简介
g2o是一个通用的图优化库，可以应用到任何能够表示成图优化的最小二乘问题。例如BA，icp，曲线拟合等。
但它不像Ceres一样有丰富详细的学习资料。
图优化，是把优化问题表现成图（Graph）（指图论中的图）的一种方式，一组优化变量和变量之间的误差项，使用图来图来描述，使它们之间的关系更加直观化；
- 三角形和圆圈，都是顶点，待优化的变量；
- 红色与蓝色的线，都是边，描述相连顶点优化变量关系，也就是误差项；
g2o使用步骤如下：
1.定义顶点和边的类型；
2.构建图；
3.选择优化算法；
4.调用 g2o 进行优化，返回结果。
先看上半部分。SparseOptimizer 是我们最终要维护的东东。它是一个Optimizable Graph，从而也是一个Hyper Graph。一个 SparseOptimizer 含有很多个顶点 （都继承自 Base Vertex）和很多个边（继承自 BaseUnaryEdge, BaseBinaryEdge或BaseMultiEdge）。这些 Base Vertex 和 Base Edge 都是抽象的基类，而实际用的顶点和边，都是它们的派生类。我们用 SparseOptimizer.addVertex 和 SparseOptimizer.addEdge 向一个图中添加顶点和边，最后调用 SparseOptimizer.optimize 完成优化。
在优化之前，需要指定我们用的求解器和迭代算法。从图中下半部分可以看到，一个 SparseOptimizer 拥有一个 Optimization Algorithm，继承自Gauss-Newton, Levernberg-Marquardt, Powell’s dogleg 三者之一（我们常用的是GN或LM）。同时，这个 Optimization Algorithm 拥有一个Solver，它含有两个部分。一个是 SparseBlockMatrix ，用于计算稀疏的雅可比和海塞； 一个是用于计算迭代过程中最关键的一步
曲线拟合问题
1、问题描述
其中a,b,c为待估计的参数，w为噪声。在程序里利用模型生成x，y的数据，在给数据添加服从高斯分布的噪声。之后用ceres优化求解参数a,b,c。
2、g2o基本类
2.1、基本模板点与边
Base Vertex 点
BaseUnaryEdge 边
BaseBinaryEdge 边
BaseMultiEdge 边
2.2、 g2o已经定义好的边和点
在types中已经提供了一些边和节点的定义，例如
相机位姿结点：g2o::VertexSE3Expmap，来自<g2o/types/sba/types_six_dof_expmap.h>；
特征点空间坐标结点：g2o::VertexSBAPointXYZ，来自<g2o/types/sba/types_sba.h>；
重投影误差：g2o::EdgeProjectXYZ2UV，来自<g2o/types/sba/types_six_dof_expmap.h>；
3、代码实现讲解
3.1、自定义顶点
// 曲线模型的顶点，模板参数：优化变量维度和数据类型
class CurveFittingVertex : public g2o::BaseVertex<3, Eigen::Vector3d> {
public:
EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
// 重置
virtual void setToOriginImpl() override {
_estimate << 0, 0, 0;
}
// 更新
virtual void oplusImpl(const double *update) override {
_estimate += Eigen::Vector3d(update);
}
// 存盘和读盘：留空
virtual bool read(istream &in) {}
virtual bool write(ostream &out) const {}
};
BaseVertex为g2o的基本节点类，需要继承从重写他内部的函数从而形成我们想要的新的顶点。
1、class CurveFittingVertex : public g2o::BaseVertex<3, Eigen::Vector3d>创建自己的节点
后边两个参数分别代表优化参数的维度为3，优化参数的类型为Eigen::Vector3d
2、virtual void setToOriginImpl()设置初始值
给待估计的节点设置初始值，本例中将节点设置为(0,0,0)
3、virtual void oplusImpl(const double *update)设置更新方式
采用相加的方式更新
3.2、定义边
// 误差模型 模板参数：观测值维度，类型，连接顶点类型
class CurveFittingEdge : public g2o::BaseUnaryEdge<1, double, CurveFittingVertex> {
public:
EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
CurveFittingEdge(double x) : BaseUnaryEdge(), _x(x) {}
// 计算曲线模型误差
virtual void computeError() override {
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
_error(0, 0) = _measurement - std::exp(abc(0, 0) * _x * _x + abc(1, 0) * _x + abc(2, 0));
}
// 计算雅可比矩阵
virtual void linearizeOplus() override {
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
double y = exp(abc[0] * _x * _x + abc[1] * _x + abc[2]);
_jacobianOplusXi[0] = -_x * _x * y;
_jacobianOplusXi[1] = -_x * y;
_jacobianOplusXi[2] = -y;
}
virtual bool read(istream &in) {}
virtual bool write(ostream &out) const {}
public:
double _x; // x 值， y 值为 _measurement
};
首先明确边代表误差项
1、定义自己的边
class CurveFittingEdge : public g2o::BaseUnaryEdge<1, double, CurveFittingVertex>
因为只有一个节点所以继承一元边。边代表的误差如下：
所以维度为1，类型设为double，节点是 CurveFittingVertex
2、设置误差
virtual void computeError() override {
//定义节点
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
//提取节点当前值
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
//误差
_error(0, 0) = _measurement - std::exp(abc(0, 0) * _x * _x + abc(1, 0) * _x + abc(2, 0));
}
_vertices[0] 对应 “class CurveFittingEdge : public g2o::BaseUnaryEdge<1, double, CurveFittingVertex>”绑定的第一个顶点 CurveFittingVertex
变量abc即为优化参数
3、计算雅可比
virtual void linearizeOplus() override {
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
double y = exp(abc[0] * _x * _x + abc[1] * _x + abc[2]);
_jacobianOplusXi[0] = -_x * _x * y;
_jacobianOplusXi[1] = -_x * y;
_jacobianOplusXi[2] = -y;
}
3.3、构建图
auto solver = new g2o::OptimizationAlgorithmGaussNewton(
g2o::make_unique<BlockSolverType>(g2o::make_unique<LinearSolverType>()));
g2o::SparseOptimizer optimizer; // 图模型
optimizer.setAlgorithm(solver); // 设置求解器
optimizer.setVerbose(true); // 打开调试输出
// 往图中增加顶点
CurveFittingVertex *v = new CurveFittingVertex();
v->setEstimate(Eigen::Vector3d(ae, be, ce));
v->setId(0);
optimizer.addVertex(v);
for (int i = 0; i < N; i++)
{
CurveFittingEdge *edge = new CurveFittingEdge(x_data[i]);
edge->setId(i);
edge->setVertex(0, v); // 设置连接的顶点
edge->setMeasurement(y_data[i]); // 观测数值
edge->setInformation(Eigen::Matrix<double, 1, 1>::Identity() * 1 / (w_sigma * w_sigma)); // 信息矩阵：协方差矩阵之逆
optimizer.addEdge(edge); // 添加
}
1、求解器
typedef g2o::BlockSolver<g2o::BlockSolverTraits<3, 1>> BlockSolverType;
// 每个误差项优化变量维度为3，误差值维度为1；
typedef g2o::LinearSolverDense<BlockSolverType::PoseMatrixType> LinearSolverType;
// 线性求解器类型
g2o::OptimizationAlgorithmGaussNewton
// GN
2、增加节点
CurveFittingVertex *v = new CurveFittingVertex();
v->setEstimate(Eigen::Vector3d(ae, be, ce));
v->setId(0);
optimizer.addVertex(v);
3、增加边
for (int i = 0; i < N; i++)
{
CurveFittingEdge *edge = new CurveFittingEdge(x_data[i]);
edge->setId(i);
edge->setVertex(0, v); // 设置连接的顶点
edge->setMeasurement(y_data[i]); // 观测数值
edge->setInformation(Eigen::Matrix<double, 1, 1>::Identity() * 1 / (w_sigma * w_sigma)); // 信息矩阵：协方差矩阵之逆
optimizer.addEdge(edge); // 添加
}
3.4 、进行优化
// 执行优化
cout << "start optimization" << endl;
chrono::steady_clock::time_point t1 = chrono::steady_clock::now();
optimizer.initializeOptimization();
optimizer.optimize(10);
chrono::steady_clock::time_point t2 = chrono::steady_clock::now();
chrono::duration<double> time_used = chrono::duration_cast<chrono::duration<double>>(t2 - t1);
cout << "solve time cost = " << time_used.count() << " seconds. " << endl;
// 输出优化值
Eigen::Vector3d abc_estimate = v->estimate();
cout << "estimated model: " << abc_estimate.transpose() << endl;
return 0;
}
3.5、完整代码
#include <iostream>
#include <g2o/core/g2o_core_api.h>
#include <g2o/core/base_vertex.h>
#include <g2o/core/base_unary_edge.h>
#include <g2o/core/block_solver.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_levenberg.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_gauss_newton.h>
#include <g2o/core/optimization_algorithm_dogleg.h>
#include <g2o/solvers/dense/linear_solver_dense.h>
#include <Eigen/Core>
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <cmath>
#include <chrono>
using namespace std;
// 曲线模型的顶点，模板参数：优化变量维度和数据类型
class CurveFittingVertex : public g2o::BaseVertex<3, Eigen::Vector3d> {
public:
EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
// 重置
virtual void setToOriginImpl() override {
_estimate << 0, 0, 0;
}
// 更新
virtual void oplusImpl(const double *update) override {
_estimate += Eigen::Vector3d(update);
}
// 存盘和读盘：留空
virtual bool read(istream &in) {}
virtual bool write(ostream &out) const {}
};
// 误差模型 模板参数：观测值维度，类型，连接顶点类型
class CurveFittingEdge : public g2o::BaseUnaryEdge<1, double, CurveFittingVertex> {
public:
EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
CurveFittingEdge(double x) : BaseUnaryEdge(), _x(x) {}
// 计算曲线模型误差
virtual void computeError() override {
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
_error(0, 0) = _measurement - std::exp(abc(0, 0) * _x * _x + abc(1, 0) * _x + abc(2, 0));
}
// 计算雅可比矩阵
virtual void linearizeOplus() override {
const CurveFittingVertex *v = static_cast<const CurveFittingVertex *> (_vertices[0]);
const Eigen::Vector3d abc = v->estimate();
double y = exp(abc[0] * _x * _x + abc[1] * _x + abc[2]);
_jacobianOplusXi[0] = -_x * _x * y;
_jacobianOplusXi[1] = -_x * y;
_jacobianOplusXi[2] = -y;
}
virtual bool read(istream &in) {}
virtual bool write(ostream &out) const {}
public:
double _x; // x 值， y 值为 _measurement
};
int main(int argc, char **argv) {
double ar = 1.0, br = 2.0, cr = 1.0; // 真实参数值
double ae = 2.0, be = -1.0, ce = 5.0; // 估计参数值
int N = 100; // 数据点
double w_sigma = 1.0; // 噪声Sigma值
double inv_sigma = 1.0 / w_sigma;
cv::RNG rng; // OpenCV随机数产生器
vector<double> x_data, y_data; // 数据
for (int i = 0; i < N; i++) {
double x = i / 100.0;
x_data.push_back(x);
y_data.push_back(exp(ar * x * x + br * x + cr) + rng.gaussian(w_sigma * w_sigma));
}
// 构建图优化，先设定g2o
typedef g2o::BlockSolver<g2o::BlockSolverTraits<3, 1>> BlockSolverType; // 每个误差项优化变量维度为3，误差值维度为1
typedef g2o::LinearSolverDense<BlockSolverType::PoseMatrixType> LinearSolverType; // 线性求解器类型
// 梯度下降方法，可以从GN, LM, DogLeg 中选
auto solver = new g2o::OptimizationAlgorithmGaussNewton(
g2o::make_unique<BlockSolverType>(g2o::make_unique<LinearSolverType>()));
g2o::SparseOptimizer optimizer; // 图模型
optimizer.setAlgorithm(solver); // 设置求解器
optimizer.setVerbose(true); // 打开调试输出
// 往图中增加顶点
CurveFittingVertex *v = new CurveFittingVertex();
v->setEstimate(Eigen::Vector3d(ae, be, ce));
v->setId(0);
optimizer.addVertex(v);
// 往图中增加边
for (int i = 0; i < N; i++) {
CurveFittingEdge *edge = new CurveFittingEdge(x_data[i]);
edge->setId(i);
edge->setVertex(0, v); // 设置连接的顶点
edge->setMeasurement(y_data[i]); // 观测数值
edge->setInformation(Eigen::Matrix<double, 1, 1>::Identity() * 1 / (w_sigma * w_sigma)); // 信息矩阵：协方差矩阵之逆
optimizer.addEdge(edge);
}
// 执行优化
cout << "start optimization" << endl;
chrono::steady_clock::time_point t1 = chrono::steady_clock::now();
optimizer.initializeOptimization();
optimizer.optimize(10);
chrono::steady_clock::time_point t2 = chrono::steady_clock::now();
chrono::duration<double> time_used = chrono::duration_cast<chrono::duration<double>>(t2 - t1);
cout << "solve time cost = " << time_used.count() << " seconds. " << endl;
// 输出优化值
Eigen::Vector3d abc_estimate = v->estimate();
cout << "estimated model: " << abc_estimate.transpose() << endl;
return 0;
}
参考
slam 基本算法 —- 分别使用 【高斯牛顿，g2o】进行曲线拟合 （理论+实践）_CGJustDoIT的博客-CSDN博客
slam十四讲
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