基于相关滤波器的追踪(Correlation Filter-based Tracking)原理

2023-10-27

基于相关滤波器的追踪(Correlation Filter-based Tracking)原理


基于相关滤波器的追踪算法,典型的算法有KCF,DSST,STC,SAMF等。这些算法的大致框架都是差不多的。

介绍

在视频的第一帧给定目标的初始位置,追踪的目标就是预测目标之后的位置。追踪受到很多因素影响,比如光照变化(illumination variations),遮挡,形变,旋转等。在过去对于追踪的研究之中,主要分为2中方法:生成型模型(generative model)和判别式模型(discriminative models)。前者的主要思想就是通过寻找最佳匹配的窗口,而后者的主要思想就是学习从背景中区分目标。

在判别式模型中,基于相关滤波器的追踪算法(Correlation Filter-based Tracking)表现比较好。一般的,相关滤波器的原理就是在场景中,对每个感兴趣的目标产生高响应(相关峰(correlation peak)),对于背景则产生低的响应。

Correlationfilter-based tracking(CFTs)主要可以通过以下几个方面提高:

1)引入更好的训练方案(introducing better training schemes)

2)提取更强大的特征(extracting powerful features)

3)减轻尺度变化的影响(relieving scaling issue)

4)结合基于部分的追踪策略(applying part-based tracking strategy),即相对于对目标整体识别,可以将目标分成好几个部分,对各个部分进行识别

5)结合long-term的追踪(cooperating with long-term tracking)。


CFT整体框架介绍

          对于输入的第一帧,将给定的要追踪的区域提取出特征,然后进行训练,得到相关滤波器。

          对于之后的每一帧,先裁剪下之前预测的区域(由于是对前一帧区域做相关,所以对于物体快速移动处理的不好),然后进行特征提取,这些特征经过cos窗函数之后,做FFT变换,然后与相关滤波器相乘,将结果做IFFT之后,最大响应点所在的区域即为要追踪目标的新位置,然后再用新位置区域训练更新得到新的相关滤波器,用于之后的预测。


         详细的框架如下图:



用数学的方式描述工作流程如下:

         x:检测器的输入。要么是rawimage patch,要么是提取的特征;

         h:相关滤波器。

         根据卷积理论,时域上的卷积相当于频域上的乘积,可以得到如下式子:


符号‘^’表示傅里叶变换,⊙表示element-wise相乘,*表示复共轭,F-1表示反傅里叶变换。(1)的结果就是x与h的相关输出,也就是之前提到的confidence map,根据最大的响应位置,可以得到目标新预测的位置。

         对于训练滤波器,我们首先定义一个期望的相关输出y(可以是任意形状,比如MOSSE算法就是将y定义为2D峰值在中心的高斯分布的函数,UMACE算法就是目标中心点为1,其余位置为0的Kronecker delta函数)。使用目标的新实例x’,相关滤波器h应该满足:


因此:



其中, 表示y的DFT,除法的计算也是element-wise的。

 

对于一幅n x n大小的图片进行循环卷积的计算复杂度是O(n4),而使用FFT之后,计算复杂度变为O(n2logn),因此使用FFT的加速作用很明显。

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