[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在自動(dòng)駕駛場景中，稀疏地圖通常是由一系列關(guān)鍵幀和若干三維稀疏特征點(diǎn)構(gòu)成的地圖，每個(gè)特征點(diǎn)包含三維坐標(biāo)和描述外觀的描述子；而視覺SLAM是運(yùn)行在車輛上的實(shí)時(shí)算法，它一邊通過相機(jī)估計(jì)自身位置，一邊在未知環(huán)境中構(gòu)建或更新地圖。將兩者結(jié)合的目的其實(shí)非常明確，利用預(yù)先構(gòu)建好的稀疏地圖作為先驗(yàn)信息，讓在線運(yùn)行的視覺SLAM實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的定位，同時(shí)使地圖能夠重復(fù)使用和持續(xù)維護(hù)，避免每次都從頭開始建圖。

為什么要把稀疏地圖和視覺SLAM結(jié)合

視覺SLAM在短時(shí)跟蹤和閉環(huán)檢測方面表現(xiàn)出色，但在長期運(yùn)行中容易受到漂移、光照變化、遮擋和動(dòng)態(tài)物體等問題的干擾。稀疏地圖恰好能彌補(bǔ)這些短板，它支持離線優(yōu)化，可通過全局光束法平差（bundle adjustment）大幅提升幾何精度；能夠存儲(chǔ)穩(wěn)定的語義或標(biāo)志性地物（如路燈、交通標(biāo)志、建筑角點(diǎn)），從而支持長期可靠的定位。此外，它還可以跨不同任務(wù)重復(fù)使用，有效節(jié)約在線計(jì)算資源。

將稀疏地圖與視覺SLAM結(jié)合，相當(dāng)于將離線生成的高質(zhì)量地圖信息引入在線定位過程，車輛在進(jìn)入新場景時(shí)能夠快速“重定位”到地圖坐標(biāo)系中，可有效抑制長期漂移；當(dāng)遇到回環(huán)時(shí)，地圖也能輔助系統(tǒng)快速識(shí)別并糾正位姿誤差。對(duì)于自動(dòng)駕駛來說，這意味著更穩(wěn)定的車道級(jí)或米級(jí)定位能力，降低對(duì)GNSS的單一依賴，并提升在隧道、城市峽谷等復(fù)雜場景下的系統(tǒng)魯棒性。

具體結(jié)合方法和技術(shù)細(xì)節(jié)

將稀疏地圖與視覺SLAM結(jié)合，本質(zhì)上是一個(gè)“準(zhǔn)備-使用-維護(hù)”的循環(huán)系統(tǒng)工程。為了清晰地理解其全貌，我們可以將其工作流程梳理為“離線地圖構(gòu)建”、“在線定位與視覺里程計(jì)”和“全局一致性與更新”等三條相互關(guān)聯(lián)但又職責(zé)分明的主線。這三條主線并非孤立存在，而是構(gòu)成了一個(gè)完整的生態(tài)閉環(huán)。

1）離線構(gòu)建

多數(shù)團(tuán)隊(duì)會(huì)先利用高質(zhì)量的SLAM系統(tǒng)或多傳感器組合（如視覺+IMU+RTK-GNSS）對(duì)待測道路進(jìn)行采集，進(jìn)而對(duì)相機(jī)位姿、關(guān)鍵幀和三維特征點(diǎn)執(zhí)行離線優(yōu)化。

這一階段的重點(diǎn)包括，選取穩(wěn)定特征（如ORB、SIFT、Super Point等），保持關(guān)鍵幀之間的覆蓋范圍和視角多樣性，執(zhí)行全局光束法平差以剔除弱約束點(diǎn)，并過濾掉動(dòng)態(tài)或易變特征（如樹葉、移動(dòng)車輛）。

此外，為支持在線快速匹配，通常還會(huì)為每個(gè)關(guān)鍵幀提取并存儲(chǔ)特征描述子（可以是傳統(tǒng)ORB描述子，也可以是基于深度學(xué)習(xí)的描述子），并建立詞袋模型或全局描述子（如NetVLAD）以加速檢索。

離線地圖的存儲(chǔ)也需要結(jié)構(gòu)化，關(guān)鍵幀的位姿、相機(jī)內(nèi)參、稀疏點(diǎn)坐標(biāo)及其可見關(guān)鍵幀、特征描述子等信息都應(yīng)妥善保存，如果條件允許，還可加入語義標(biāo)簽（如“交通標(biāo)志”“路燈”）和可靠性評(píng)分。

2）在線定位

在有稀疏地圖的前提下，視覺SLAM的重心從“同時(shí)建圖”轉(zhuǎn)向“局部跟蹤+離線地圖匹配”。當(dāng)相機(jī)捕獲新圖像后，首先通過視覺里程計(jì)或視覺慣性里程計(jì)進(jìn)行短時(shí)跟蹤，保持低延遲、平滑的位姿估計(jì)；同時(shí)，系統(tǒng)并行嘗試基于圖像檢索的重定位，利用詞袋模型或全局描述子找到可能的離線關(guān)鍵幀候選；接著，對(duì)候選關(guān)鍵幀執(zhí)行2D-3D匹配（將當(dāng)前幀中的特征點(diǎn)與稀疏地圖中的三維點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)），并通過PnP結(jié)合RANSAC求解相機(jī)在地圖坐標(biāo)系中的絕對(duì)位姿。

這一過程中2D-3D匹配需要有效的關(guān)聯(lián)策略（以描述子匹配為主，輔以尺度、位置先驗(yàn)和幾何驗(yàn)證），并利用魯棒估計(jì)方法（如RANSAC）剔除異常點(diǎn)。若匹配點(diǎn)數(shù)量充足且內(nèi)外點(diǎn)比例理想，則可以直接將PnP解作為定位結(jié)果；否則系統(tǒng)將回退到里程計(jì)估計(jì)或等待更多觀測。

一般情況下，定位結(jié)果會(huì)作為約束加入一個(gè)短時(shí)滑動(dòng)窗口優(yōu)化器，進(jìn)行僅位姿優(yōu)化或局部光束法平差，以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果；大規(guī)模的全局優(yōu)化不適合實(shí)時(shí)運(yùn)行，但可在后臺(tái)低頻執(zhí)行。

3）坐標(biāo)系與變換處理

離線地圖通常位于全局或局部地圖坐標(biāo)系中，而在線視覺里程計(jì)輸出的是相對(duì)的車體坐標(biāo)系位姿。要將兩者結(jié)合，就需要估計(jì)從車體坐標(biāo)系到地圖坐標(biāo)系的變換矩陣，這一變換可通過一次成功的PnP重定位或借助GNSS/RTK信息配準(zhǔn)得到。

在實(shí)際工程中，常將該變換作為一個(gè)狀態(tài)量，當(dāng)重定位成功時(shí)，設(shè)定一個(gè)固定的“地圖-車體”變換并持續(xù)優(yōu)化；如果后續(xù)發(fā)現(xiàn)變換出現(xiàn)漂移（例如因離線地圖更新引起），則需要有相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行平滑調(diào)整或觸發(fā)重新定位。

4）全局一致性與地圖更新

車輛在運(yùn)行過程中會(huì)不斷產(chǎn)生新的觀測，這些數(shù)據(jù)可能揭示地圖中存在缺陷或環(huán)境發(fā)生變化。因此，系統(tǒng)需需要具備兩種能力，一是將在線觀測結(jié)果回傳至離線端進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)地圖維護(hù)；二是在線端能夠處理地圖版本的變化（例如接收云端推送的新版地圖）。

在線系統(tǒng)應(yīng)具備一定的容錯(cuò)能力，能夠處理地圖中的不一致情況，通過魯棒的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)策略，并為地圖約束賦予適當(dāng)權(quán)重，避免因單次錯(cuò)誤匹配導(dǎo)致定位失敗。

離線端在收到多車或多輪采集數(shù)據(jù)后，應(yīng)執(zhí)行地圖合并、剔除低置信度地標(biāo)、添加新地標(biāo)等操作，并通過全局光束法平差生成新版地圖。在這一過程中，版本控制、時(shí)間戳管理以及按地理范圍分塊存儲(chǔ)都是工程上必須考慮的要素。

5）感知與語義融合

純幾何特征在大范圍、長期運(yùn)行的環(huán)境中容易受限。將稀疏地圖與語義信息結(jié)合（例如將交通標(biāo)志、車道線、燈桿作為語義地標(biāo)），能夠顯著提升系統(tǒng)在不同季節(jié)、不同光照條件下的重定位魯棒性。

目前常見的做法是在離線地圖中為三維點(diǎn)綁定語義標(biāo)簽，在線匹配時(shí)利用語義信息進(jìn)行強(qiáng)驗(yàn)證。語義特征通常更加穩(wěn)定（如交通標(biāo)志的位置不易改變），并且對(duì)端到端系統(tǒng)來說也更具可解釋性。

6）關(guān)鍵算法與工具鏈

為推動(dòng)稀疏地圖和視覺SLAM結(jié)合，常用的技術(shù)組件包括詞袋檢索（如DBoW2/3）、全局描述子（如NetVLAD）用于粗檢索，特征匹配（如ORB、SuperPoint+SuperGlue）用于精匹配，PnP+RANSAC用于位姿估計(jì)，以及滑動(dòng)窗口優(yōu)化或位姿圖優(yōu)化（使用g2o、Ceres、GTSAM等工具）用于局部和全局優(yōu)化。

為了提升效率，還會(huì)使用KD-tree/FLANN進(jìn)行最近鄰搜索，利用倒排索引加速檢索，并采用地理分塊機(jī)制限制搜索范圍、減少內(nèi)存占用。對(duì)于大規(guī)模地圖，通常還會(huì)對(duì)關(guān)鍵幀進(jìn)行抽稀、對(duì)地標(biāo)進(jìn)行下采樣，確保在線系統(tǒng)僅加載當(dāng)前位置附近的局部子圖。

稀疏地圖和視覺SLAM結(jié)合常見問題與對(duì)策

1）光照與季節(jié)變化

劇烈光照變化或季節(jié)更替會(huì)顯著降低基于外觀描述子的匹配成功率。為解決這個(gè)問題，可使用對(duì)光照變化更魯棒的描述子（如基于深度學(xué)習(xí)的描述子）；引入語義地標(biāo)（如交通標(biāo)志）作為補(bǔ)充；在預(yù)處理階段采用顏色歸一化或直方圖匹配；如果可能，在構(gòu)建離線地圖時(shí)納入不同時(shí)段采集的數(shù)據(jù)，生成多個(gè)版本的地圖供在線系統(tǒng)按需選擇。

2）動(dòng)態(tài)物體與錯(cuò)誤匹配

道路上的車輛、行人等動(dòng)態(tài)物體會(huì)導(dǎo)致地圖匹配產(chǎn)生異常點(diǎn)。因此需要在離線階段就過濾掉動(dòng)態(tài)特征（可通過多次觀測的一致性進(jìn)行判斷），并在在線匹配中設(shè)置嚴(yán)格的RANSAC參數(shù)和幾何驗(yàn)證機(jī)制，避免錯(cuò)誤的2D-3D匹配影響定位結(jié)果。同時(shí)，可借助運(yùn)動(dòng)分割或語義分割技術(shù)屏蔽移動(dòng)物體上的特征點(diǎn)。

3）重定位失敗與地圖覆蓋不足

當(dāng)車輛進(jìn)入地圖未覆蓋的區(qū)域時(shí)，自然無法基于該地圖進(jìn)行定位。因此要提前規(guī)劃地圖覆蓋范圍；在系統(tǒng)中設(shè)置回退機(jī)制（如降級(jí)至VIO+GNSS定位）；并將新采集的數(shù)據(jù)回傳至離線端，用于擴(kuò)展地圖覆蓋范圍。

4）地圖版本管理與多車協(xié)同

當(dāng)多輛車使用同一張地圖時(shí)，地圖會(huì)頻繁更新。此時(shí)需要建立版本控制和回滾機(jī)制，確保新版本地圖在充分驗(yàn)證前不會(huì)影響在線服務(wù)。按地理分塊加載地圖可以顯著降低內(nèi)存占用和檢索延遲。

5）計(jì)算資源與延遲權(quán)衡

在線匹配和局部優(yōu)化都會(huì)消耗計(jì)算資源。實(shí)際系統(tǒng)中通常將重定位和地圖匹配任務(wù)放在獨(dú)立線程中執(zhí)行，并設(shè)置時(shí)間預(yù)算（例如整個(gè)檢索匹配過程控制在幾十到一百毫秒內(nèi)）。當(dāng)時(shí)間不足時(shí)，系統(tǒng)可降級(jí)至僅使用視覺里程計(jì)預(yù)測，或輸出置信度較低的位姿。全局優(yōu)化則放在云端或后臺(tái)低頻執(zhí)行，避免影響實(shí)時(shí)控制回路。

6）精度評(píng)估與指標(biāo)

為持續(xù)評(píng)估系統(tǒng)性能，通常使用絕對(duì)軌跡誤差、相對(duì)位姿誤差和重定位成功率等指標(biāo)。進(jìn)行評(píng)估時(shí)，需明確坐標(biāo)系、對(duì)齊方法（例如使用Umeyama算法進(jìn)行相似變換對(duì)齊）以及測試場景（如白天/夜晚、雨雪天氣、城市/鄉(xiāng)村等）。

7）隱私、安全與地圖更新頻率

稀疏地圖中可能包含敏感信息（如住宅門牌）。在上傳或共享地圖數(shù)據(jù)時(shí)，需進(jìn)行脫敏處理，或僅保留對(duì)定位真正必要的結(jié)構(gòu)特征。此外，地圖更新頻率需要在“及時(shí)性”和“穩(wěn)定性”之間取得平衡，更新過于頻繁會(huì)導(dǎo)致在線端不斷切換地圖版本，過于滯后則可能導(dǎo)致地圖過時(shí)。常見的折中做法是快速、小批量地上傳本地觀測的統(tǒng)計(jì)信息，由離線系統(tǒng)進(jìn)行批量重建，并發(fā)布經(jīng)過充分驗(yàn)證的新版地圖。

最后的話

將稀疏地圖與視覺SLAM結(jié)合，本質(zhì)上是將“離線的全局精度”與“在線的實(shí)時(shí)性”兩者的優(yōu)勢融為一體。一定要切忌將所有功能堆砌于單一模塊，而應(yīng)采用分層、容錯(cuò)的架構(gòu)，離線端打造高質(zhì)量地圖（多視角、多時(shí)段），在線端設(shè)計(jì)包括短時(shí)視覺里程計(jì)、基于地圖的重定位和后臺(tái)地圖更新在內(nèi)的多層系統(tǒng)，并通過語義增強(qiáng)、魯棒匹配和版本管理來保障長期穩(wěn)定運(yùn)行。

可以先部署穩(wěn)定的VIO作為里程計(jì)，再加入詞袋模型進(jìn)行快速候選檢索，利用PnP+RANSAC實(shí)現(xiàn)首次重定位，隨后在滑動(dòng)窗口中進(jìn)行位姿優(yōu)化以細(xì)化結(jié)果，同時(shí)周期性地將觀測數(shù)據(jù)回傳以維護(hù)離線地圖。按照這樣的分層設(shè)計(jì)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將在真實(shí)路況中表現(xiàn)更穩(wěn)定、更易維護(hù)，也更容易擴(kuò)展至大規(guī)模、多車輛的部署場景。

審核編輯 黃宇