SORT、DeepSORT


日萌社

人工智能AI：Keras PyTorch MXNet TensorFlow PaddlePaddle 深度学习实战（不定时更新）

3.8. SORT/deepSORT

学习目标：

  • 理解SORT算法的原理
  • 理解DeepSORT算法的原理

上一节给大家介绍了一下多目标跟踪MOT的一些基础知识。SORT和DeepSORT是多目标跟踪中两个知名度比较高的算法。DeepSORT是原团队对SORT的改进版本。现在来解析一下SORT和DeepSORT的基本思路。

1.SORT

SORT核心是卡尔曼滤波和匈牙利匹配两个算法。流程图如下所示，可以看到整体可以拆分为两个部分，分别是匹配过程和卡尔曼预测加更新过程，都用灰色框标出来了。

关键步骤：轨迹卡尔曼滤波预测→ 使用匈牙利算法将预测后的tracks和当前帧中的detecions进行匹配（IOU匹配） → 卡尔曼滤波更新

卡尔曼滤波分为两个过程：预测和更新。SORT引入了线性速度模型与卡尔曼滤波来进行位置预测，先进行位置预测然后再进行匹配。运动模型的结果可以用来预测物体的位置。

匈牙利算法解决的是一个分配问题，用IOU距离作为权重（也叫cost矩阵），并且当IOU小于一定数值时，不认为是同一个目标，理论基础是视频中两帧之间物体移动不会过多。在代码中选取的阈值是0.3。scipy库的linear_sum_assignment都实现了这一算法，只需要输入cost_matrix即代价矩阵就能得到最优匹配。

2.DeepSort

DeepSORT是SORT的续作，整体框架没有大改，还是延续了卡尔曼滤波加匈牙利算法的思路，在这个基础上增加了鉴别网络Deep Association Metric。

下图是deepSORT流程图，和SORT基本一样，就多了级联匹配（Matching Cascade）和新轨迹的确认（confirmed）。

关键步骤：轨迹卡尔曼滤波预测→ 使用匈牙利算法将预测后的tracks和当前帧中的detecions进行匹配（级联匹配和IOU匹配） → 卡尔曼滤波更新

级联匹配流程图如下所示：

其中上半部分就是相似度估计，也就是算这个分配问题的代价函数。下半部分依旧使用匈牙利算法进行检测框和跟踪框的匹配。

总结：

1.SORT算法

SORT是利用强大的CNN检测器的检测结果来进行多目标跟踪使用基于卡尔曼滤波（Kalman filter）与匈牙利算法（Hungarian algorithm）的方法来进行跟踪。

2.deepSORT算法

DeepSORT是在SORT基础上进行的修改，增加了级联匹配和目标的确认，还是使用卡尔曼滤波加匈牙利算法进行目标跟踪。

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1.SORT核心是卡尔曼滤波和匈牙利算法。
  流程图如下所示，可以看到整体可以拆分为两个部分，分别是匈牙利匹配过程和卡尔曼预测加更新过程，都用灰色框标出来了。
  关键步骤：
    --> 卡尔曼滤波预测出预测框
    --> 使用匈牙利算法将卡尔曼滤波的预测框和yolo的检测框进行IOU匹配来计算相似度
    --> 卡尔曼滤波使用yolo的检测框更新卡尔曼滤波的预测框

2.卡尔曼滤波分为两个过程：预测过程和更新过程。
  SORT引入了线性速度模型与卡尔曼滤波来进行位置预测，先进行位置预测然后再进行匹配。运动模型的结果可以用来预测物体的位置。
  匈牙利算法解决的是一个分配问题，用IOU距离作为权重(也即cost代价矩阵)，并且当IOU小于一定数值(IOU阈值)时，
  不认为是同一个目标，理论基础是视频中两帧之间物体移动不会过多。
  在代码中选取的IOU阈值是0.3。scipy库的linear_sum_assignment实现了匈牙利算法，只需要输入cost_matrix代价矩阵(全部预测框和全部检测框两两IOU计算结果)
  到linear_sum_assignment中就能得到预测框和检测框两两最优匹配的组合。

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1.跟踪器链(列表)：
    实际就是多个的卡尔曼滤波KalmanBoxTracker自定义类的实例对象组成的列表。
            每个目标框都有对应的一个卡尔曼滤波器(KalmanBoxTracker实例对象)，
            KalmanBoxTracker类中的实例属性专门负责记录其对应的一个目标框中各种统计参数，
            并且使用类属性负责记录卡尔曼滤波器的创建个数，增加一个目标框就增加一个卡尔曼滤波器(KalmanBoxTracker实例对象)。
    把每个卡尔曼滤波器(KalmanBoxTracker实例对象)都存储到跟踪器链(列表)中。

2.unmatched_detections(列表)：
    检测框中出现新目标，但此时预测框(跟踪框)中仍不不存在该目标，
    那么就需要在创建新目标对应的预测框/跟踪框(KalmanBoxTracker类的实例对象)，
    然后把新目标对应的KalmanBoxTracker类的实例对象放到跟踪器链(列表)中。

3.unmatched_trackers(列表)：
    当跟踪目标失败或目标离开了画面时，也即目标从检测框中消失了，就应把目标对应的跟踪框(预测框)从跟踪器链中删除。
    unmatched_trackers列表中保存的正是跟踪失败即离开画面的目标，但该目标对应的预测框/跟踪框(KalmanBoxTracker类的实例对象)
    此时仍然存在于跟踪器链(列表)中，因此就需要把该目标对应的预测框/跟踪框(KalmanBoxTracker类的实例对象)从跟踪器链(列表)中删除出去。
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DeepSORT是SORT的续作，整体框架没有大改，还是延续了卡尔曼滤波加匈牙利算法的思路，并且在这个基础上增加了鉴别网络Deep Association Metric。
下图是deepSORT流程图，和SORT基本一样，就多了级联匹配(Matching Cascade)和新轨迹的确认(confirmed)。

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关键步骤：
    --> 卡尔曼滤波预测出预测框
    --> 使用匈牙利算法将卡尔曼滤波的预测框和yolo的检测框进行级联匹配加IOU匹配两者分别来计算相似度
    --> 卡尔曼滤波使用yolo的检测框更新卡尔曼滤波的预测框

级联匹配计算相似度的流程图如下所示：
    上半部分为相似度估计，也就是计算这个分配问题的代价矩阵。
    下半部分依旧是使用匈牙利算法进行检测框和预测框的匹配。