Что такое SLAM и какова в нем роль лазерного сканирования?

Что такое СЛАМ?

SLAM означает «одновременная локализация и сопоставление». В последние годы, благодаря развитию робототехники, дронов, автономного вождения, технологий искусственного интеллекта, виртуальной и дополненной реальности, технология SLAM постепенно стала широко известной, поскольку она является основой и, одновременно, сложностью этих областей.

В настоящее время технология SLAM широко используется в таких областях, как умные города, умные парки, аварийная безопасность, геодезия и картографирование, культурный туризм и музеи. Например, портативный 3D-сканер XGRIDS Lixel L1/L2 регулярно применяется в проектах по реконструкции старой городской застройки.

Технология SLAM была впервые предложена Смитом, Селфом и Чизманом в 1988 году. Вот пример, который поможет понять эту технологию. Когда вы попадаете в незнакомую среду, чтобы быстро ознакомиться с окружающей обстановкой и достичь своих целей (например, найти ресторан или отель), вам следует сделать следующее:

• наблюдать глазами за окружающими ориентирами, такими как здания, деревья, клумбы и т. д., и запоминать их особенности (извлечение признаков).
• далее в уме на основе информации, полученной от обоих глаз, реконструировать ориентиры объекта на трехмерной карте (3D-реконструкция).
• во время текущей или последующих прогулок нужно постоянно приобретать новые сведения об ориентирах и корректировать в уме модель карты (связочная корректировка).
• по характерным ориентирам, полученным при ходьбе в предшествующий период, определите собственное положение (траекторию).
• когда вы непреднамеренно идете по длинному пути, мысленно сопоставьте его с прошлыми ориентирами, чтобы увидеть, вернулись ли вы на исходный путь (обнаружение замыкания цикла). Впрочем, этот шаг не является обязательным.

Вышеуказанные 5 шагов выполняются одновременно, таким образом это и есть одновременная локализация и картографирование, то есть SLAM.

SLAM — это комплексный результат технологии, состоящий из множества этапов, включая извлечение ориентиров, корреляцию данных, оценку состояния, обновление состояния, обновление ориентиров и т. д. Каждая часть может быть реализована с помощью разных алгоритмов. SLAM можно использовать для движения в двумерном или трехмерном пространстве; например, такое популярное направление как метавселенная, является примером использования SLAM в трехмерном пространстве из-за необходимости виртуально-реального взаимодействия человека и машины.

Технический путь реализации SLAM

В настоящее время сенсоры для работы SLAM в основном делятся на две категории: лазерные сканеры и камеры.

1. Лазерные сканеры

Лазерный сканер может сканировать объекты и структуры в окружающей среде. Благодаря высокой точности, высокой итоговой эффективности и невысокой вычислительной нагрузке, лазерное сканирование используется очень широко. Лазерное сканирование играет решающую роль, особенно при съемке объектов со сложной текстурой, в ограниченных пространствах и/или при недостаточным освещении.

Информация об объекте, собранная лазерным сканером, представляет собой серию дискретных точек с точной информацией об угле и расстоянии, которые называются облаками точек. Обычно лазерная система, использованная в SLAM, вычисляет изменение расстояния и ориентации относительного движения лазерного сканера путем сопоставления и сравнения двух облаков точек в разное время, после чего осуществляет позиционирование. Определение дальности у лазерных сканеров относительно точное, модель ошибок проста и стабильно работает в условиях, отличных от прямого яркого света. Обработка облаков точек также относительно проста. При этом сама информация об облаке точек содержит прямые геометрические связи, а пространственная структура и форма объекта становятся интуитивно понятными. Теоретические исследования в области применения лазерных сканеров в технологии SLAM также относительно отработаны, а результатов приземления очень много.

Компактные лазерные сканеры в составе портативных устройств на базе SLAM имеют более высокую комплексную производительность, например, инновационный Lixel L2. Это портативное устройство SLAM объединяет лазерный сканер и фотокамеры, а также включает в себя высокоточные алгоритмы трехмерной реконструкции в реальном времени, основанные на распределенных высокопроизводительные вычислениях, технологии глубокого обучения, объединения данных из нескольких источников, объединения нескольких датчиков SLAM и других технологиях.

Это новое поколение портативных устройств для 3D-съемки. Устройство обладает тремя преимуществами: высокая точность, высокая степень интеграции и обработка в реальном времени для создания моделей цветового облака точек. Устройство совмещает такие технологии, как объединение данных из нескольких источников и интеллектуальный анализ для представления отдельных панорамных 3D-моделей в режиме реального времени, что значительно повышает точность и эффективность создания итоговых моделей.

2. Фото-видео сенсоры

Визуальный SLAM (Visual SLAM ) получает объемную и избыточную информацию о текстурах из окружающей среды, обладая мощными возможностями распознавания сцен. Ранние визуальный SLAM был основан на теории фильтрации, а ее нелинейная модель ошибок и огромная вычислительная сложность стали препятствиями для ее практической реализации. В последние годы, с развитием теории разреженной нелинейной оптимизации, использованием камер и повышением вычислительной производительности, визуальный SLAM в реальном времени больше не является неосуществимой мечтой.

Преимущество визуального SLAM заключается в богатой текстурной информации, которую он использует. Например, два рекламных щита одинакового размера, но с разным содержанием не могут быть различены с помощью лазерного алгоритма SLAM на основе облака точек, тогда как зрение может легко их различить. Это дает беспрецедентные преимущества при перемещении и классификации сцен. В то же время визуальную информацию можно легко использовать для отслеживания и прогнозирования динамических целей внутри сцены, таких как пешеходы, транспортные средства и т. д., что крайне важно для решения задач в сложных динамических сценах.

Лазерный SLAM и визуальный SLAM имеют свои сильные стороны, и их интеграция сулит большие выгоды. Например, при получении только лазерных 3D-данных в реальном времени пользователь сталкивается с такими проблемами, как высокая стоимость приобретения оборудования, низкая эффективность и низкая целостность данных. Их невозможно полностью собрать, особенно в помещениях, под землей, на лестницах, проезжей части и в густонаселенных районах, что становится «недостающим звеном» в средах, являющихся цифровыми двойниками. Сейчас - в переломный момент трансформации отрасли - рынку необходимо портативное устройство для 3D съемок с использование технологии SLAM в реальном времени, которое обладает высокой степенью интеграции, легкостью и эффективностью в сборе и доступности данных. Такая съемочная система, как Lixel L2, предназначена для решения проблем сбора 3D-данных и реконструкции трехмерных сцен в закрытых, подземных средах, густонаселенных районах с большим числом подвижных объектов, и для создания высокоточных, высококачественных и пригодных для использования в реальном времени 3D-моделей и сцен.