Hierarchical convolutional Features for visual tracking

Hierarchical convolutional Features for visual tracking

算法概要

这篇文章所提出的算法在本质上还是cf那一套框架，作者着重改变的是目标的特征描述。在以往的cf中，大家用的都是常用的物体特征描述，比如HOG，但是这种特征毕竟是manual的，当目标本身的appearance发生较大的改变时，manual型的特征不能很好的适应。注意到在物体检测识别领域中，采用CNN提取的物体特征，具有很好的鲁棒性。因此将CNN引入到tracking领域中。

算法总体流程：

1、在第 t 帧目标中心位置 (xt−1,yt−1) 附近确定searching window，用CNN获取searching window的特征，用双线性插值算法对特征进行upsample。
2、对用到的CNN的3、4、5层，都构造一个cf，由后向前，将每一层的特征与对应的cf进行卷积，计算confidence score fl ，确定new center position (xt,yt) 。
3、在新的中心位置周围提取CNN特征，用以跟新cf参数。

算法实现细节

一、用CNN提取convolutional features

作者采用已经用CNN训练好的卷积特征图（convolutional feature map）,来对目标的appearance进行编码。其使用的CNN框架是目前效果很好的
随着CNN的前向传播，不同物体的semantic区别就会越明显，但同时会造成空间分辨率的降低和空间位置的模糊，如图：

这幅图指示了CNN层数与semantic和spatial detail的关系。可看出，在靠前的layer中，图像的空间信息有较好的保留，但是semantic却比较少，这有点类似于对图像进行Gabor滤波；在靠后的layer中，图像的语义信息较为丰富，但是空间信息却又缺失了很多。
在跟踪中，我们既希望特征能够有很好的semantic表达，又能保留准确的空间信息，因此作者想了个折衷的办法，即在用CNN提取目标特征时，不仅保留其最后一层输出结果，同时中间层的输出也保留下来，作者具体保留的是3、4、5三个layer。至于三种特征的使用，其实结合CF进去的，后面会再做介绍。

二、双线性插值进行upsample

在CNN中，由于pooling operation的存在，使得随着layer深度的增加，特征的spatial resolution（空间分辨率）会逐渐减小。比如，对于size为224x224的图像，在VGG-Net的第五层，其输出size只有7x7。这样的特征图太小，没法对目标进行精确的定位，因此需要对特征进行升采样，升采样的方式为：

xi=∑kαikhk

这里 x 代表升采样后的特征图， h 代表升采样前的特征图， i 代表位置（location）， k 代表 k 领域的特征向量。 α 是插值的权值。

三、构造correlation filte

对于每一层的输出特征，（其size为 M×N×D , M，N 代表图像特征的width和height， D 代表特征的channel，注意这里的channel不是咱们普通意义上的图像通道，这指的是特征的通道数，特征的通道数可以有很多，未必是1或者3）作者均构造了CF，构造CF的目标函数为：

w∗=argminw∑m,n||w⋅xm,n−y(m,n)||2+λ||w||2

上式中， y(m,n) 代表在 (m,n) 处像素的标签，标签并不是二类标签，而是符合二维高斯分布：

y(m,n)=exp(−(m−M/2)2+(n−N/2)22σ2)

将目标函数用FFT变换转换到频域，可以得到目标函数的最优解为：

Wd=Y⊙X¯¯¯d∑Di=1Xi⊙X¯¯¯i+λ

其中 Y 是 y 的傅里叶变换， ⊙ 代表Hadamard Product。
当给定下一帧图像的searching region后，提取区域的特征（ M×N×D ），则相关性滤波的响应图为：

f=f−1(∑d=1DWd⊙Z¯¯¯d)

相关性滤波器的跟新策略：

Adt=(1−η)Adt−1+ηY⊙X¯¯¯dt

Bdt=(1−η)Bdt−1+η∑i=1DXit⊙X¯¯¯it

Wdt=AdtBdt+λ

四、coarse-to-fine translation estimation

上文说过CNN提取的特征，随着深度的增加，特征的语义信息增强，空间信息减少。所以作者采用CNN的3、4、5层的输出作为特征，并对每各层的输出均构造一个独立的CF：

由上图可知，首先求出第五层的最高响应位置：

(m^,n^)=argmaxm,nfl(m,n)

然后根据下列关系求出前一层的最高响应位置：

argmaxm,ns.t.fl−1(m,n)+γfl(m,n)|m−m^|+|n−n^|≤r

即后一层的response影响前一层的response，并且其影响的范围是在后一层最高响应点的附近。