状態変換モデルと姿勢のみの視覚記述を用いた、ロバストかつ効率的なフィルタベースのビジュアルイナーシャルオドメトリ：SP-VIO

Основные понятия

SP-VIOは、状態変換モデルと姿勢のみの視覚記述を用いることで、従来のフィルタベースVIOの精度不足問題を克服し、高精度、高効率、ロバスト性を兼ね備えた新しいVIOアルゴリズムである。

Аннотация

SP-VIO: 状態変換モデルと姿勢のみの視覚記述を用いた、ロバストかつ効率的なフィルタベースのビジュアルイナーシャルオドメトリ

本論文は、状態変換モデルと姿勢のみの視覚記述を用いた、ロバストかつ効率的なフィルタベースのビジュアルイナーシャルオドメトリ（VIO）アルゴリズム、SP-VIOを提案する。
背景
VIO技術は、モバイルロボットの自律ナビゲーションにおいて広く用いられている。VIOアルゴリズムは、大きく最適化ベースとフィルタベースの2種類に分類される。フィルタベースVIOは、計算効率が高くメモリ要件が小さいため、小型でペイロードに制約のある組み込みシステムでの応用が期待されている。しかし、最適化ベースVIOに比べて精度が低いという問題点があり、適用範囲が制限されている。
問題点
フィルタベースVIOの精度が低い主な原因は、線形化誤差の蓄積である。特に、代表的なフィルタベースVIOであるMSCKFでは、視覚残差モデルで用いられる3次元特徴量が、システムの姿勢と共同で最適化されずに3次元再構成プロセスのみで取得されるため、線形化誤差が蓄積しやすく、ナビゲーション精度が低下しやすい。
提案手法
本論文では、フィルタベースVIOの線形化誤差に対する感受性を解決するために、状態変換と姿勢のみVIO（SP-VIO）を提案する。
1. 姿勢のみの測定モデル
PO理論に基づき、画素座標と相対姿勢のみで表現される視覚残差モデルを導出する。このモデルは、3次元特徴量から切り離されているため、3次元再構成プロセスの影響を受けずに精度を維持できる。
2. ダブル状態変換カルマンフィルタ（DST-EKF）
速度誤差状態と位置誤差状態をより厳密に定義することで、VIOシステムのロバスト性と一貫性を向上させる。
3. DST-RTSバックトラッキングスムージング
ループクロージャに依存しないDST-RTSバックトラッキングスムージング戦略を提案する。この戦略は、視覚観測が回復した後にVIOシステムから提供される速度情報を使用して、RTSバックトラッキングによって移動軌跡を修正し、視覚的な中断によって引き起こされる累積誤差を低減する。
実験結果
公開されているデータセット（EuRoC、Tum VI、Kitti Odometry）と個人データセットを用いて、SP-VIOの性能を評価した。実験の結果、SP-VIOは、最先端のVIOアルゴリズムよりも高い精度とロバスト性を持ち、視覚的に不利な条件下でも優れた性能を発揮することが示された。

Статистика

SP-VIOは、新しい観測モデルとシステムモデルを使用することで、それぞれ25.84%と18.31%のローカライズ精度が向上した。
2つの新しいモデルを同時に使用した場合、性能向上は最大で33.75%に達した。

Ключевые выводы из

SP-VIO: Robust and Efficient Filter-Based Visual Inertial Odometry with State Transformation Model and Pose-Only Visual Description

by Xueyu Du, Ch... в arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07551.pdf

Дополнительные вопросы

SP-VIOは、動的な環境や照明の変化が激しい環境でも有効に機能するのか？

SP-VIOは、動的な環境や照明の変化が激しい環境に対して、ある程度のロバスト性を備えています。 ただし、完全に無敵というわけではありません。
SP-VIOの利点:

Pose-Only Visual Description: 3D再構築に依存しないため、動的なオブジェクトによる一時的なトラッキングエラーの影響を受けにくい。
DST-RTS Backtracking Smoothing: 視覚的な追跡が一時的に途絶えても、IMU情報を利用して軌道を補正できるため、ある程度の環境変化に対応可能。
SP-VIOの弱点:

激しい照明変化: 急激な照明変化は、特徴点の追跡を困難にし、VIOシステム全体の性能を低下させる可能性があります。
高速な動的オブジェクト: 高速で移動するオブジェクトが多い環境では、正確な特徴点の追跡が難しく、SP-VIOの性能が低下する可能性があります。
結論:
SP-VIOは、動的な環境や照明の変化に対して、従来のフィルターベースVIOよりもロバスト性を備えています。しかし、極端な環境変化は依然として課題です。さらなるロバスト性向上のためには、以下のような対策が考えられます。

ロバスト性の高い特徴点検出・追跡: 照明変化や動的オブジェクトに強い特徴点検出・追跡アルゴリズムの採用。
他のセンサーとの融合: LiDARや深度カメラなどの情報を組み合わせることで、視覚情報に頼らない、よりロバストな自己位置推定が可能になります。

SP-VIOの計算コストは、最適化ベースのVIOと比較してどの程度低いのか？

SP-VIOは、フィルターベースのVIOであり、最適化ベースのVIOと比較して計算コストが大幅に低くなります。
計算コストの比較:

最適化ベースVIO (例：VINS-Mono): 一般的に計算コストが高く、リアルタイム処理には高性能な計算機資源が必要となります。これは、非線形最適化問題を解くために、反復的な計算が必要となるためです。
フィルターベースVIO (例：SP-VIO): 最適化ベースVIOと比較して計算コストが低く、計算資源の限られたデバイスでもリアルタイム処理が可能です。これは、状態推定に、計算コストの低いカルマンフィルターを使用しているためです。
SP-VIOの計算コスト削減:

Pose-Only Visual Description: 3D特徴点を状態ベクトルから削除することで、計算コストを削減しています。
効率的なDST-EKF: 状態推定に、計算効率の高いEKFを採用し、状態ベクトルのサイズを抑えることで、計算コストを低減しています。
具体的な数値:
論文中の実験結果によると、SP-VIOは、EuRoCデータセットにおいて、VINS-Monoと比較して約2〜3倍高速に動作することが示されています。
結論:
SP-VIOは、最適化ベースのVIOと比較して、計算コストが大幅に低く、計算資源の限られたデバイスへの適用に適しています。

SP-VIOは、他のセンサー（LiDARなど）と組み合わせることで、さらに精度を向上させることができるのか？

はい、SP-VIOはLiDARなどの他のセンサーと組み合わせることで、精度をさらに向上させることができます。
LiDARと組み合わせる利点:

正確な深度情報: LiDARは、カメラよりも正確な深度情報を提供できるため、特に視覚情報が不足する環境や、特徴点の少ない環境において、VIOの精度向上に貢献します。
ロバスト性の向上: LiDARは、照明変化の影響を受けにくいため、視覚情報に頼るVIOの弱点を補い、システム全体のロバスト性を向上させることができます。
センサー融合の方法:

疎結合: LiDARとVIOを別々に処理し、それぞれの推定結果を融合する。実装が比較的容易だが、精度は限定的。
密結合: LiDARとVIOの測定値を直接統合する。高精度な推定が可能だが、実装が複雑になる。
具体的な例:

LiDARの点群データとVIOの推定軌道をマッチングさせ、VIOのドリフトを補正する。
LiDARの深度情報を利用して、VIOのスケールを修正する。
LiDARで検出した特徴点をVIOの観測情報に追加することで、VIOのロバスト性を向上させる。
結論:
SP-VIOは、LiDARなどの他のセンサーと組み合わせることで、精度、ロバスト性ともに、さらに向上させることが可能です。