判别稀疏表示鲁棒快速视觉跟踪

目的 L1跟踪对局部遮挡具有良好的鲁棒性,但存在易产生模型漂移和计算速度慢的问题。针对这两个问题,该文提出了一种基于判别稀疏表示的视觉跟踪方法。方法 考虑到背景和遮挡信息的干扰,提出了一种判别稀疏表示模型,并基于块坐标优化原理,采用学习迭代收缩阈值算法和软阈值操作设计出了表示模型的快速求解算法。结果 在8组图像序列中,该文方法与现有的4种经典跟踪方法分别在鲁棒性和稀疏表示的计算时间方面进行了比较。在鲁棒性的定性和定量比较实验中,该文方法不仅表现出了对跟踪过程中的多种干扰因素具有良好的适应能力,而且在位置误差阈值从0~50像素的变化过程中,其精度曲线均优于实验中的其他方法;在稀疏表示的计算时间方面,在采用大小为16×16和32×32的模板进行跟踪时,该文算法的时间消耗分别为0.152 s和0.257 s,其时效性明显优于实验中的其他方法。结论 与经典的跟踪方法相比,该文方法能够在克服遮挡、背景干扰和外观改变等诸多不良因素的同时,实现快速目标跟踪。由于该文方法不仅具有较优的稀疏表示计算速度,而且能够克服多种影响跟踪鲁棒性的干扰因素,因此可以将其应用于视频监控和体育竞技等实际场合。     

变分调整约束下的反向低秩稀疏学习目标跟踪

目的 低秩稀疏学习目标跟踪算法在目标快速运动和严重遮挡等情况下容易出现跟踪漂移现象,为此提出一种变分调整约束下的反向低秩稀疏学习目标跟踪算法。方法 采用核范数凸近似低秩约束描述候选粒子间的时域相关性,去除不相关粒子,适应目标外观变化。通过反向稀疏表示描述目标表观,用候选粒子稀疏表示目标模板,减少在线跟踪中L₁优化问题的数目,提高跟踪效率。在有界变差空间利用变分调整对稀疏系数差分建模,约束目标表观在相邻帧间具有较小变化,但允许连续帧间差异存在跳跃不连续性,以适应目标快速运动。结果 实验利用OTB（object tracking benchmark）数据集中的4组涵盖了严重遮挡、快速运动、光照和尺度变化等挑战因素的标准视频序列进行测试,定性和定量对比了本文算法与5种热点算法的跟踪效果。定性分析基于视频序列的主要挑战因素进行比较,定量分析通过中心点位置误差（central pixel error,CPE）比较跟踪算法的精度。与CNT（convolutional networks training）、SCM（sparse collaborative model）、IST（inverse sparse tracker）、DDL（discriminative dictionary learning）和LLR（locally low-rank representation）算法相比,平均CPE值分别提高了2.80、4.16、13.37、35.94和41.59。实验结果表明,本文算法达到了较高的跟踪精度,对上述挑战因素更具鲁棒性。结论 本文提出的跟踪算法,综合了低秩稀疏学习和变分优化调整的优势,在复杂场景下具有较高的跟踪精度,特别是对严重遮挡和快速运动情况的有效跟踪更具鲁棒性。     

联合模板先验概率和稀疏表示的目标跟踪

目的 虽然基于稀疏表示的目标跟踪方法表现出了良好的跟踪效果,但仍然无法彻底解决噪声、旋转、遮挡、运动模糊、光照和姿态变化等复杂背景下的目标跟踪问题。针对遮挡、旋转、姿态变化和运动模糊问题,提出一种在粒子滤波框架内,基于稀疏表示和先验概率相结合的目标跟踪方法。方法 通过先验概率衡量目标模板的重要性,并将其引入到正则化模型中,作为模板更新的主要依据,从而获得一种新的候选目标稀疏表示模型。结果 在多个测试视频序列上,与多种流行算法相比,该算法可以达到更好的跟踪性能。在5个经典测试视频下的平均中心误差为6.77像素,平均跟踪成功率为97%,均优于其他算法。结论 实验结果表明,在各种含有遮挡、旋转、姿态变化和运动模糊的视频中,该算法可以稳定可靠地跟踪目标,适用于视频监控复杂场景下的目标跟踪。     

加权局部特征结合判别式字典的目标跟踪

目的 当前大多数基于稀疏表示的跟踪方法只考虑全局特征或局部特征的最小重构误差,没有充分利用稀疏编码系数,或者忽略了字典判别性的作用,尤其当目标被相似物遮挡时,往往会导致跟踪目标丢失。针对上述问题,提出一种新的基于判别式字典和加权局部特征的稀疏外观模型(SPAM-DDWF)跟踪算法。方法 首先利用Fisher准则学习判别式字典,对提取的局部特征进行结构性分析来区分目标和背景,其次,提出一种新的基于加权的相似性度量方法来处理遮挡问题,从而提高跟踪的精确度。此外,基于重构系数的权重更新策略,使算法能更好地适应跟踪目标的外观变化,并降低了遮挡发生时跟踪漂移的概率。结果 在多个基准图像序列上,与多种流行方法对比,本文算法在光照变化、复杂背景、遮挡等场景中保持较高的跟踪成功率与较低的漂移误差。平均成功率和漂移误差分别为76.8%和3.7。结论 实验结果表明,本文算法具有较好的有效性和鲁棒性,尤其在目标被相似物遮挡的情况下,也能较准确地跟踪到目标。     

矩阵低秩表示的目标跟踪算法

目的 目标跟踪中,遮挡、强烈光照及运动模糊等干扰对跟踪精度的影响较大,其为目标外观的观测建模精度带来一定的困难。此外,很多现有算法在观测建模中都以向量形式表示样本数据,使得样本数据原有结构及其各像素的潜在关系被有意改变,从而导致观测模型数据维度及计算复杂度的提高。方法 本文通过深入研究跟踪框架的观测建模问题,提出一种新颖的基于矩阵低秩表示的观测建模方法及其相应的似然度测度函数,使得跟踪算法能够充分挖掘样本数据的潜在特征结构,从而更加精确探测目标在遮挡或强烈光照等各种复杂干扰下的外观变化。同时,以矩阵形式表述样本信号的数据格式,使得其视觉特征的空间分布保留完好,并有效降低数据维度和计算复杂度。结果 本文跟踪算法在富有挑战性干扰因素的跟踪环境中体现出更为鲁棒的跟踪性能,能够较好地解决跟踪中遮挡或强烈光照所引起的模型退化和漂移等问题。在10个经典测试视频中,本文跟踪算法的平均中心点误差为5.29像素,平均跟踪重叠率为78%,平均跟踪成功率为98.28%,均优于其他同类算法。结论 本文以2维矩阵数据原型为载体,提出了一种新的多任务观测建模框架和最大似然度估计模型。实验数据的定性与定量分析结果表明,本文算法与一些优秀的同类算法相比,其跟踪建模精度达到相同甚至更高的水平。     

融合残差Unscented粒子滤波和区别性稀疏表示的鲁棒目标跟踪

（目的）提出一种鲁棒的目标跟踪算法,将区别性稀疏表示模型应用于残差Unscented粒子滤波(RUPF)跟踪框架,从而实现对目标高效准确的跟踪。（方法）利用Unscented卡尔曼(UKF)滤波技术将目标的量测信息引入提议分布,并使用马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)移动改进采样结果,提高了滤波的精度,同时有效防止了粒子的退化和贫化。基于稀疏表示建立区别性的目标观测模型,引入的背景成分可以增强算法分辨目标与背景的能力。采用可变方向乘子法(ADMM)解决稀疏表示中的L1优化问题,有效的提升了算法的执行效率。（结果）通过和其它跟踪算法一起对标准测试视频进行的大量定性与定量的实验表明,本文提出的跟踪算法的跟踪精度高于一些常见的跟踪算法,同时其时间复杂度低于传统的几种基于稀疏的跟踪算法。（结论）随着硬件技术的不断发展,UKF滤波技术的速度不断提升,保证了本文算法可以在较高准确率下有更快的执行速度。     

Robust object tracking via multi-scale patch based sparse coding histogram

There are many visual tracking algorithms that are based on sparse representation appearance model. Most of them are modeled by local patches with fixed patch scale, which make trackers less effective when objects undergone appearance changes such as illumination variation, pose change or partial occlusion. To solve the problem, a novel appearance representation model is proposed via multi-scale patch based sparse coding histogram for robust visual tracking. In this paper, the appearance of an object is modeled by different scale patches, which are represented by sparse coding histogram with different scale dictionaries. Then a similarity measure is applied to the calculation of the distance between the sparse coding histograms of target candidate and target template. Finally, the similarity score of the target candidate is passed to a particle filter to estimate the target state sequentially in the tracking process. Additionally, in order to decrease the visual drift caused by partial occlusion, an occlusion handling strategy is adopted, which takes the spatial information of multi-scale patches and occlusion into account. Based on the experimental results on some benchmarks of video sequences, our tracker outperforms state-of-the-art tracking methods.     

协同结构稀疏重构的判别性视觉跟踪

基于稀疏表示的表观似然模型在目标跟踪领域具有广泛的应用,但是这种单一产生式目标表观模型并未考虑完整的判别性结构信息,容易受复杂背景的干扰。为了缓解由该问题造成的目标跟踪漂移,提出了一种目标表观字典和背景字典协同结构稀疏重构优化的视觉跟踪方法。通过构建一个有判别力的基于稀疏表示的表观似然模型,实现了对目标表观模型更为准确的描述。通过合理选择约束候选目标区域和候选背景区域的稀疏系数,在表观似然模型中引入判别式信息,以进一步揭示候选目标区域的潜在相关性和候选背景区域的结构关系,从而更加准确地学习候选目标区域的表观模型。大量有挑战性的视频序列上的实验结果验证了算法在复杂背景下跟踪的鲁棒性,与其他相关算法的对比实验也体现了该算法的优越性。     

判别稀疏表示与在线字典学习的运动目标跟踪

针对传统稀疏表示不能有效区分目标和背景的缺点,提出一种判别稀疏表示算法,这种算法在传统稀疏表示目标函数中加入一个判别函数,大大降低干扰因素对目标跟踪的影响。基于判别稀疏表示和[?1]约束,提出一种在线字典学习算法升级目标模板,有效降低背景信息对目标模板的影响。提取目标梯度方向的直方图（HOG）特征,利用其对光照和形变等复杂环境具有较强鲁棒性的优点,实现对目标更稳定的跟踪。实验结果表明,与现有跟踪方法相比,该算法的跟踪效果更好。     

基于多任务最小软阈值回归方法的目标跟踪*

在视频跟踪中,模型表示是直接影响跟踪效率的核心问题之一.在随时间和空间变化的复杂数据中学习目标外观模型表示所需的有效模板,从而适应内在或外在因素所引起的目标状态变化是非常重要的.文中详细描述较为鲁棒的目标外观模型表示策略,并提出一种新的多任务最小软阈值回归跟踪算法(MLST).该算法框架将候选目标的观测模型假设为多任务线性回归问题,利用目标模板和独立同分布的高斯-拉普拉斯重构误差线性表示候选目标不同状态下的外观模型,从而跟踪器能够很好地适应各种复杂场景并准确预测每一时刻的真实目标状态.大量实验证明,文中在线学习策略能够充分挖掘目标在不同时刻的特殊状态信息以提高模型表示精度,使得跟踪器保持最佳的状态,从而在一定程度上提高跟踪性能.实验结果显示,本文算法体现较好的鲁棒性并优于一些目前较先进的跟踪算法.     

基于多任务混合噪声分布模型表示的视频跟踪

视觉跟踪中,目标信息是不确定的非线性变化过程。随时间和空间而变化的复杂动态数据中学习出较为精确的目标模板并用它来线性表示候选样本外观模型,从而使跟踪器较好地适应跟踪作业中内在或外在因素所引起的目标外观变化是视觉目标跟踪研究的重点。提出一种新颖的多任务混合噪声分布模型表示的视频跟踪算法,将候选样本外观模型假设为由一组目标模板和最小重构误差组成的多任务线性回归问题。利用经典的增量主成分分析法从高维数据中学习出一组低维子空间基向量（模板正样本）,并在线实时采样一些特殊的负样本加以扩充目标模板,再利用扩充后的新模板和独立同分布的高斯-拉普拉斯混合噪声来线性拟合当前时刻的候选目标外观模型,最后计算候选样本和真实目标之间的最大似然度,从而准确捕捉当前时刻的真实目标。在一些公认测试视频上的实验结果表明,该算法将能够在线学习较为精准的目标模板并定期更新目标在不同状态时的特殊信息,使得跟踪器始终保持最佳的状态,从而良好地适应不断发生变化的视觉信息（姿态、光照、遮挡、尺度、背景扰乱及运动模糊等）,表现出更好的鲁棒性能。     

Illumination invariant object tracking with adaptive sparse representation

Since the introduction of the sparse representation-based tracking method named ?₁ tracker, there have been further studies into this tracking framework with promised results in challenging video sequences. However, in the situation of large illumination changes and shadow casting, the tracked object cannot be modeled efficiently by sparse representation templates. To overcome this problem, we propose a new illumination invariant tracker based on photometric normalization techniques and the sparse representation framework. With photometric normalization methods, we designed a new illumination invariant template presentation for tracking that eliminates the illumination influences, such as brightness variation and shadow casting. For a higher tracking accuracy, we introduced a strategy that adaptively selects the optimum template presentation at the update step of the tracking process. The experiments show that our approach outperforms the previous ?₁ and some state-of-the-art algorithms in tracking sequences with severe illumination effects.     

Accurate target tracking via Gaussian sparsity and locality-constrained coding in heavy occlusion

This paper presents a Gaussian sparse representation cooperative model for tracking a target in heavy occlusion video sequences by combining sparse coding and locality-constrained linear coding algorithms. Different from the usual method of using ?₁-norm regularization term in the framework of particle filters to form the sparse collaborative appearance model (SCM), we employed the ?₁-norm and ?₂-norm to calculate feature selection, and then encoded the candidate samples to generate the sparse coefficients. Consequently, our method not only easily obtained sparse solutions but also reduced reconstruction error. Compared to state-of-the-art algorithms, our scheme achieved better performance in heavy occlusion video sequences for tracking a target. Extensive experiments on target tracking were carried out to show the results of our proposed algorithm compared with various other target tracking methods.     

Robust tracking with interest points: A sparse representation approach

Visual tracking is an important task in various computer vision applications including visual surveillance, human computer interaction, event detection, video indexing and retrieval. Recent state of the art sparse representation (SR) based trackers show better robustness than many of the other existing trackers. One of the issues with these SR trackers is low execution speed. The particle filter framework is one of the major aspects responsible for slow execution, and is common to most of the existing SR trackers. In this paper,¹ we propose a robust interest point based tracker in l₁ minimization framework that runs at real-time with performance comparable to the state of the art trackers. In the proposed tracker, the target dictionary is obtained from the patches around target interest points. Next, the interest points from the candidate window of the current frame are obtained. The correspondence between target and candidate points is obtained via solving the proposed l₁ minimization problem.In order to prune the noisy matches, a robust matching criterion is proposed, where only the reliable candidate points that mutually match with target and candidate dictionary elements are considered for tracking. The object is localized by measuring the displacement of these interest points. The reliable candidate patches are used for updating the target dictionary. The performance and accuracy of the proposed tracker is benchmarked with several complex video sequences. The tracker is found to be considerably fast as compared to the reported state of the art trackers. The proposed tracker is further evaluated for various local patch sizes, number of interest points and regularization parameters. The performance of the tracker for various challenges including illumination change, occlusion, and background clutter has been quantified with a benchmark dataset containing 50 videos.     

在线复合模板模型表示的视觉目标跟踪

目的 视觉目标跟踪中,目标往往受到自身或场景中各种复杂干扰因素的影响,这对正确捕捉所感兴趣的目标信息带来极大的挑战。特别是,跟踪器所用的模板数据主要是在线学习获得,数据的可靠性直接影响到候选样本外观模型表示的精度。针对视觉目标跟踪中目标模板学习和候选样本外观模型表示等问题,采用一种较为有效的模板组织策略以及更为精确的模型表示技术,提出一种新颖的视觉目标跟踪算法。方法 跟踪框架中,将候选样本外观模型表示假设为由一组复合模板和最小重构误差组成的线性回归问题,首先利用经典的增量主成分分析法从在线高维数据中学习出一组低维子空间基向量(模板正样本),并根据前一时刻跟踪结果在线实时采样一些特殊的负样本加以扩充目标模板数据,再利用新组织的模板基向量和独立同分布的高斯—拉普拉斯混合噪声来线性拟合候选目标外观模型,最后估计出候选样本和真实目标之间的最大似然度,从而使跟踪器能够准确捕捉每一时刻的真实目标状态信息。结果 在一些公认测试视频序列上的实验结果表明,本文算法在目标模板学习和候选样本外观模型表示等方面比同类方法更能准确有效地反映出视频场景中目标状态的各种复杂变化,能够较好地解决各种不确定干扰因素下的模型退化和跟踪漂移问题,和一些优秀的同类算法相比,可以达到相同甚至更高的跟踪精度。结论 本文算法能够在线学习较为精准的目标模板并定期更新,使得跟踪器良好地适应内在或外在因素(姿态、光照、遮挡、尺度、背景扰乱及运动模糊等)所引起的视觉信息变化,始终保持其最佳的状态,使得候选样本外观模型的表示更加可靠准确,从而展现出更为鲁棒的性能。     

Robust Visual Tracking Based on Convex Hull with EMD-L1

Factors such as drastic illumination variations, partial occlusion, rotation make robust visual tracking a difficult problem. Some tracking algorithms represent a target appearances based on obtained tracking results from previous frames with a linear combination of target templates. This kind of target representation is not robust to drastic appearance variations. In this paper, we propose a simple and effective tracking algorithm with a novel appearance model. A target candidate is represented by convex combinations of target templates. Measuring the similarity between a target candidate and the target templates is a key problem for a robust likelihood evaluation. The distance between a target candidate and the templates is measured using the earth mover’s distance with L1 ground distance. Comprehensive experiments demonstrate the robustness and effectiveness of the proposed tracking algorithm against state-of-the-art tracking algorithms.     

基于判别性局部联合稀疏模型的多任务跟踪

目标表观建模是基于稀疏表示的跟踪方法的研究重点, 针对这一问题, 提出一种基于判别性局部联合稀疏表示的目标表观模型, 并在粒子滤波框架下提出一种基于该模型的多任务跟踪方法(Discriminative local joint sparse appearance model based multitask tracking method, DLJSM).该模型为目标区域内的局部图像分别构建具有判别性的字典, 从而将判别信息引入到局部稀疏模型中, 并对所有局部图像进行联合稀疏编码以增强结构性.在跟踪过程中, 首先对目标表观建立上述模型; 其次根据目标表观变化的连续性对采样粒子进行初始筛选以提高算法的效率; 然后求解剩余候选目标状态的联合稀疏编码, 并定义相似性函数衡量候选状态与目标模型之间的相似性; 最后根据最大后验概率估计目标当前的状态.此外, 为了避免模型频繁更新而引入累积误差, 本文采用每5帧判断一次的方法, 并在更新时保留首帧信息以减少模型漂移.实验测试结果表明DLJSM方法在目标表观发生巨大变化的情况下仍然能够稳定准确地跟踪目标, 与当前最流行的13种跟踪方法的对比结果验证了DLJSM方法的高效性.     

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。     

Object tracking via appearance modeling and sparse representation

This paper proposes a robust tracking method by the combination of appearance modeling and sparse representation. In this method, the appearance of an object is modeled by multiple linear subspaces. Then within the sparse representation framework, we construct a similarity measure to evaluate the distance between a target candidate and the learned appearance model. Finally, tracking is achieved by Bayesian inference, in which a particle filter is used to estimate the target state sequentially over time. With the tracking result, the learned appearance model will be updated adaptively. The combination of appearance modeling and sparse representation makes our tracking algorithm robust to most of possible target variations due to illumination changes, pose changes, deformations and occlusions. Theoretic analysis and experiments compared with state-of-the-art methods demonstrate the effectivity of the proposed algorithm.