CVPR 2017目标跟踪论文LMCF

文章链接：Large Margin Object Tracking with Circulant Feature Maps

                   链接：https://arxiv.org/abs/1703.05020

终于有机会在专栏介绍一下自己的工作Large Margin Object Tracking with Circulant Feature Maps （LMCF），文章已经被CVPR 2017接收，欢迎大家讨论、拍砖。

在Tracking这个领域，我觉得可以分成两大类，第一类主要关注效果的提升，比如MDNet，TCNN(https://zhuanlan.zhihu.com/p/25312524)，他们确实把效果做的很好，在数据集上的结果刷的很高，但是速度非常慢，无法满足实时性要求。另一类则比较关注跟踪速度，比如Staple(https://zhuanlan.zhihu.com/p/25312595)，GOTURN。当然了，在保证的速度的同时也要保证效果。我之前比较关注第二类，主要是考虑到跟踪的实时性应该是第一考虑要素，在此基础上做了LMCF，比较幸运地被CVPR 2017接收。目前正在思考第一类工作，并思考如何将这两类更好地结合。本篇文章主要还是在介绍我们LMCF的工作。

1. Motivation

  • 1.1 整个算法思路

结构化SVM与传统SVM相比有着强大的判别力，而相关滤波有着速度上惊人的优势，是否能够结合这两者，得到一种既高速又高效的跟踪算法呢？

在相关滤波（KCF [1]）或者说它的前身CSK出来之前（当然最早用相关滤波的是MOSSE [2]），结构化SVM（Struck [3]（2011 ICCV））是一种效果很好的跟踪算法，主要是由于其强大的判别特性（Discrimination）。Struck用Structured output SVM作为分类器，也就是结构化SVM。这是一种输出空间可以是任意的复杂形式的SVM分类器，比如说序列、树等。在Struck中，输出空间是目标相对于上一帧的平移位置信息（

），确实在当时取得了非常好的效果。

但是由于在求解结构化SVM时计算复杂度较高，为了跟踪的实时性，Struck只能用简单的Haar特征来表示目标，采样的数量也比较稀疏。即便如此，Struck速度还是很慢，大概10FPS左右。但是结构化SVM是一个很强的判别器，在Struck提出时，其跟踪效果可以说是当时最佳的。

在基于相关滤波(Correlation Filter)算法出现之后，通过循环采样大大增加了样本数量，为一直以来困扰跟踪领域的稀疏采样问题提供了新的解决思路，并且可以用快速傅里叶变换FFT快速求解，因此可以在保证速度的前提下用一些维度较高的特征来做跟踪，比如KCF用到了HOG特征。KCF用简单的岭回归作为分类器，但是由于用到了高维的HOG特征以及稠密采样，使得它的效果还是非常好的，并且速度在170FPS左右，这也使得KCF变成了大量算法的baseline。

到这里就出现了LMCF的第一个最重要的motivation了，我们想用循环矩阵来突破结构化SVM的稀疏采样问题，更想借助CF来突破结构化SVM的跟踪速度。

  • 1.2 针对前向跟踪

多峰前向检测。这一点是用来解决相似物体干扰的。在目标周围有特征相似的干扰物体时，响应图会有多个峰值，且最高的那一个有可能是干扰物体的，这时候可能就会引起误判。

  • 1.3 针对模型更新

如何判断跟踪器跟踪的不好，或者说如何判断当前帧出现了遮挡、甚至目标丢失？一旦能够判断这一点，模型更新的准确性就可以有较大提升。

先前做了关于KCF的大量实验，我们观察到KCF的响应图（response map）。在跟踪准确的时候是一个峰值很明显，接近理想的二维高斯分布图，如图一的第一行所示。而在跟踪的不好的情况中，尤其是遮挡、丢失、模糊等，响应图会剧烈振荡，如图一第二行所示。因此我们提出了一种新的判据来判断是否出现了振荡，当判断出现振荡时，不进行模型的更新。这个判据的初始版本是我用在另一篇做机器人跟踪的文章中，Real-time 3D Human Tracking for Mobile Robots with Multisensors (ICRA 2017)(https://arxiv.org/abs/1703.04877)。

图一：遮挡

2. LMCF Algorithm

  • 2.1 问题描述

在LMCF中，我们的分类器是一个结构化SVM，循环采样的目标框作为训练样本，因此输出空间

,其中

分别是目标的宽、高。输入空间是一个与目标框成比例的图像块

。输入-输出对即为

，

表示循环位移量，x表示以此为中心的图像块，

为对应的联合特征图（joint feature map）。用来衡量

为目标的可能性的函数

定义为线性形式

，那么跟踪的目标函数为：

(1)

为了求解，我们的优化目标是这样的：

（2）

其中

是衡量预测为

相对于真实位置

的损失函数，定义为：

，其中

设计为高斯函数，在目标位置响应最大。

具体求解过程可以移步文章内容，有疑问可以再讨论，有时间我会再补充进来的。

  • 2.2 多峰目标检测

每当新来一帧时，s是基于上一帧目标位置的图像块，目标的位置

可以通过(1)计算得到。通过循环采样得到的整张响应图可以这样计算：

(3)

其中

缩写为

。如图二所示，当目标周围有相似特征的区域时，可能会出现最高的峰值是干扰的情况。为了进一步提高定位精度，我们进行多峰检测。

图二：

对于（3），多个峰值可以通过

得到，其中B是一个只有局部最高点是1，其余为0的矩阵。当这些峰值与最高点的比例超过一个阈值时，我们对这些峰值进行二次检测，最后目标定义为所有响应图的最高点。

  • 2.3 高置信度模型更新策略

如何判断跟踪结果是否准确是一个没有定论的问题，但又是一个非常重要的问题。因为这决定着模型的更新策略。KCF，DSST，DSSVM，Staple等许多算法是不进行跟踪结果可靠性的判定的，每一帧的结果都用来更新，或者像MDNet或者TCNN那样每隔N帧更新一次。这样是有风险的，特别是当目标被遮挡，或者跟踪器已经跟的不好的时候，再去更新模型，只会使得跟踪器越来越无法识别目标，这就是模型漂移问题，model drift。

由于想要保证跟踪速度，我们就需要一种简单有效的模型更新策略，最好能够通过已经获得的一些资源来进行判断，而不需要进行太多复杂的计算。首先最容易想到的就是response map的最高点的值

，一般来说这个值越大说明跟踪的结果越好，但也有例外，比如图三中第一行第三列，在目标被几乎完全遮挡的时候最高响应值是0.94，这个值是高于整个视频最高响应值的均值的，如果只用这一个判据进行了模型的更新，就会让模型漂移到遮挡物体上，如图三第二行第三列，最后丢失了目标。

响应最高点并不能反映响应图的振荡程度。在图三中，虽然最高点的值

依然高，但是响应图在被遮挡时振荡剧烈，是可以通过振荡程度来避免错误更新的。因此我们提出了一个新的判据APCE：

其中

分别表示响应最高、最低和

位置上的响应。这个判据可以反映响应图的振荡程度，当APCE突然减小时，就是目标被遮挡，或者目标丢失的情况，如图三第一行中目标被遮挡后，APCE相对于这段视频APCE的历史均值就减小的很明显，因此在这种情况下我们选择不更新模型，从而避免了模型的漂移。

只有当APCE和

都以一定比例大于历史均值的时候，模型才进行更新，这样一来大大减少了模型漂移的情况，二来减少了模型更新的次数，达到了加速的效果。

3. Experiments

  • 3.1 自身对比实验

我们分别用传统特征（HOG+CN）和CNN特征实现了LMCF和DeepLMCF，另外比较了不用多峰检测的LMCF-Uni，不用模型更新策略的LMCF-NU，以及两者都不用的LMCF-N2，在OTB50测试了效果。当然除了速度之外，各个指标都是DeepLMCF最好。可见模型更新策略和多峰检测策略都带来了一定的提升。

  • 3.2 LMCF对比实验

左边一列是OTB50，右边是OTB100。跟用传统特征的比较新的方法做了比较，方法和对应年份、出处都在图例里面，用的结果都是各个作者自己公布的结果。我们的平均速度在80FPS以上。

  • 3.3 DeepLMCF对比实验

我们还做了一组实验，将特征换成CNN特征，跟最新的用了深度特征的算法作比较。在提交的前几天看到了MD大神ECCV的新作C-COT，他公布了结果，所以也拿来比较了一下。效果确实比我的好一些，但是速度差别很明显，我们的速度是10FPS左右，而C-COT的速度是0.25FPS左右（这是我们自己测试的速度）。

通过上面的实验，我们验证了LMCF的高效性。

4. Conclusion

总结一下，这篇文章中，我们用了结构化SVM作为分类器，有着强大的判别能力，并引入了相关滤波，通过循环采样增加了训练样本的数量同时进行加速。我们利用多峰检测避免了相似物体和背景干扰。针对模型更新环节，提出了简单有效的模型更新策略，大大减少了模型漂移的情况，同时减少了模型更新的次数，达到了再次加速的效果。我们的方法不依赖于具体特征，可以根据实际情况使用传统特征或者深度特征。在实验中，我们验证了LMCF的高效和高精度。

[1] J. F. Henriques, R. Caseiro, P. Martins, and J. Batista. Highspeed tracking with kernelized correlation filters. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 37(3):583–596, 2015

[2] D. S. Bolme, J. R. Beveridge, B. A. Draper, and Y. M. Lui. Visual object tracking using adaptive correlation filters. In Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2010 IEEE Conference on, pages 2544–2550. IEEE, 2010.

[3] S. Hare, A. Saffari, and P. H. Torr. Struck: Structured output tracking with kernels. In 2011 International Conference on Computer Vision, pages 263–270. IEEE, 2011.

作者简介

本文作者和傻牛一起闯天下（知乎id）研究方向是计算机视觉和机器人，主要工作为目标跟踪和目标检测，在机器人和视觉领域发表过多篇顶级会议，著有知乎专栏 目标跟踪算法，主要分享目标跟踪领域的经典和最新的方法，期望大家的交流与投稿。

本文为和傻牛一起闯天下原创，授权转载自知乎专栏目标跟踪算法，点击阅读原文查看原文或者复制此链接（https://zhuanlan.zhihu.com/p/25761718）进入。

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