Accurate Scale Estimation for Robust Visual Tracking 学习笔记：

Accurate Scale Estimation for Robust Visual Tracking DSST学习笔记：

尺度变化是跟踪中比较基础和常见的问题，目标变小，跟踪器就会吸收大量没有用的背景信息，目标过大，跟踪器就会丢失很多特征。

Accurate Scale Estimation for Robust Visual Tracking

DSST (Discriminative Scale Space Tracker)是VOT2014年的冠军。

作者的主页是：http://www.cvl.isy.liu.se/en/research/objrec/visualtracking/

DSST算法是基于MOSSE
correlation filter做的改进和拓展，实现了快速且准确的目标尺度评估，原程序有详细的注释。

首先是算法的理解：

基于mosse tracker的改进，原理：相关滤波原理在： https://mp.csdn.net/mdeditor/88087940#

本文的改进：

l是维数，位置滤波器用的28，尺寸滤波器用的是33，h是改进的相关滤波器，是训练或者是前一帧的图片，是通过滤波器输出的图片，也就是后一帧的图片。λ是调整参数需要大于一，用以控制影响正则化的影响。作者建立了一个改进的模型：（我类似mosse模型进行改写，便于自己理解）

FFT之后求偏导，与MOSSE类似，化简得到：

G是傅里叶变换后的，F是傅里叶变换后的，再求解的过程中，分别计算分子和分母：

F是逆傅里叶变换，A分子，B分母，z是计算出来的特征图，通过改变z的值从而改变y的值，当y最大时，就是相关滤波器最适配的时候。

η是学习速率,t表示第几帧。加上划线表示共轭。我的理解，从第一帧时，分子和分母都没有前一项，很好得到初始分子分母。

算法流程：

输入：当前的图片；
上一帧的位置和尺度；
当前的位置模型和尺度模型；

位置更新：参照上一帧的位置，在当前帧提取2倍大小的样本，利用公式@，寻找令y最大的位置；

尺度更新：选择33种不同尺度的样本，利用位置滤波器得到的中心位置，结合公式@，对比寻找出最接近的尺度；

@

输出：目标的估计位置和尺度
更新位置模型和尺度模型；

程序中的关键点：

1、运行环境：matlab2017a，同时也需要高版本的opencv，对图片进行放大裁剪等处理；

2、数据集：OTB100，将图片集放置于sequences目录下，在run_tracker.m中调整第八行的输入位置，同时在load_video.m中正确匹配图片格式。在函数choose_video.m中，已经将图片地址整合完毕，ground_truth是人工标注的坐标和尺寸，frames文件里是图片的总数。

3、参数及其代表的意义：

位置滤波器输出差设定为1/16内；尺寸滤波器输出标准误差1/2内;调整参数(λ)0.01

跟踪器学习速率(η)为0.025；论文中的比例数(S)为33，和比例因子(a)为1.0；最大像素512。

4、初始化阶段：在dsst.m函数中：

初始化的作用目前的理解就是提取了第一帧的信息，建立输入和输出的滤波器模型。

已知初始目标框的为

再建立模型，一维和二维的高斯公式的形式，分别对应的是位置滤波器和尺寸滤波器

作者首先获取不同大小的分块，获取过程如下：

[rs, cs] = ndgrid((1:sz(1)) - floor(sz(1)/2), (1:sz(2)) - floor(sz(2)/2));

y = exp(-0.5 *(((rs.^2 + cs.^2) / output_sigma^2)));

和

ss = (1:nScales) - ceil(nScales/2);

ys = exp(-0.5 *(ss.^2) / scale_sigma^2);

5、提取特征的函数：

get_translation_simple.m中获得用于计算最佳位置时，所需的图片的HOG特征，以及get_scale_sample.m中可以获得求解最佳比例时的图片的特征，分成33个部分的HOG特征。两个函数提取的HOG特征是不一样的。

6、求解最佳位置，更新位置滤波器；

%得到的是样本的HOG特征图，并且用hann窗口减少图像边缘频率对FFT变换的影响，之后用快速傅里叶变换。

xt = get_translation_sample(im, pos, sz,currentScaleFactor, cos_window);

xtf = fft2(xt);

%这里是找到新到位置response就是公式里的y，用find函数找坐标里能使y最大的值。

response = real(ifft2(sum(hf_num .* xtf, 3)./ (hf_den + lambda)));

[row, col] = find(response == max(response( : )),1);

% 更新位置可以得到坐标和尺寸，更新位置

pos = pos + round((-sz/2 + [row, col]) *currentScaleFactor);

positions(frame,:) = [pos target_sz];

在提取位置特征的时候，先将输入图片Im的尺寸整合成固定值，然后选取一个二倍于跟踪框的图片，一共提取了32个sz(1)*sz(2)大小的hog特征，在用先前生成的cos_window与这32个特征图分别进行点乘操作，这样做的目的是为了减少图像边缘对FFT变换的影响。xt就是经过加窗处理后的hog特征图。其一共有28个hog特征。

7、求解最佳尺度，更新尺度滤波器的参数；

%提取样本的HOG特征

xs=get_scale_sample(im, pos,
base_target_sz, currentScaleFactor * scaleFactors, scale_window,scale_model_sz);

% 傅里叶变换

xsf = fft(xs,[ ],2);

scale_response = real(ifft(sum(sf_num .*xsf, 1) ./ (sf_den + lambda)));

% 同理，用find函数寻找可以使，滤波器最佳的比例值

recovered_scale = find(scale_response == max(scale_response( : )), 1);

%更新比例因子

currentScaleFactor = currentScaleFactor *scaleFactors(recovered_scale);

if currentScaleFactor < min_scale_factor

currentScaleFactor = min_scale_factor;

elseif currentScaleFactor > max_scale_factor

currentScaleFactor = max_scale_factor;

end

每个样本都要重新调整尺寸，分别提取31维fhog特征，每个样本的所有fhog再

串联成一个特征向量构成33层金字塔特征，乘以一维hann窗后作为输入F

用于尺寸相关滤波器。

8、更新模型：

% 位置滤波器
xl=get_translation_sample(im, pos, sz,
currentScaleFactor, cos_window);
xlf = fft2(xl);
new_hf_num = bsxfun(@times, yf, conj(xlf));
new_hf_den = sum(xlf .* conj(xlf), 3);

%尺度滤波器

xs=get_scale_sample(im,pos,base_target_sz,currentScaleFactor*scaleFactors,
scale_window, scale_model_sz);

xsf = fft(xs,[ ],2);

new_sf_num = bsxfun(@times, ysf, conj(xsf));
new_sf_den = sum(xsf .* conj(xsf), 1);

if frame == 1
hf_den = new_hf_den;
hf_num= new_hf_num;
sf_den = new_sf_den;
sf_num= new_sf_num;
else
hf_den= (1 - learning_rate) * hf_den + learning_rate * new_hf_den;
hf_num= (1 - learning_rate) * hf_num + learning_rate * new_hf_num;
sf_den= (1 - learning_rate) * sf_den + learning_rate * new_sf_den;
sf_num= (1 - learning_rate) * sf_num + learning_rate * new_sf_num;
end

对应公式里的就是，hf_den就是位置滤波器中的分子A，hf_num就是位置滤波器中的分母B，sf_den就是尺寸滤波器中的分子A，sf_num就是尺寸滤波器中的分母B。考虑到第一帧的图片没有公式里的前一项，所以分子hf_den = new_hf_den，但是求的是第一帧之后的，则需要先计算公式里后一项的那一长串的结果，存储在new_hf_den中，对应其他分子分母，这就是对应公式的理解。

9、关于使用HOG特征

本文只使用了这一种特征，借鉴了另一篇大佬的代码选择效果更好的分区域求HOG特征。来自：fhog.m函数，是由Felzenszwalb论文《Discriminatively trained deformable part models》里提取HOG的代码整合，主要函数是：GradientMag（）和GradientHist（），由C++编写。计算出的HOG特征为3*nOrients+5维。文章选取得是2+2+4+1个通道，nOrients=9因此每个单元上是32维特征向量。这种取HOG特征的方法，即为fhog，已被证明实现了优于原始性能。输入图片得色彩灰度数组和切割框的参数，得到的是33个计算后的HOG特征。

HOG是一个局部特征，如果对一大幅图片直接提取特征，是得不到好的效果，所以把图像分割成很多区块，然后对每个区块计算HOG特征，这也包含了几何（位置）特性。

2）提取当前尺寸和位置的特征图谱；

10、使用hann窗是在FFT中为了降低图像边缘的影响，而引入的。

cos_window = single(hann(sz(1)) * hann(sz(2))’);

这里需要使用的是一个2维的窗函数；hann(x)表示窗分为多少个精度。

11、绘制跟踪框，之后用已经经过人工标注的每一帧数据作比较，再计算跟踪时的fps重叠率和误差率。（当年人工标记测试序列的时候还真是个体力活，不过有了测试序列之后，做算法的比较确实是一大进步）

Dsst.m函数内 %visualization
之后的部分。

自己的总结：DSST尺度滤波器的应用对于解决目标跟踪中的尺度变化很有帮助。同时期有个更早的相关滤波算法SAMF，在之后几年的比赛中互有胜负，都是对于尺度变换有良好解决的算法，结合资料，SAMF只有7个尺度比较粗犷，而DSST有33个尺度比较精细准确，并且DSST先检测平移再检测尺度，是分步最优，而SAMF是平移尺度一起检测，是平移和尺度同时最优，另外就是使用滤波器的数量不同，计算次数也差的很多，所以是一起效果好还是分开效果好再叠加好，我想再去了解一下。。其实算法理解了还是容易的，还有就是模型怎么建立的就让我觉得很神奇了。

补充的想法：

1、遇到目标脱离边界的情况，有没有比较好的表现？

2、除了HOG特征，使用别的数据作为跟踪的特征有没有更好的表现？

3、现在学习的跟踪用的视频清晰度都太低了，个人认为实用价值有限，毕竟如果要做会议室或者无人驾驶，还是要解析高清晰度的，不过低清晰度的视频有个好处就是，计算速度会比较快，实际使用时，会不会是两种清晰度的相互结合使用呢。

4、在机器学习应用到跟踪领域之前，目标跟踪的问题，就像是一个数学矩阵找另外一个数学矩阵中重叠部分最多的数学题，接下来这个阶段应该会再多看看不同的算法总结一些比较有价值的。

本文学习于
https://blog.csdn.net/autocyz/article/details/48651013
https://blog.csdn.net/weixin_38128100/article/details/80557460
https://blog.csdn.net/autocyz/article/details/48651013

最后

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