【AR实验室】mulberryAR : ORBSLAM2+VVSION

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0x00 - 前言


mulberryAR是我业余时间弄的另一个 多多AR引擎,目前主要支持单目视觉SLAM+3D渲染,有并且支持iOS端,有并且该引擎不能很方便地移植到Android端。slam模块使用的是ORB-SLAM2,3d渲染模块使用的是VVSION渲染引擎。该引擎目前实现的功能为简单的3D模型摆放,用户还不能对3D模型进行平移、旋转和缩放。

先放两张mulberryAR的效果图。

0x01 - 单目视觉SLAM模块


单目视觉SLAM模块采用的是ORB-SLAM2。ORB-SLAM2是目前比较优秀的视觉SLAM系统,其输入为图像视频流,通过SLAM计算出每帧图像对应的相机位姿以及有些形态学 点对应的3D位置。不过mulberryAR目前只用到了每帧对应的相机位姿。

目前mulberryAR对ORB-SLAM2没法 做太满的修改,有并且为了集成进mulberryAR中,必须对ORB-SLAM2的接口做出有些修改以适应iOS系统的移动设备。你这个次责主要参考两份资料:

  • ORB_SLAM_iOS ORB-SLAM在iOS上的移植,作者去除了ORB-SLAM对ROS的依赖,并使用了iOS的Metal和Scene Kit进行渲染。相比ORB-SLAM2,还必须依赖boost库。
  • ORB-SLAM2注释版 作者对ORB-SLAM2进行了详细地注释,换成了BoW(Bag of Word)的二进制文件加载方式。

修改1:ORB-SLAM2上面使用了BoW(Bag of Word)进行形态学 匹配。其中的BoW是通过加载ORB-SLAM2原始文件中的ORBvoc.txt获取的,不过移动端直接加载ORBVoc.txt文本文件来构建BoW非常耗时,在苹果5手机手机65s上要几分钟时间。使用ORB-SLAM2注释版中Vocabulary/bin_vocabulary.cpp还不能将ORBVoc.txt转换为ORBVoc.bin。有并且使用该版本DBoW2和g2o替换ORB-SLAM2中的DBoW2和g2o,ORB-SLAM2注释版上面的/Thirdparty/DBoW2/DBoW2/TemplatedVocabulary.h换成了loadFromBinaryFile函数,还不能直接加载ORBVoc.bin,在苹果5手机手机65s换成载的时间也降到小于3秒钟。

修改2:ORB-SLAM2源码中的示例获取图像视频流的方式是通过解析预先处置好的视频文件,而mulberryAR必须通过苹果5手机手机6设备实时捕捉图像视频。这里必须使用iOS的视频捕捉模块。一刚开始捕捉方式参考了我前一天的博客【AR实验室】OpenGL ES绘制相机(OpenGL ES 1.0版本)中的0x02 - AVCaptureSession获取拍摄内容小节。获取到了图像就还不能调用ORB-SLAM2中的System::TrackMonocular函数求解位姿。注意TrackMonocular很耗时,只是 没法人都歌词 构建另一个 多多DISPATCH_QUEUE_SERIAL类型的tcp连接,并将TrackMonocular抛给它。另外在主tcp连接dispatch_get_main_queue()中利用TrackMonocular得到的相机位姿进行绘制。

修改3:图形学中绘制另一个 多多多有点要的矩阵:模型视图矩阵ModelView,只是 将3D模型从模型局部坐标系转化到相机坐标系的另一个 多多转化矩阵。注意TrackMonocular函数返回的Tcw必须一定的转化不能作为模型视图矩阵,你这个步详细参考了ORB_SLAM_iOS中的处置方式,可能性我有的是的是很清楚如保会会在么在在要没法 处置,尤其是两处取负号的次责,只是 此处将代码列出供没法人都歌词 参考。

// poseR = mCurrentFrame.mTcw.rowRange(0,3).colRange(0,3);
// 当前帧变化矩阵的旋转次责
cv::Mat R = _slam->getCurrentPose_R();
// poseT = mCurrentFrame.mTcw.rowRange(0,3).col(3);
// 当前帧变化矩阵的平移次责
cv::Mat T = _slam->getCurrentPose_T();

// 将旋转矩阵转化为四元数,注意qy和qz的取了负号。
float qx,qy,qz,qw;
qw = sqrt(1.0 + R.at<float>(0,0) + R.at<float>(1,1) + R.at<float>(2,2)) / 2.0;
qx = (R.at<float>(2,1) - R.at<float>(1,2)) / (4*qw);
qy = -(R.at<float>(0,2) - R.at<float>(2,0)) / (4*qw);
qz = -(R.at<float>(1,0) - R.at<float>(0,1)) / (4*qw);
// 将四元数转化为旋转矩阵,即r1、r2、r3。有并且将平移矩阵填充到r4。
// 注意其中T.at<float>(1)和T.at<float>(2)取了负号。
vec4f r1(1 - 2*qy*qy - 2*qz*qz, 2*qx*qy + 2*qz*qw, 2*qx*qz - 2*qy*qw, 0);
vec4f r2(2*qx*qy - 2*qz*qw, 1 - 2*qx*qx - 2*qz*qz, 2*qy*qz + 2*qx*qw, 0);
vec4f r3(2*qx*qz + 2*qy*qw, 2*qy*qz - 2*qx*qw, 1 - 2*qx*qx - 2*qy*qy, 0);
vec4f r4(T.at<float>(0), -T.at<float>(1), -T.at<float>(2), 1);

0x02 – 3D渲染引擎模块


3D渲染引擎模块使用的是VVSION渲染引擎。选着这款渲染引擎也是尝试过只是 有些渲染方式才决定的,主要代表为cocos2d-x、vvsion和原生opengl es。下面对着并有无方式的优缺点进行对比。

  cocos2d-x vvsion 原生opengl es
优点 1.支持的渲染组件很丰富,基本不用须后期换成新的功能 1.相对于cocos2d-x整体轻巧,易于集成和二次修改。

2.还不能直接传递模型视图矩阵,太满进行转化。
1.详细还不能根据当事人的需求开发出相应的模块,不用困于已有的功能模块。
缺点 1.体积较大

2没法人都门歌词 此处获取到的为原生的模型视图矩阵,如保直接把模型视图矩阵传递给cocos2d-x的绘制模块就成为了另一个 多多什么的大问题。我尝试了只是 方式都没法 成功,可能性可能性并有无对cocos2d-x有的是有点熟悉,只是 放弃。
1.没法 cocos2d-x的功能多 1.工作量巨大!

vvsion并有无支持有些简单的渲染功能,比如模型的导入和渲染,使用的是opengl es 2.0。不过还位于哪几块缺陷,mulberryAR对此进行了优化。

修改1:它并有无提供的模型渲染过于简单,只是 简单的贴图,此处mulberryAR在原始shader中换成了diffuse功能,主只是 将模型的法向传入,做光照处置。

// vertex shader
attribute vec4 position;
attribute vec2 texCoord0;
attribute vec4 normal;

varying vec2 v_texCoord;
varying vec4 v_normal;

uniform mat4 matProjViewModel;
// ModelView.inverse().transpose()
uniform mat4 matNormal;

void main()
{
    v_texCoord = texCoord0;
    v_normal = matNormal * normal;
    gl_Position = matProjViewModel * position;
}

// fragment shader
precision highp float;

uniform sampler2D texture0;
varying vec2 v_texCoord;
varying vec4 v_normal;

void main()
{
    gl_FragColor =  texture2D( texture0, v_texCoord);
    vec3 lightDir = vec3(0.0, 0.0, 1.0); // 假设光照方向
    // 求解diffuse
    float dotRes = dot(normalize(v_normal.xyz), normalize(lightDir));
    float diffuse = min(max(dotRes, 0.0), 1.0);
    gl_FragColor.rgb = vec3(diffuse * gl_FragColor.rgb);
}

修改2:获取到的相机图像必须进行显示,此处,mulberryAR使用了贴纹理的方式进行渲染。没法人都歌词 使用了另一个 多多camera.obj的平面模型作为相机图像的展示平面,只需每次将camera.obj的纹理更新为相机图像即可。此处必须注意一下两点:

  • camera.obj的显示使用的是正投影,有并且注意其淬硬层 值设置大有些,处置遮挡住了前面的模型。
  • NPOT(No Power of Two)纹理的设置选项,其中Wrap方式要设置为GL_CLAMP_TO_EDGE,Mag/Min Filter方式设置为GL_LINEAR,有并且太满产生MinMap。有并且纹理会显示为黑色。

修改3:为了提高模型的真实感,增加了fake shadow的效果,只是 在模型底部换成一块圆形的阴影。只是 在模型底部换成了另一个 多多fakeshadow.obj的模型,有并且贴上透明的圆形阴影纹理。优点是简单,节省计算资源,有并且还不用须考虑真实的光照方向。

0x03 - mulberryAR性能效果分析


视频效果展示(腾讯视频链接):

mulberryAR Demo:https://v.qq.com/x/page/c03635umclb.html

mulberryAR在苹果5手机手机65s上Release版本测试为6FPS。可见其帧率还无法令人满意,主只是 提取ORB形态学 你这个步耗时比较多,后期会再此基础上做一定优化。下表中ExtractORB表示每帧ORB形态学 提取的耗时,TrackMonocular为每帧的整个SLAM系统的耗时。

另外,ORB-SLAM2的初始化减慢,丢失后不能快速找回。整体来说,有无目前最好的单目视觉SLAM了。

0x04 - 参考资料


  • ORB-SLAM2
  • ORB_SLAM_iOS
  • ORB-SLAM2注释版
  • VVSION渲染引擎
  • 【AR实验室】OpenGL ES绘制相机(OpenGL ES 1.0版本)
  • https://zhuanlan.zhihu.com/computercoil

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