Ouster能夠以比其他產(chǎn)品更低的價(jià)格、更大的規(guī)模、更好的分辨率實(shí)現(xiàn)建圖。取代了以軟件為中心的測(cè)繪策略，避免了對(duì)高精度GPS系統(tǒng)、車(chē)輪里程表或昂貴陀螺儀的需求。此外，Ouster OS1多光束閃光激光雷達(dá)在同其他激光雷達(dá)產(chǎn)生相同數(shù)量點(diǎn)的情況下，價(jià)格更便宜，體積更輕便。這意味著，無(wú)論是無(wú)人機(jī)、汽車(chē)還是機(jī)器人，Ouster的地圖系統(tǒng)都可以快速經(jīng)濟(jì)地部署在任何平臺(tái)上。

使用激光雷達(dá)傳感器制作高清地圖

激光雷達(dá)技術(shù)的最佳用途之一是測(cè)繪。有了激光雷達(dá)，就有了周?chē)磺械娜S模型。

使用SLAM制作高清地圖

制作一張3D地圖所需要做的就是將在不同地方拍攝的激光雷達(dá)掃描序列對(duì)齊。但是，將它們排列起來(lái)的過(guò)程并不那么容易。如果激光雷達(dá)安裝在移動(dòng)的平臺(tái)上，比如汽車(chē)上，便更加不容易。

過(guò)去，激光雷達(dá)制圖依賴(lài)于激光掃描儀，比如高精度GPS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertialnavigation system, INS)。利用GPS INS測(cè)量的位置和方位，可以將激光雷達(dá)點(diǎn)云對(duì)齊。現(xiàn)代GPS INS使用諸如帶有實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)(RTK)校正信號(hào)的地面站等技術(shù)，GPSINS系統(tǒng)可以將位置精確到幾厘米之內(nèi)，而像手機(jī)等相對(duì)便宜的GPS精確距離可能有幾十米，可見(jiàn)現(xiàn)在GPS INS系統(tǒng)要好得多！但是，好的GPS INS系統(tǒng)非常貴，通常要數(shù)萬(wàn)美元。

至于Ouster，他們不使用昂貴的GPS INS，與Ouster OS1相比，GPS INS的價(jià)格高出幾倍之多。但是，他們使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)本身來(lái)排列東西，這稱(chēng)為同步定位和建圖(SLAM)。以前，計(jì)算機(jī)的速度還不夠快，無(wú)法使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可靠地運(yùn)行SLAM，但是現(xiàn)在，隨著SLAM技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，使激光雷達(dá)進(jìn)行SLAM成為可能。

SLAM的原則是：對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的最佳解釋是最簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)瑢?duì)傳感器數(shù)據(jù)最簡(jiǎn)單的解釋是發(fā)生在所有東西都對(duì)齊時(shí)。

調(diào)整點(diǎn)

大多數(shù)機(jī)器人算法可以歸結(jié)為兩個(gè)步驟。首先，定義一個(gè)叫做損失函數(shù)的函數(shù)，或者目標(biāo)函數(shù)。第二，調(diào)整參數(shù)使函數(shù)最小化。

對(duì)于從激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)點(diǎn)云，可以用以下方法定義目標(biāo)函數(shù)。考慮將實(shí)測(cè)點(diǎn)云M移動(dòng)到靜態(tài)場(chǎng)景點(diǎn)云S中，對(duì)于M中的每一點(diǎn)，找到S中最近的點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)為M中每一點(diǎn)到對(duì)應(yīng)點(diǎn)距離的平方和。通過(guò)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)點(diǎn)云M來(lái)最小化目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)可以通過(guò)各種非線性最小二乘求解器最小化，如LevenbergMarquardt。在三維場(chǎng)景下，旋轉(zhuǎn)和平移總共有6個(gè)自由度。

在最小化損失函數(shù)之后，點(diǎn)云M會(huì)移動(dòng)，這意味著相應(yīng)的最近點(diǎn)可能已經(jīng)改變。為了處理這個(gè)問(wèn)題，簡(jiǎn)單地重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到最近的點(diǎn)不變。該算法稱(chēng)為迭代最接近點(diǎn)(ICP)。尋找最近的點(diǎn)對(duì)于移動(dòng)地圖工具和機(jī)器人來(lái)說(shuō)非常有效，因?yàn)樗鼈円苿?dòng)平穩(wěn)，所以可以對(duì)它們的位置有一個(gè)很好的猜測(cè)。所以最開(kāi)始最接近的點(diǎn)很可能在優(yōu)化之后仍然是最接近的點(diǎn)。

在實(shí)際操作中，lidars點(diǎn)并不完全直接對(duì)應(yīng)。相反，激光雷達(dá)從一些潛在的物理表面掃描樣本點(diǎn)。Ouster OS1不是找一個(gè)最近的點(diǎn)，而是找?guī)讉€(gè)，然后把一個(gè)平面擬合到這些點(diǎn)上。然后，不是最小化兩個(gè)點(diǎn)之間的距離，而是最小化一個(gè)點(diǎn)到一個(gè)平面的距離。還有其他一些先進(jìn)的方法，如廣義ICP、surfels或正態(tài)分布變換。

每個(gè)Ouster OS1都有一個(gè)內(nèi)置慣性測(cè)量單元(IMU)。這是一種低成本的傳感器，類(lèi)似于每一部智能手機(jī)。雖然不如高精度INS精確，但仍然非常有用。就像對(duì)齊點(diǎn)一樣，使用類(lèi)似的策略合并IMU數(shù)據(jù)。首先，Ouster制定了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)補(bǔ)償慣性測(cè)量(轉(zhuǎn)速和平動(dòng)加速度)之間的差異。其次，優(yōu)化狀態(tài)使目標(biāo)函數(shù)最小化。

把所有這些不同的目標(biāo)函數(shù)合并成一個(gè)大函數(shù)。這叫做緊密耦合。一般來(lái)說(shuō)，傳感器越多效果越好。

實(shí)時(shí)性能

由于其獨(dú)特的多光束閃光激光雷達(dá)設(shè)計(jì)，Ouster OS1每秒輸出超過(guò)100萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，是同類(lèi)產(chǎn)品中最高的之一。不幸的是，高分辨率帶來(lái)了很高的計(jì)算復(fù)雜度。

Ouster的SLAM算法非常著名，因?yàn)樗軌蛟谝粋€(gè)典型的桌面計(jì)算機(jī)CPU上實(shí)時(shí)運(yùn)行。

在不要考慮目標(biāo)函數(shù)的所有點(diǎn)的情況下，只考慮少數(shù)最好的點(diǎn)。這稱(chēng)為特征提取，最好的點(diǎn)稱(chēng)為特征點(diǎn)。

提取特征的一種方法是在點(diǎn)云最平坦的部分找到點(diǎn)。如前所述，一個(gè)目標(biāo)功能策略是點(diǎn)對(duì)面ICP。直觀地說(shuō)，與平面匹配良好的點(diǎn)應(yīng)該位于平面本身。他們可以通過(guò)計(jì)算一個(gè)小鄰域內(nèi)的主成分分析來(lái)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)周?chē)钠矫娑取Ｈ缓?，他們保留最好的，比方說(shuō)，一千個(gè)最平坦的點(diǎn)，只要它們之間沒(méi)有兩個(gè)太接近，以確保他們得到一個(gè)均勻的點(diǎn)分布。

相對(duì)于幾何特征提取，激光雷達(dá)強(qiáng)度與基于圖像的特征提取方法相結(jié)合也是可能的。利用Ouster OS1可以捕獲二維相機(jī)圖像這一事實(shí)，使用基于深度學(xué)習(xí)的特征提取。這使得Ouster的算法更加健壯。

時(shí)間持續(xù)性

傳統(tǒng)的SLAM算法將一幀與下一幀對(duì)齊。然而，現(xiàn)實(shí)世界中的大多數(shù)傳感器并沒(méi)有以恰當(dāng)?shù)乃俣容敵鲭x散幀。例如，慣性測(cè)量單元可以輸出1000赫茲的數(shù)據(jù)，但是每秒更新車(chē)輛的位置1000次是不可行的。OusterOS1以更高的速度輸出數(shù)據(jù):64個(gè)點(diǎn)每秒可達(dá)到20,480次，其中每個(gè)像素列的時(shí)間戳略有不同。

以前基于lidar的SLAM方法只是使用0.1秒的數(shù)據(jù)應(yīng)用幀對(duì)幀的點(diǎn)云對(duì)齊。在高速公路上，一輛汽車(chē)在這段時(shí)間內(nèi)可能移動(dòng)了3米，導(dǎo)致點(diǎn)云變形。因此，這類(lèi)方法傾向于使用外部傳感器，如車(chē)輪里程表，但車(chē)輪測(cè)程遠(yuǎn)不如激光雷達(dá)測(cè)程精確。

對(duì)于可能以不同速率運(yùn)行的多個(gè)高頻傳感器，Ouster OS1采用連續(xù)時(shí)間方法進(jìn)行處理。Ouster OS1沒(méi)有像同時(shí)收集所有點(diǎn)一樣平移和旋轉(zhuǎn)整個(gè)點(diǎn)云，而是將飛行器的軌跡看作是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。

處理連續(xù)軌跡有兩種主要方法。第一，是非參數(shù)方法，如高斯過(guò)程(這里不詳細(xì)討論)。第二種更流行的方法是將軌跡參數(shù)化為樣條函數(shù)。使用這種方法，OusterOS1有一個(gè)合理數(shù)量的優(yōu)化變量，每秒只有10個(gè)變量，而不是數(shù)千個(gè)。同時(shí)，解決了運(yùn)動(dòng)畸變問(wèn)題。

對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題，OusterOS1沒(méi)有將兩個(gè)幀對(duì)齊，而是考慮滑動(dòng)窗口內(nèi)的所有點(diǎn)在時(shí)間上的關(guān)系，比如0.5秒長(zhǎng)。該窗口每次向前滑動(dòng)0.1秒。對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)，都找到了空間中最近的幾個(gè)點(diǎn)，前提是它們?cè)跁r(shí)間上不是太接近。這給了Ouster OS1相同的距離集合，研究人員可以通過(guò)更新每個(gè)相關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最小化。

環(huán)路閉合問(wèn)題

到目前為止，已經(jīng)討論了使用最近0.5秒數(shù)據(jù)的滑動(dòng)窗口來(lái)估計(jì)軌跡。然而，即使是使用高精度傳感器，非常復(fù)雜的SLAM算法也會(huì)受到一些隨機(jī)不確定性的影響。因此，用這種方法確定的軌跡將不可避免地略微偏離車(chē)輛的真實(shí)軌跡。其結(jié)果是，當(dāng)在一個(gè)非常大的環(huán)路中行駛時(shí)，即使車(chē)輛實(shí)際上已經(jīng)回到了它開(kāi)始的位置，但是車(chē)輛的估計(jì)軌跡也可能不會(huì)在相同的位置結(jié)束。這就是所謂的環(huán)路閉合問(wèn)題。

環(huán)路閉合依舊是大熱的研究領(lǐng)域。在Ouster中，他們使用基于快速傅里葉變換的位置識(shí)別和粗對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，研發(fā)了一種環(huán)路閉合的最新解決方案。然后，進(jìn)行大點(diǎn)云對(duì)齊批量?jī)?yōu)化，將多輛車(chē)的數(shù)據(jù)無(wú)縫融合到一個(gè)三維模型中。批處理優(yōu)化是完全封裝的，運(yùn)行在云基礎(chǔ)設(shè)施上，并且具有高度可伸縮性。

得到的結(jié)果是一個(gè)清晰、詳細(xì)的3D地圖，隨著越來(lái)越多的車(chē)輛在同一區(qū)域行駛，它會(huì)逐漸變得更精細(xì)、更準(zhǔn)確。

結(jié)論

大規(guī)模的三維制圖是困難的。Ouster能夠以比其他產(chǎn)品更低的價(jià)格、更大的規(guī)模、更好的分辨率實(shí)現(xiàn)建圖。取代了以軟件為中心的測(cè)繪策略，避免了對(duì)高精度GPS系統(tǒng)、車(chē)輪里程表或昂貴陀螺儀的需求。此外，Ouster OS1多光束閃光激光雷達(dá)在同其他激光雷達(dá)產(chǎn)生相同數(shù)量點(diǎn)的情況下，價(jià)格更便宜，體積更輕便。這意味著，無(wú)論是無(wú)人機(jī)、汽車(chē)還是機(jī)器人，Ouster的地圖系統(tǒng)都可以快速經(jīng)濟(jì)地部署在任何平臺(tái)上。