单目标追踪——【孪生网络】SiamMask论文阅读笔记

论文链接：SiamMask
SiamFC
SiamRPN

发现问题

1、追踪的预测目标位置定义不同精度也会不同。（用旋转矩形框描述目标位置比坐标轴对齐的矩形框更精确）
2、VOS算法的第一帧需要给定目标的mask，这在人机交互的场景中很难时间，这个mask获取成本过高。
3、视频物体分割（VOS）领域的大多数方法的速度慢，难以满足实时性。

受到启发

1、离线训练的全卷积的孪生网络SiamFC在VOT-2015上保持58fps追踪速度。
2、YouTube-VOS数据集——一个基于像素标记的视频集。
3、保持离线训练+在线速度+改进目标的表示（BoundingBox → mask）

实现

实现部分包括整体构想思路、网络结构

整体构想思路

1、用三个任务训练一个孪生网络，这三个任务的目标不同，对应了不同的针对目标与候选区域建模策略。任务一用来估计目标的位置，任务二和任务三用来估计目标的尺度大小。

• 任务一：参照SiamFC，用滑动窗口的方式学习目标与多个候选目标的相似性。【输出：密集相应图（标记目标可能所在的中心位置，而不估计目标的尺度信息）】
• 任务二：参照SiamRPN利用区域候选网络（RPN）对目标边界框进行回归。
• 任务三：生成前后景（类无关）的二值分割（mask）。
  任务二与任务三同时学习。

网络结构

SiamMask在论文中有两个结构：

• SiamMask-3B表示SiamMask的完整结构，图像经过特征提取之后，经过三个分支，分别得出目标候选框的确定性分数（是否前后景）、目标的候选框的位置（x, y, w, h）、目标的mask生成。（图1）
• SiamMask-2B表示SiamMask的两分支简化结构，图像经过特征提取之后，经过两个分支，分别得出目标的mask生成、目标的位置估计（用了SiamFC中的损失函数）。（图2）

特征提取部分

论文中将ResNet50作为Backbone，具体参数如表所示：

其中adjust层降低了特征维度（1024->256），xcorr表示用exemplar对Search区域进行Depth-wise互相关操作，输出一个包含丰富信息的特征图。这里有一个重要的概念RoW，表示候选窗口的响应。例如最后互相关操作之后得到的特征图为17 * 17 * 256。则一共有17 * 17个RoW，每一个RoW是1 * 1 * 256的向量。这个向量蕴含了丰富模板与候选窗口的信息。凭借此信息，我们可以对其做1x1卷积得出分类和坐标轴回归的结果、或者解码出mask的信息。

目标定位部分

SiamMask-2B——SiamFC定位法

在SiamMask-2B的网络结构中，Score分支就是参照SiamFC的损失函数定义一个交叉熵损失函数来进行二分类，生成的一个17 * 17的置信度分数矩阵。这个矩阵就对应着17 * 17 * 256特征图中这17 * 17个RoW窗口的置信分数，经过分数惩罚等一系列操作（为了使预测出置信度高的位置不要偏离上一帧太远–防止误追）我们选取置信分数最高的对应的那一个1 * 1 * 256的RoW生成mask。

SiamMask-3B——SiamRPN定位法

在SiamMask-2B的网络结构中，Box分支和Score分支就是参照SiamRPN。对于17 * 17 * 256特征图来说，一共有17 * 17个RoW，以每个RoW为中心，对应到原图中，生成k个不同纵横比的anchor（可以看作候选框）。对anchor的边界框进行预测，则有17174k个输出；对anchor的分类（是否包含目标）进行预测，有17172k个输出。

Mask生成方法

方法一

将选取的1 * 1 * 256经过两个1 * 1的卷积层调整深度到1 * 1 * （63 * 63）。
流程如下：

• Reshape+Sigmoid：生成63*63的二值classifier矩阵，用于判断这个矩阵的某一个值是否属于mask。
• 等比例地将63*63大小的mask矩阵仿射变换回原图中被选中用于Search的区域。
• 用给定阈值0.5过滤，Search中的矩阵得到目标分割。
• 通过最小外接矩形生成（MBR）生成旋转矩形框。

方法二——refinement模块

作者提到，直接这样预测mask的方式得到的精度并不太高，所以提出了如下图所示的Refine模块U来提升分割的精度：在原始的响应图上对每个RoW不采用升维到63x63的方式，而是直接对conv_5的1 * 1 * 256的RoW进行deconv（反卷积）、与backbone生成的Search region的ResNet50的结果相加耦合，上采样得到mask。利用ResNet50的阶段性结果生成mask会更准确，因为这些结果里面保持了较低层的特征。

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