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這是CVPR2021的一篇文章, 是利用SOT的一些思想來進(jìn)行MOT的運(yùn)動估計.
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0. 摘要

本文提出了一個孿生(Siamese)式的MOT網(wǎng)絡(luò), 該網(wǎng)絡(luò)用來估計幀間目標(biāo)的運(yùn)動. 為了探究運(yùn)動估計對多目標(biāo)跟蹤的影響, 本文提出了兩種運(yùn)動建模方式: 顯式和隱式. 本文在一些數(shù)據(jù)集上取得了良好的結(jié)果.

1. 整體思路

這篇文章是用SOT的思想做MOT的比較好的例子.

整個工作的具體思路是: 利用Siamese網(wǎng)絡(luò)來更好地預(yù)測運(yùn)動, 而不是Kalman濾波, 相當(dāng)于用Siamese網(wǎng)絡(luò)代替了Kalman.

例如, 對于第$t$幀, 我們有第$i$個目標(biāo)的位置$R_i^t$, 然后我們擴(kuò)張搜索區(qū)域, 在第$t+\delta$幀將$R_i^t$的區(qū)域擴(kuò)展, 初步?jīng)Q定搜索區(qū)域為$S_i^{t+1}$, 如下圖橙色框所示. 我們的目的是用Siamese網(wǎng)絡(luò)更好地從$S_i^{t+1}$中估計出目標(biāo)在下一幀更精確的位置, 進(jìn)而與檢測更好地匹配.

為此, 我們提取$R_i^t$的特征$f_{R_i}^t$和$S_i^{t+1}$的特征$f_{S_i}^{t+\delta }$, 輸入至網(wǎng)絡(luò)中, 輸出縮小的可能的新區(qū)域${\tilde{R}}_i^{t+\delta }$和該區(qū)域中包含目標(biāo)的可能性$v_i$, 因此整體的模型建模為:

$$v_i,{\tilde{R}}_i^{t+\delta }=\mathcal{T}(f_{R_i}^t,f_{S_i}^{t+\delta },\Theta )$$

其中$\Theta$為網(wǎng)絡(luò)參數(shù).

上式建模的方式有兩種, 一是隱式運(yùn)動建模, 二是顯式運(yùn)動建模.

1.1 隱式運(yùn)動建模:

隱式運(yùn)動建模很簡單, 將$f_{R_i}^t$和$f_{S_i}^{t+\delta }$拼接起來輸入到MLP, 同時預(yù)測置信度和位置. 位置描述的是$t$時刻與$t+\delta$時刻的位置差異, 表示為:

$$m_i=[\frac{x_i^{t+\delta }?x_i^t}{x_i^t},\frac{y_i^{t+\delta }?y_i^t}{y_i^t},\log \frac{w_i^{t+\delta }}{w_i^t},\log \frac{h_i^{t+\delta }}{h_i^t}]$$

因此可以反解出新的位置${\tilde{R}}_i^{t+\delta }=[x_i^{t+\delta },y_i^{t+\delta },w_i^{t+\delta },h_i^{t+\delta }]$

損失函數(shù):

損失函數(shù)由兩部分組成, 一是目標(biāo)置信度的focal loss, 二是預(yù)測邊界框的準(zhǔn)確程度. 對于GT框, 我們可以按照$m_i$的式子求出對應(yīng)的$m_i^{?}$ , 定義為:

$$L=l_{focal}(v_i^{?},v_i)+\mathbb{I}(v_i^{?})l_{reg}(m_i,m_i^{?})$$

其中上標(biāo)$?$表示真值, $l_{reg}$表示平滑L1損失.

1.2 顯式運(yùn)動建模

還可以采用更復(fù)雜的形式. 采用通道維的互相關(guān)操作, 可以通過預(yù)測熱度圖的方式計算像素級的響應(yīng)圖, 有點(diǎn)類似于求解光流. 對于第$t$幀的區(qū)域特征$f_{R_i}^t$和第$t+\delta$幀的初步搜索區(qū)域特征$f_{S_i}^{t+\delta }$, 計算通道維互相關(guān), 即$r_i=f_{R_i}^t?f_{S_i}^{t+\delta }$, 其中$?$表示互相關(guān)操作, 這樣就得到了兩種特征圖的相似度.

我們利用得到的$r_i$, 進(jìn)一步預(yù)測像素級置信度的map $v$和位置的map $p$, 如下圖所示.

注意這里位置的map和一些無錨檢測器類似, 預(yù)測的是offset. 具體地, 預(yù)測的是真實(shí)的bbox與當(dāng)前像素四個方向的offset. 為此, 我們可以以像素級的置信度相應(yīng)map中最大的點(diǎn)為準(zhǔn), 找到位置map中對應(yīng)的位置, 即可直接求解出預(yù)測的位置. 也就是:

$$\begin{gathered} {\tilde{R}}_i^{t+\delta }=\mathcal{R}(p_i^{?}(x,y));v_i^{t+\delta }=v_i(x^{?},y^{?}) \\ s.t.(x^{?},y^{?})=\arg \underset{x,y}{\max }(v_i?{\eta }_i) \end{gathered}$$

其中${\eta }_i$為:

$${\eta }_i(x,y)=\lambda \mathcal{C}+(1?\lambda )\mathcal{S}(\mathcal{R}(p(x,y)),R_i^t)$$

表示的是一個penalty map, 其中$\mathcal{C}$是以過去幀位置$R_i^t$的幾何中心為中心的cos窗函數(shù), $\mathcal{S}$是預(yù)測出的位置和原本位置高寬差異的高斯函數(shù), ${\eta }_i$的作用是為了防止bbox尺寸的突然變化.

損失函數(shù):

與隱式建模類似, 損失函數(shù)也是由置信度損失和bbox位置損失組成, 所不同的是該部分預(yù)測的是逐像素map, 因此需要逐像素進(jìn)行計算. 置信度損失仍為focal loss, 位置損失包括中心點(diǎn)的差異與回歸損失, 如下式所示:

$$\begin{gathered} L=\sum _{x,y}{l}_{focal}(v_i(x,y),v_i^{?}(x,y))+ \\ \sum _{x,y}\mathbb{I}[v_i^{?}(x,y)=1](w(x,y)?l_{reg}(p_i(x,y),p_i^{?}(x,y))) \end{gathered}$$

$w(x,y)$就是中心點(diǎn)差異.

1.3 訓(xùn)練和推理

訓(xùn)練是按照端到端的方式訓(xùn)練的, 將Faster RCNN的檢測損失與上面的損失結(jié)合. 推理也比較普通, 就是利用推理出的${\tilde{R}}_i^{t+\delta }$和檢測器檢測的$R_i^{t+\delta }$簡單進(jìn)行匹配即可.

整體流程下圖所示:

2. 評價

這篇是很簡單的一個筆記, 在SOT+MOT的方法里, 這篇應(yīng)該也算簡潔的, 創(chuàng)新之處在于隱式建模反推位置那一塊, 以及逐像素map的思想也值得學(xué)習(xí).