הבעיה שאודומטריית-גלגלים אינה פותרת
בניווט, אודומטריה היא השימוש בנתונים על תנועת המפעילים כדי לאמוד שינוי במיקום לאורך זמן — למשל מקודדים סיבוביים שמודדים את סיבובי הגלגלים. לשיטה שתי חולשות מתועדות. הראשונה: אי-אפשר להחיל אותה על רובוטים ניידים בעלי אופן תנועה לא-סטנדרטי, כמו רובוט מתהלך. השנייה: היא סובלת מבעיות דיוק באופן אוניברסלי, מפני שגלגלים נוטים להחליק ולגלוש על הרצפה, וכך המרחק שנעבר בפועל אינו אחיד ביחס למספר הסיבובים; על משטח לא-חלק השגיאה מחמירה, והקריאות נעשות בלתי-אמינות יותר ויותר ככל שהשגיאות מצטברות.
אודומטריה חזותית (Visual Odometry) מפיקה את אותו מידע בדיוק מרצף תמונות עוקבות של מצלמה, ובכך מאפשרת דיוק ניווטי טוב יותר לרובוטים ולכלי-רכב בכל אופן תנועה ועל כל משטח.
איך זה עובד: מהתמונה עד אמידת התנועה
ויקיפדיה מפרטת שישה שלבים שרוב הגישות בנויות עליהם: קליטת תמונות הקלט — ממצלמה יחידה, מזוג סטריאו או ממצלמה כל-כיוונית; תיקון תמונה, למשל הסרת עיוות עדשה; גילוי מאפיינים והתאמתם בין פריימים לבניית שדה של זרימה אופטית; חילוץ המאפיינים וקישורם, תוך סילוק וקטורים חריגים; אמידת תנועת המצלמה מתוך הזרימה האופטית, בעזרת מסנן קלמן או במזעור פונקציית-עלות שמבוססת על שגיאת ההיטל-מחדש; ולבסוף, איכלוס מחדש תקופתי של נקודות-המעקב כדי לשמור על כיסוי התמונה.
לצד המשפחה הזו קיימת גישה ישירה, שממזערת שגיאה במרחב החיישן עצמו ובכך נמנעת כליל מחילוץ מאפיינים. התנאים לפעולה תקינה מתועדים גם הם: תאורה מספקת, סצנה סטטית עם די מרקם, וחפיפה מספקת בין פריימים עוקבים.
הגבול הדק מול SLAM: מה אודומטריה חזותית לא עושה
קל לבלבל בין אודומטריה חזותית לבין מיפוי ואיכון בו-זמניים, והסקירה של דוויד סקרמוצה ופרידריך פראונדורפר מ-2011 מנסחת את ההבדל במפורש. המטרה של SLAM היא אומדן גלובלי ועקבי של מסלול הרובוט, ולכן היא מחייבת להחזיק מפה של הסביבה — גם כשהמפה עצמה אינה נחוצה — כי בלעדיה אי-אפשר להבחין שהרובוט חזר לאזור שכבר ביקר בו. ההבחנה הזו, סגירת לולאה, היא שמצמצמת את הסחיפה גם במפה וגם במסלול.
אודומטריה חזותית מוותרת על שני אלה: היא משחזרת את המסלול תנוחה אחר תנוחה, ולכל היותר מייעלת חלון של התנוחות האחרונות. בלשון הסקירה, היא עוסקת רק בעקביות המקומית של המסלול ואילו SLAM עוסקת בעקביות הגלובלית. אפשר להשתמש בה כאבן-בניין בתוך מערכת SLAM שלמה, אבל כדי להפוך אותה לכזו צריך להוסיף זיהוי של סגירת-לולאה ושלב אופטימיזציה גלובלי.
היסטוריה: ממורבק בראשית שנות ה-80 ועד Nister ב-2004
הבעיה של אמידת תנועת כלי מתוך קלט חזותי בלבד החלה בראשית שנות ה-80 ותוארה בידי הנס מורבק. רוב המחקר המוקדם נעשה עבור רוברים פלנטריים, ומתוך המוטיבציה של תוכנית חקר המאדים של נאס"א: לתת לרובר יכולת למדוד את תנועתו בשש דרגות-חופש כשהגלגלים מחליקים בשטח קשה ולא-אחיד.
את השם עצמו הנחיל המאמר של Nister ועמיתיו מ-2004, ושתי הסקירות אינן מנסחות זאת אותו דבר: זו מ-2011 כותבת שהמונח נטבע שם, וזו מ-2012 מדייקת שהמונח התפרסם ב-2004 אך הופיע גם קודם לכן. הסקירה מ-2011 מוסיפה שזה היה גם המימוש הראשון שפעל בזמן-אמת לאורך מסלול ארוך, עם מנגנון עמיד לדחיית חריגים. היתרון הנמדד על אודומטריית-גלגלים: אומדני-מסלול מדויקים יותר, עם שגיאת מיקום יחסית שנעה בין 0.1 ל-2 אחוזים.
על מאדים: ספיריט ואופורצ'וניטי
הסקירה של 2012 מנסחת זאת בזהירות: קרוב לוודאי, היא כותבת, שהיישום הפופולרי ביותר של אודומטריה חזותית עד כה היה על רוברי חקר המאדים של נאס"א. מערכת האודומטריה החזותית של נאס"א משמשת מאז ינואר 2004 למעקב אחר תנועת שני הרוברים Spirit ו-Opportunity, כתוספת לניווט-לפי-אומדן. המערכת הסטריאו שלהם מומשה על יחידת עיבוד מרכזית בתדר 20 מגה-הרץ ודרשה עד שלוש דקות לשלב אחד של שחזור-מבנה-מתנועה משתי תמונות — כלומר לא כלי שרץ ברציפות, אלא כזה שמופעל כשצריך. שם היא שימשה בעיקר כדי להתקרב ליעדים ביעילות, לשמור על בטיחות הרכב בנהיגה סמוך למכשולים במדרון, ולערוך בדיקות-החלקה שמוודאות שהרכב אכן מתקדם. השימושים חורגים מהמאדים: רכב-נחיתה פלנטרי בשלב הירידה, כלי-טיס בלתי-מאוישים, מציאות רבודה, ואפילו חומרה צרכנית כמו עכבר-סורק.
מונוקולרית, סטריאו, ומה משתנה כשמוסיפים IMU
לפי סוג המערך, אודומטריה חזותית מסווגת כמונוקולרית — מצלמה אחת — או כסטריאו, שתי מצלמות במערך סטריאו. ההבדל אינו טכני בלבד: במערכת מונוקולרית יש רק מידע כיווני, ולכן אפשר לשחזר את התנועה עד כדי גורם קנה-מידה — לדעת לאן הכלי זז אבל לא בכמה מטרים. את קנה-המידה המוחלט אפשר לקבוע ממדידה ישירה של משהו בסצנה, מאילוצי תנועה, או משילוב עם חיישן אחר.
כשהחיישן הנוסף הוא יחידת מדידה אינרציאלית, המערכת נקראת אודומטריה חזותית-אינרציאלית, ובקיצור VIO. אודומטריה חזותית מוצגת בספרות כהשלמה לאודומטריית-גלגלים, לאיכון לוויני ולאודומטריית-לייזר, ובסביבות שבהן איכון לוויני אינו זמין — תת-ימיות ואוויריות — היא מתוארת כבעלת חשיבות עליונה.