基于实例分割与毕达哥拉斯模糊决策的目标跟踪

为了解决目标跟踪中的尺度变化、相似性干扰、遮挡等问题，提出一种基于实例分割与毕达哥拉斯模糊决策的目标跟踪算法。在实例分割网络YOLACT++(improved You Only Look At CoefficienTs)的基础上，融合3种不同的匹配方式针对不同场景预测跟踪结果；同时提出一种基于毕达哥拉斯模糊决策的模板更新机制，即根据预测结果的质量作出是否更新目标模板和更换匹配方式的决定。实验结果表明，所提算法能够更准确地跟踪存在尺度变化、相似性干扰、遮挡等问题的视频序列。相较于SiamMask算法，所提算法在DAVIS 2016、DAVIS 2017数据集上的区域相似度分别提高了12.3、15.3个百分点，在VOT2016、VOT2018数据集上的预期平均重叠率（EAO）分别提高了4.2、4.1个百分点，且所提算法的平均跟踪速度为每秒32.00帧，满足实时性要求。     

实时视觉目标跟踪与视频对象分割多任务框架

目的 针对视觉目标跟踪（video object tracking,VOT）和视频对象分割（video object segmentation,VOS）问题,研究人员提出了多个多任务处理框架,但是该类框架的精确度和鲁棒性较差。针对此问题,本文提出一个融合多尺度上下文信息和视频帧间信息的实时视觉目标跟踪与视频对象分割多任务的端到端框架。方法 文中提出的架构使用了由空洞深度可分离卷积组成的更加多尺度的空洞空间金字塔池化模块,以及具备帧间信息的帧间掩模传播模块,使得网络对多尺度目标对象分割能力更强,同时具备更好的鲁棒性。结果 本文方法在视觉目标跟踪VOT-2016和VOT-2018数据集上的期望平均重叠率（expected average overlap,EAO）分别达到了0.462和0.408,分别比SiamMask高了0.029和0.028,达到了最先进的结果,并且表现出更好的鲁棒性。在视频对象分割DAVIS（densely annotated video segmentation）-2016和DAVIS-2017数据集上也取得了有竞争力的结果。其中,在多目标对象分割DAVIS-2017数据集上,本文方法比SiamMask有更好的性能表现,区域相似度的杰卡德系数的平均值J_M和轮廓精确度的F度量的平均值F_M分别达到了56.0和59.0,并且区域和轮廓的衰变值J_D和F_D都比SiamMask中的低,分别为17.9和19.8。同时运行速度为45帧/s,达到了实时的运行速度。结论 文中提出的融合多尺度上下文信息和视频帧间信息的实时视觉目标跟踪与视频对象分割多任务的端到端框架,充分捕捉了多尺度上下文信息并且利用了视频帧间的信息,使得网络对多尺度目标对象分割能力更强的同时具备更好的鲁棒性。     

基于多层特征增强的实时视觉跟踪

为了解决全卷积孪生视觉跟踪网络（SiamFC）出现相似语义信息干扰物使得跟踪目标发生漂移,导致跟踪失败的问题,设计出一种基于多层特征增强的实时视觉跟踪网络（MFESiam）,分别去增强高层和浅层的特征表示能力,从而提升算法的鲁棒性。首先,对于浅层特征,利用一个轻量并且有效的特征融合策略,通过一种数据增强技术模拟一些在复杂场景中的变化,例如遮挡、相似物干扰、快速运动等来增强浅层特征的纹理特性;其次,对于高层特征,提出一个像素感知的全局上下文注意力机制模块（PCAM）来提高目标的长时定位能力;最后,在三个具有挑战性的跟踪基准库OTB2015、GOT-10K和2018年视觉目标跟踪库（VOT2018）上进行大量实验。实验结果表明,所提算法在OTB2015和GOT-10K上的成功率指标比基准SiamFC分别高出6.3个百分点和4.1个百分点,并且以每秒45帧的速度运行达到实时跟踪。在VOT2018实时挑战上,所提算法的平均期望重叠率指标超过2018年的冠军,即高性能的候选区域孪生视觉跟踪器（SiamRPN）,验证了所提算法的有效性。     

基于多层特征增强的实时视觉跟踪

为了解决全卷积孪生视觉跟踪网络（SiamFC）出现相似语义信息干扰物使得跟踪目标发生漂移，导致跟踪失败的问题，设计出一种基于多层特征增强的实时视觉跟踪网络（MFESiam），分别去增强高层和浅层的特征表示能力，从而提升算法的鲁棒性。首先，对于浅层特征，利用一个轻量并且有效的特征融合策略，通过一种数据增强技术模拟一些在复杂场景中的变化，例如遮挡、相似物干扰、快速运动等来增强浅层特征的纹理特性；其次，对于高层特征，提出一个像素感知的全局上下文注意力机制模块（PCAM）来提高目标的长时定位能力；最后，在三个具有挑战性的跟踪基准库OTB2015、GOT-10K和2018年视觉目标跟踪库（VOT2018）上进行大量实验。实验结果表明，所提算法在OTB2015和GOT-10K上的成功率指标比基准SiamFC分别高出6.3个百分点和4.1个百分点，并且以每秒45帧的速度运行达到实时跟踪。在VOT2018实时挑战上，所提算法的平均期望重叠率指标超过2018年的冠军，即高性能的候选区域孪生视觉跟踪器（SiamRPN），验证了所提算法的有效性。     

基于条件对抗网和层次特征融合的目标跟踪

为了解决目标跟踪过程中因运动模糊和低分辨率导致跟踪效果变差的问题,提出一种基于条件对抗网和层次特征融合的目标跟踪算法。使用条件对抗生成网络模型（DeblurGAN-v2）,对输入的低分辨率视频帧去模糊;使用改进型VGG-19网络提取目标候选区域的Conv2、Conv4、Conv6三层特征,将孪生网络提取到的低层结构特征、中层特征与高层语义特征进行融合,以提高特征的表征能力。在目标跟踪评估数据集OTB2015与VOT2018上的实验结果表明,与SiamFC、SiamDW等其他算法相比,该算法具有更高的准确性,能够适应目标遮挡运动模糊、外观变化及背景干扰等复杂情况。相比于SiamFC,改进算法在OTB2015数据集上成功率提升5.5个百分点,在VOT2018数据集上EAO提升16.4个百分点。     

基于距离加权重叠度估计与椭圆拟合优化的精确目标跟踪算法

为解决判别式相关滤波（DCF）跟踪算法在跟踪目标旋转或非刚性形变时的模型漂移、尺度粗糙、跟踪失败问题,提出一种基于距离加权重叠度估计与椭圆拟合优化的精确目标跟踪算法（DWOP-EFO）。首先,同时采用矩形框之间的重叠度和中心距离作为动态锚框质量评价的依据,能够缩小预测结果与目标区域之间的空间距离,缓解模型漂移问题;其次,为了进一步提高跟踪精度,采用轻量化的目标分割网络将目标从背景中分割出来,再利用椭圆拟合算法对分割轮廓进行优化并输出稳定的旋转矩形框,实现对目标尺度的精确估计;最后,通过尺度置信度优化策略对置信度高的尺度结果实现门控输出。所提算法能缓解模型漂移问题,同时有利于增强跟踪器的鲁棒性和提升跟踪精度。在两个最为流行的评测数据集VOT2018和OTB100上进行了实验,结果表明：在VOT2018数据集上,所提算法的期望平均重叠率（EAO）指标比基于重叠度最大化准确跟踪算法（ATOM）提高2.2个百分点,相较于基于可学习的判别模型跟踪器（DiMP）提高1.9个百分点;同时,所提算法在OTB100评测数据集上的成功率指标比ATOM高出1.3个百分点,特别是在非刚性形变属性上效果显著。所提算法在评测数据集上的平均运行速率均超过25 frame/s实现了实时跟踪。     

基于目标时空上下文融合的视频异常检测算法

视频异常检测旨在发现视频中的异常事件,异常事件的主体多为人、车等目标,每个目标都具有丰富的时空上下文信息,而现有检测方法大多只关注时间上下文,较少考虑代表检测目标和周围目标之间关系的空间上下文。提出一种融合目标时空上下文的视频异常检测算法。采用特征金字塔网络提取视频帧中的目标以减少背景干扰,同时计算相邻两帧的光流图,通过时空双流网络分别对目标的RGB帧和光流图进行编码,得到目标的外观特征和运动特征。在此基础上,利用视频帧中的多个目标构建空间上下文,对目标外观和运动特征重新编码,并通过时空双流网络重构上述特征,以重构误差作为异常分数对外观异常和运动异常进行联合检测。实验结果表明,该算法在UCSD-ped2和Avenue数据集上帧级AUC分别达到98.5%和86.3%,在UCSD-ped2数据集上使用时空双流网络相对于只用时间流和空间流网络分别提升5.1和0.3个百分点,采用空间上下文编码后进一步提升1个百分点,验证了融合方法的有效性。     

增强二阶网络调制的目标跟踪

目的 表观模型对视觉目标跟踪的性能起着决定性的作用。基于网络调制的跟踪算法通过构建高效的子网络学习参考帧目标的表观信息,以用于测试帧目标的鲁棒匹配,在多个目标跟踪数据集上表现优异。但是,这类跟踪算法忽视了高阶信息对鲁棒建模物体表观的重要作用,致使在物体表观发生大尺度变化时易产生跟踪漂移。为此本文提出全局上下文信息增强的二阶池化调制子网络,以学习高阶特征提升跟踪器的性能。方法 首先,利用卷积神经网络（convolutional neural networks,CNN）提取参考帧和测试帧的特征;然后,对提取的特征采用不同方向的长短时记忆网络（long shot-term memory networks,LSTM）捕获每个像素的全局上下文信息,再经过二阶池化网络提取高阶信息;最后,通过调制机制引导测试帧学习最优交并比预测。同时,为提升跟踪器的稳定性,在线跟踪通过指数加权平均自适应更新物体表观特征。结果 实验结果表明,在OTB100（object tracking benchmark）数据集上,本文方法的成功率为67.9%,超越跟踪器ATOM （accurate tracking by overlap maximization）1.5%;在VOT （visual object tracking）2018数据集上平均期望重叠率（expected average overlap,EAO）为0.44,超越ATOM 4%。结论 本文通过构建全局上下文信息增强的二阶池化调制子网络来学习高效的表观模型,使跟踪器达到目前领先的性能。     

基于遮挡检测和时空上下文信息的目标跟踪算法*

基于时空上下文信息的目标跟踪算法利用目标与背景之间的时空关系,在一定程度上解决静态遮挡问题,但当目标出现较大遮挡或快速运动目标被背景中物体遮挡(动态遮挡)时,仍然会出现跟踪不准确或跟丢的情况.基于此种情况,文中提出基于遮挡检测和时空上下文信息的目标跟踪算法.首先利用首帧图像中压缩后的光照不变颜色特征构造并初始化时空上下文模型.然后利用双向轨迹误差对输入的视频帧进行遮挡情况判断.如果相邻帧间目标区域特征点的双向匹配误差小于给定阈值,说明目标未出现严重遮挡或动态遮挡,可以利用时空上下文模型进行准确跟踪.否则利用文中提出的组合分类器对后续帧进行目标检测,直至重新检测到目标,同时对上下文模型和分类器进行在线更新.在多个视频帧序列上的测试表明,文中算法可以较好地解决复杂场景下较严重的静态遮挡和动态遮挡问题.     

级联特征融合孪生网络目标跟踪算法研究

在光照变化、遮挡、背景相似、变形等复杂情况下,目标跟踪过程中难以精确地提取丰富的特征信息,容易导致目标跟踪出现漂移或者跟踪丢失。由于多层神经网络的浅层特征具有高分辨率,适合于目标定位;深层特征具有丰富的语义信息,适合于目标分类。充分利用这一优势,提出了一种级联特征融合的孪生网络目标跟踪算法。对ResNet-50网络进行改进,在减少模型参数和计算量的同时提高跟踪速度;采用级联特征融合策略将ResNet-50最后一阶段的3层特征进行逐级级联融合,进行目标深层语义信息和浅层空间信息的有效提取,实现目标的多特征准确表示。针对目标跟踪过程中大多数算法仅利用第一帧作为目标模板导致跟踪过程中目标模板退化问题,引入模板更新机制,利用相似度阈值法进行模板的实时更新。在OBT2015、VOT2016和VOT2018标准数据集上进行对比实验,实验结果表明,该算法的跟踪精度较高,复杂场景下鲁棒性较强,相对于其他算法有较强的竞争优势。     

结合双模板融合与孪生网络的鲁棒视觉目标跟踪

目的 视觉目标跟踪算法主要包括基于相关滤波和基于孪生网络两大类。前者虽然精度较高但运行速度较慢,无法满足实时要求。后者在速度和精度方面取得了出色的跟踪性能,然而,绝大多数基于孪生网络的目标跟踪算法仍然使用单一固定的模板,导致算法难以有效处理目标遮挡、外观变化和相似干扰物等情形。针对当前孪生网络跟踪算法的不足,提出了一种高效、鲁棒的双模板融合目标跟踪方法(siamese tracker with double template fusion,Siam-DTF)。方法 使用第1帧的标注框作为初始模板,然后通过外观模板分支借助外观模板搜索模块在跟踪过程中为目标获取合适、高质量的外观模板,最后通过双模板融合模块,进行响应图融合和特征融合。融合模块结合了初始模板和外观模板各自的优点,提升了算法的鲁棒性。结果 实验在3个主流的目标跟踪公开数据集上与最新的9种方法进行比较,在OTB2015(object tracking benchmark 2015)数据集中,本文方法的AUC(area under curve)得分和精准度分别为0.701和0.918,相比于性能第2的SiamRPN++(siamese region proposal network++)算法分别提高了0.6%和1.3%;在VOT2016(visual object tracking 2016)数据集中,本文方法取得了最高的期望平均重叠(expected average overlap,EAO)和最少的失败次数,分别为0.477和0.172,而且EAO得分比基准算法SiamRPN++提高了1.6%,比性能第2的SiamMask_E算法提高了1.1%;在VOT2018数据集中,本文方法的期望平均重叠和精确度分别为0.403和0.608,在所有算法中分别排在第2位和第1位。本文方法的平均运行速度达到47帧/s,显著超出跟踪问题实时性标准要求。结论 本文提出的双模板融合目标跟踪方法有效克服了当前基于孪生网络的目标跟踪算法的不足,在保证算法速度的同时有效提高了跟踪的精确度和鲁棒性,适用于工程部署与应用。     

深浅层表示融合的半监督视频目标分割

为了解决半监督视频目标分割任务中,分割精度与分割速度难以兼顾以及无法对视频中与前景相似的背景目标做出有效区分的问题,提出一种基于深浅层特征融合的半监督视频目标分割算法。首先,利用预先生成的粗糙掩膜对图像特征进行处理,以获取更鲁棒的特征;然后,通过注意力模型提取深层语义信息;最后,将深层语义信息与浅层位置信息进行融合,从而得到更加精确的分割结果。在多个流行的数据集上进行了实验,实验结果表明：在分割运行速度基本不变的情况下,所提算法在DAVIS 2016数据集上的雅卡尔（J）指标相较于学习快速鲁棒目标模型的视频目标分割（FRTM）算法提高了1.8个百分点,综合评价指标为J和F得分的均值J&F相较于FRTM提高了2.3个百分点;同时,在DAVIS 2017数据集上,所提算法的J指标比FRTM提升了1.2个百分点,综合评价指标J&F比FRTM提升了1.1个百分点。以上结果充分说明所提算法能够在保持较快分割速度的情况下实现更高的分割精度,并且能够有效区别相似的前景与背景目标,具有较强的鲁棒性。可见所提算法在平衡速度与精度以及有效区分前景背景方面的优越性能。     

基于负样本挖掘与特征融合的高速跟踪算法

随着目标跟踪技术在多种视觉任务中的广泛应用,跟踪算法的实时性变得越来越重要.全卷积孪生网络跟踪算法(SiamFC)虽然在跟踪速度方面较为理想,但在复杂的跟踪环境下很容易出现跟踪漂移.为了能在提高算法精度的同时保证实时性,提出一种基于负样本挖掘与特征融合的高速跟踪算法.首先,为了学到更深层次特征,又不过多增加额外参数运算,使用增加了剪裁层的轻量级网络ShuffleNetV2进行特征提取,提升跟踪速度;其次,在离线训练阶段引入不同种类的负样本对,加强对语义信息的学习,从而提升模型的特征判别能力;最后,为了得到更高质量的响应图,提出一种多尺度特征融合策略,充分利用浅层与深层特征,提高跟踪精度.在OTB100和VOT2018两个数据集上与其他跟踪算法进行对比实验,结果表明:所提出算法较基准算法SiamFC在各项指标上有大幅度提升,在两个数据集下分别收获8.3%和7.9%的增益;同时在NIVIDA GTX l070下的速度可达114FPS.     

动态的加权孪生网络跟踪算法

为提升快速在线目标跟踪与分割算法的跟踪精度,提出了一种动态的加权孪生网络跟踪算法。首先,对初始帧提取的模板特征与每帧提取的模板特征进行学习融合,提高跟踪器的泛化能力;其次,在掩膜分支产生目标掩膜的过程中用加权的方式融合特征,减少冗余特征带来的干扰,提高跟踪的精度。在数据集VOT2016和VOT2018上进行测试,所提算法的预期平均重叠率分别为0.450和0.390,精确性分别为0.649和0.618,鲁棒性分别为0.205和0.267,均高于基准算法,跟踪速度为34帧/s,达到了实时跟踪的要求。所提算法有效地提高了跟踪的准确性,能在复杂的跟踪环境下较好地完成跟踪任务。     

融合残差连接与通道注意力机制的Siamese目标跟踪算法

针对Siamese跟踪算法在目标形变、相似物体干扰等复杂情况下容易跟踪漂移或丢失的问题,提出一种融合残差连接与通道注意力机制的目标跟踪算法.首先,通过残差连接将模板分支网络提取的浅层结构特征与深层语义特征进行有效的融合,以提高模型的表征能力;其次,引入通道注意力模块,使模型自适应地对不同语义目标特征通道加权,以提高模型的泛化能力;最后设计并提出一种基于相关性响应值的权重掩码,在离线训练时提高相似语义目标损失值的权重,使模型在端到端的离线学习中增强对相似语义目标的辨别力.在标准跟踪数据集OTB,TempleColor128,VOT2016和VOT2018上与主流跟踪算法进行对比实验,结果表明,该算法在跟踪精度和成功率上都展现了极强的竞争力,具有优越的实时性和可靠性.     

基于互注意力指导的孪生跟踪算法

针对传统孪生网络目标跟踪算法在相似物干扰、目标形变、复杂背景等跟踪环境下无法进行鲁棒跟踪的问题,提出了注意力机制指导的孪生网络目标跟踪方法,以弥补传统孪生跟踪方法存在的性能缺陷.首先,利用卷积神经网络ResNet50的不同网络层来提取多分辨率的目标特征,并设计互注意力模块使模板分支与搜索分支之间的信息能够相互流动.然后...