Deepsort工作原理分析

Deepsort工作原理分析

源码解析
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deepsort源码解读六
deepsort源码解读七

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一．重要实现部分

1．卡尔曼滤波

（1）卡尔曼滤波功能是根据系统以前的数据预测系统下一步的操作。如卡尔曼滤波在deepsort中主要功能是基于前一帧图片中的检测框（可能存在很多，假设其中一个检测框为A），预测检测框A在当前这一帧中的位置。

（2）在系统开始运行时，不存在前一帧，那么为了实现卡尔曼滤波的功能，程序会把检测到的第一帧中符合要求的检测框作为新的跟踪对象（track）。
建立新的跟踪对象会进行的操作：

1. 输入参数，检测框的位置坐标（检测框中心坐标[x,y],宽/高，高）
2. 构造跟踪对象的8维mean均值向量，该向量由位置坐标和速度构成，也称状态向量。第一帧中的mean向量为[312.5,225,0.40277778,72,0,0,0,0]。（初始速度为0）
3. 构造协方差矩阵covariance，该矩阵的作用是协调mean中每个参数相互之间的关系，来表示目标位置信息的不确定性质，矩阵中的数字越大表示不确定性越大。由8x8的矩阵表示，该协方差矩阵也是对角矩阵，可以以任意值初始化。将会用在下文提到的马氏距离计算中，用来考虑不确定性。
   若mean =
   
   则covariance =
   其中每一个track的covariance的初始值由权重与检测框的高度设定。
4. 进行其他参数赋值（与卡尔曼滤波无关）。
   将新建立的track放入跟踪链中（跟踪链是用来存储所有预测的track)。如图1，下列9个track框都是第一帧中物理检测框的位置(也为第一帧的track位置)。
   
   图 1

（3）当跟踪链中存在前一帧的track时，卡尔曼滤波的工作方式如下（前一帧的所有track都需要如下操作）。

1. 每一帧的每一个track都有mean，covariance参数，将这两个参数传入卡尔曼滤波预测函数中。
2. 在卡尔曼滤波预测函数中，实现与两个数学等式即可得到新预测的mean和covariance（其中F为8x8的状态转移矩阵）。对于协方差矩阵的预测中，考虑到外部因素的不确定性（如在跟踪一个四轴飞行器，它可能会受到风的冲击，或者行人在冰上或者泥里打滑了），预测步骤后添加一些新的不确定性，可以对与“世界”相关的不确定性进行建模，如将无法确定的外部因素描述成方差为的高斯噪声。
3. 得到某一track的和后，进行更新操作：
   (1)进行级联操作和iou操作；
   (2)对于匹配上的track进行更新操作：
   ①输入track的mean、covariance、检测框的位置[中心坐标(x,y)，w/h,h]到卡尔曼滤波的更新函数;
   ②输出纠正后track的mean与covariance.也即该帧得到最终的检测框位置信息等。
   存在前一帧的track时，得到基于前一帧预测的track和目标检测框。
   如图2-图7所示，红色的为目标检测框，其他色为预测的track框（未结合目标检测框进行更新修正）。
   
   图 2 第三帧
   
   图 3 第四帧
   
   图4 第五帧
   
   图5 第六帧
   
   图6 第七帧
   
   图7 第八帧

如图8所示，红色的为目标检测框，其他色为预测的track框结合目标检测框进行更新修正后的框。

图 8 第三帧

图 9 第四帧

图 10 第五帧

图 11 第六帧

图 12 第七帧

图 13 第八帧

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2．级联匹配

（1）相比于普通的sort算法，在IOU Match之前做了一次额外的级联匹配，利用了reid外观特征和马氏距离进行track框与detection框匹配。
① Reid外观特征的作用：通过加入外观特征，可以处理更长时间遮挡下的跟踪[经过更长时间的遮挡，运动模型可能完全失效，无法关联上detection，但是如果有外观特征提供的信息，还有可能关联上]，以及减少ID切换。
② 马氏距离的作用：判断track框与detection框的状态向量的前四维度（center_x,center_y,w/h,h）的接近程度。如下图14，一般而言，上下帧之间物体移动的距离不会相差太远，所以坐标越接近越可能是同一个目标。

图 14(该图来源于网络)

（2）Reid外观特征匹配原理
在实现中，每一个track都会将每一帧中同一目标的feature保存下来(特征提取网络由deepsort中的deep实现)，以便计算第i个track预测框与第j个detection框的外观距离。在计算中，会将每一个track的所有feature（每一个track所保存的feature数量可人为设定，由参数nn_budget设定）与当前帧的全部detection框进行计算匹配的代价，并存入矩阵cost_matrix中（行数为track数目，列数为detection框数目），即所谓的余弦距离。
余弦距离的计算公式为
，是每一个detection框的特征向量，是track的特征向量。由于每个track有一个或多个特征向量，那么需要将每一个特征向量与所有的detection框都进行计算得到行数为track特征向量数量，列数为detection检测框数量的矩阵。然后利用axis=0,从该矩阵中按列选取最小值，然后返回行数为1，列数为detection框数量的矩阵，如下图示例（对应上面图9、10）
初始化cost_matrix为8x11的矩阵，有8个track,11个detection框，如图15所示

图 15

将每一个track的特征向量与detection进行计算，第一个track的facture向量有3个，如图16所示

图 16

计算结果如下图17所示

图 17

然后按列选取最小值，得到如下图18结果

图 18

这就是余弦距离代价矩阵的第一个track与全部的detection框计算后的距离，构成代价矩阵cost_matrix的第一行，然后进行重复操作，得到全部track与detection框的余弦距离，如下图19所示：

图 19

（3）马氏距离计算原理
Track的mean、covariance，和detection框坐标作为马氏距离计算的输入参数；计算后会根据马氏距离更新代价矩阵cost_matrix（如果去掉马氏距离中的协方差矩阵，就退化为欧氏距离）。
马氏距离的关联度量计算公式为
,表示第j个detection检测框位置，表示第i个track框的位置，表示detection检测框与track框之间的协方差矩阵。如果的马氏距离大于指定的阈值，则忽略该detection检测框与track框的关联，认为不匹配。

示例如下：

1. 将detection框与track框的坐标（按照[center_x,center_y,w/h,h]格式）进行相减。图20为某一帧中某一个track的mean值，图21为该帧中所有的detection框坐标，图22为该track坐标与所有的detection框坐标的差值
   
   图 20
   
   图 21
   
   图 22

2. 将得到插值结果根据计算公式得出该track与所有的detectiond框的马氏距离矩阵，如图23所示。
   
   图 23

3. 将图23得到的马氏距离矩阵进行阈值处理，将马氏距离高于给定阈值的赋值为无穷大。
   基于余弦距离处理后的该track与detection框的cost_matrix，如图24所示。
   
   图24
   马氏距离判定中设置的阈值为9.4877，将图23中的马氏距离依次与9.4877进行比较，将大于该阈值的cost_matrix中对应位置值设为无穷大（此处为10的五次方），如下图25所示。
   
   图 25

4. 对剩余的所有track重复上述操作，得到最后的cost_matrix如下图26所示.
   
   图 26
   （4）得到cost_matrix之后，根据匈牙利算法从cost_matrix中找到最佳匹配的track框与detection框，返回匹配的track与detection框。
   总的来说，马氏距离提供了目标的可能位置信息，对短期预测有用；余弦距离更多考虑的是预测信息和轨迹信息的外观特征，当跟踪对象位移较少时，对恢复长期遮挡后的id特别有用。

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3．Iou匹配

经过级联匹配余下的track与detection框进行iou匹配，iou的原理是用两个方框的交集面积除以并集面积，如下图27：

图 27

为了实现iou匹配，按照上图所示进行计算，得到每一个track框与detection框的iou值构成的代价矩阵cost_matrix.类似级联处理，忽略代价矩阵cost_matrix中大于给定阈值的track与detection关联。然后进行匈牙利匹配算法，得出可匹配的track与detection.

示例如下(以第三帧为例)：

1. 初始化为8x11的cost_matrix代价矩阵,8个track框与11个detection框，如图
   
   图 28

2. 将track框与detection框的坐标转换为（left_top_x,left_top_y,right_bottom_x,right_bottom_y）,然后计算该帧中每一个track框与该帧中所有的detection框的iou值，但cost_matrix中存储的是1-iou值，cost_matrix如下图29所示：
   
   图 29

3. 得到cost_matrix经过阈值处理(此处设定为0.7),将大于阈值的值设定为阈值+，即0.70001，得到如图30所示的cost_matrix:
   
   图 30

4. 基于步骤三得到的cost_matrix再次利用匈牙利算法进行匹配，找到最小代价的匹配关系的track与detection,返回匹配的track与detection索引。

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二．Deepsort整体流程

deepsort是基于已有的检测目标进行跟踪的算法.

该图来源于网络

预备知识

1. 每一个track有两种状态confirmed与unconfirmed状态，confirmed状态的track可参加级联匹配与iou匹配；unconfirmed状态的track只可参加iou匹配。

2. 初始的track（新建的track）的状态为unconfirmed状态。

3. unconfirmed状态的track转为confirmed状态的方法：
   由于每一个新建的track最开始只能进行iou匹配，因此新建的track都设有一个hits变量，用来存储unconfirmed track成功与detection框进行iou匹配的次数。若该次数大于等于deepsort中默认的3次，则将该track的状态由unconfirmed track转为confirmed track。

4. 若新建的track（unconfirmed）在后续的三帧中没有连续三次成功进行iou匹配，由于处于unconfirmed状态，那么该unconfirmed track将会被永久删除，不再考虑。

5. 若存在confirmed track在某一帧经过级联匹配与iou匹配均未找到与之对应的detection框时，为了考虑遮挡等问题，deepsort中设置了一个max_age变量，用于容忍该confirmed track可最大连续丢失max_age帧而未匹配，而每一个track则有一个time_since_update变量，记录自身从上次匹配到现在已经有多少帧未匹配。

6. deepsort中只有confirmed track经过级联匹配或者iou匹配成功后才会在图片中画出跟踪框，不考虑其他track,因此在deepsort刚运行的时候，前几帧不会出现跟踪框。

执行步骤

1. 执行每一帧前，可设定的deepsort参数包括
   max_dist 余弦距离的最大阈值
   min_confidence 置信度的最小阈值
   nms_max_overlap 非极大值抑制
   max_iou_distance iou的最大阈值
   max_age 允许连续丢失的帧数
   n_init unconfirmed track转为confirmed track需要连续iou匹配成功的次数
   nn_budget 每一个track允许保留的最多feature向量数目

（注：为了更好的体现deepsort的功能，下面情况来自运行deepsort一段时间之后的情况。）

2. 每一帧经过非极大值抑制和去掉置信度低于阈值()的检测框（只有背景）；

3. 输入每一帧的检测框的坐标，类别，置信度，图到deepsort中；

4. 基于前一帧的track进行预测，得到前一帧中出现的物体在当前这一帧中可能的位置；

5. 将confirmed track与当前帧的detection框进行级联匹配
   (1)匹配成功的的confirmed track利用detection框提供的坐标，特征向量等数据进行更新mean与covariance,将detection框的feature向量加入该track的feature列表;
   (2)未匹配成功的track与detection框，进入到iou匹配阶段，见步骤5；

6. 将unconfirmed track与步骤4中剩余的confirmed track集合作为iou匹配的track输入，将该track集合与未匹配的detection框进行iou匹配。
   (1)匹配成功的track（不区分confirmed与unconfirmed状态）利用detection框提供的坐标，特征向量等数据进行更新mean与covariance,将detection框的feature向量加入该track的feature列表;
   (2)对于未匹配成功的track，若为confirmed状态则保留，不更新mean与covariance，继续参与到下一帧的预测track中;若为unconfirmed状态，则将该track标记为deleted状态；
   (3)对于未匹配成功的detection框，为之建立新的track，根据detection框的数据对新的track进行赋值，初始化新的track的mean、covariance、feature等初始值；

7. 将已经匹配成功的track的feature与id，加入到按照{id:feature}存储的列表中,并且根据参数nn_budget限定每一个track的feature数量。若数量超过nn_budget，则按照删除时间久远的，保留时间临近的feature进行该列表中每个{id:feature}的更新。

8. 根据每一个track更新后的mean向量，输出检测框坐标与id。然后读取新的一帧重复上述操作。