZ2UV

class G2O_TYPES_SBA_API EdgeProjectXYZ2UV 
.....
 //李群相机位姿v1
const VertexSE3Expmap* v1 = static_cast<const VertexSE3Expmap*>(_vertices[1]);
// 顶点v2
const VertexSBAPointXYZ* v2 = static_cast<const VertexSBAPointXYZ*>(_vertices[0]);

　　 _vertices[0] 对应的是 VertexSBAPointXYZ 类型的顶点，也就是三维点，_vertices[1] 对应的是VertexSE3Expmap 类型的顶点，也就是位姿pose。