徐 樂，蔡永華，龐智恒，王宇寧

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070;3.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

目標(biāo)跟蹤為在一個(gè)連續(xù)的視頻流中自動(dòng)跟蹤感興趣的目標(biāo)位置，從而形成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡[1]。目標(biāo)跟蹤廣泛應(yīng)用于智能交通、機(jī)器人導(dǎo)航及智能監(jiān)控等領(lǐng)域[2]。

目標(biāo)跟蹤算法主要分為判別式和生成式兩類，判別式跟蹤算法采用在線訓(xùn)練的方法將跟蹤問題轉(zhuǎn)換為二分類問題，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法區(qū)分背景和前景，由于其考慮了背景信息，使得跟蹤準(zhǔn)確性更高，成為近幾年的研究熱點(diǎn)[3]。Kalal等[4]提出TLD(tracking learning dection)跟蹤算法，引入重檢測機(jī)制，將檢測與跟蹤有效地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)單目標(biāo)的長時(shí)跟蹤。Hare等[5]為了降低跟蹤過程中的累積誤差，提出了基于結(jié)構(gòu)化輸出預(yù)測的自適應(yīng)跟蹤框架，提升了跟蹤性能，但該算法對(duì)于目標(biāo)遮擋等情況適應(yīng)能力差?；谙嚓P(guān)濾波跟蹤算法，如MOSSE(minimum output sum of squared error filter)[6]、KCF(kernel correlation filter)[7]等，實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)大，但對(duì)復(fù)雜交通場景的目標(biāo)跟蹤魯棒性差，如車輛、行人跟蹤等。

近年來，相關(guān)學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域，借助傳統(tǒng)在線訓(xùn)練跟蹤框架完成跟蹤任務(wù)。然而，在線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能差，且未充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大數(shù)據(jù)集上的優(yōu)勢(shì)，因此，基于深度學(xué)習(xí)的在線訓(xùn)練跟蹤算法很難勝任實(shí)際應(yīng)用[8]。目前，基于深度學(xué)習(xí)的離線訓(xùn)練目標(biāo)檢測方法已經(jīng)取得了巨大成功，無論基于兩階段的RCNN(region with CNN)系列[9]，還是基于單階段的SSD(sum of square difference)、YOLO(you only look once)系列[10-11]，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性上均達(dá)到了較高水平。其中Redmon等[12]提出的YOLOv2算法表現(xiàn)最佳，其深層次的特征提取結(jié)構(gòu)提高了圖像的特征表達(dá)能力，并且使用了基于網(wǎng)格劃分生成候選區(qū)域的方法。為了解決基于深度學(xué)習(xí)的在線訓(xùn)練跟蹤算法實(shí)時(shí)性問題，Redmon等[13]提出GOTURN(generic object tracking using regression network)算法，采用離線訓(xùn)練方式大幅度提升了跟蹤速度達(dá)100 fps，但該算法跟蹤精度低。

筆者在GOTURN算法離線訓(xùn)練框架基礎(chǔ)上提出了一種基于YOLOv2的車輛跟蹤算法YOLOv2-tracker。①采用YOLOv2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為跟蹤算法的主體結(jié)構(gòu)，用于特征提取與位置預(yù)測，將兩階段的跟蹤問題簡化為單階段跟蹤問題；②采用YOLOv2的網(wǎng)格劃分方法，顯著改善候選搜索區(qū)域的生成質(zhì)量；③提出掩膜處理方法用于標(biāo)記跟蹤目標(biāo)，該處理可以保留目標(biāo)的位置信息，提高跟蹤魯棒性；④針對(duì)跟蹤過程中存在的誤跟蹤與跟丟問題，提出加強(qiáng)目標(biāo)特征信息的方法以解決誤跟蹤問題，并利用動(dòng)態(tài)保存的方法重新找回目標(biāo)；⑤針對(duì)缺乏大量的車輛跟蹤數(shù)據(jù)集用于離線訓(xùn)練的問題，采集了330組城市交通場景視頻制作數(shù)據(jù)集，用于此跟蹤算法的訓(xùn)練及測試。

1 YOLOv2-tracker車輛跟蹤算法原理

1.1 GOTURN算法原理

GOTURN算法采用離線訓(xùn)練的方式，學(xué)習(xí)到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與目標(biāo)外形之間的通用關(guān)系，使得該算法可以跟蹤在數(shù)據(jù)集中沒有出現(xiàn)的目標(biāo)。其算法流程如圖1所示。在測試時(shí)，首先輸入兩幅連續(xù)的圖像，在前一幀裁剪出要跟蹤的目標(biāo)，而當(dāng)前幀根據(jù)前一幀目標(biāo)的位置確定搜索區(qū)域；然后將跟蹤目標(biāo)和搜索區(qū)域分別送入兩個(gè)并行的深度為5的卷積層提取圖像特征；最后將卷積層的輸出送入深度為3的全連接層，該層的目的是比較跟蹤目標(biāo)和搜索區(qū)域的圖像特征，進(jìn)而找到當(dāng)前幀的跟蹤目標(biāo)。在訓(xùn)練時(shí)，利用全連接層輸出的預(yù)測框和標(biāo)定框間的L1正則化損失，并使用SGD(stochastic gradient descent)算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

圖1 GOTURN算法流程

1.2 YOLOv2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及基本原理

(1)YOLOv2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與GOTURN算法的5層卷積層相比，YOLOv2以Darknet-19作為基礎(chǔ)模型，采用了22層卷積層提高了特征提取能力。每層卷積層后都加入批標(biāo)準(zhǔn)化處理。

圖2 圖像劃分網(wǎng)格

圖3 n個(gè)anchor box

(2)YOLOv2基本原理。如圖2所示，YOLOv2將輸入圖像劃分為S×S網(wǎng)格，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格的中心設(shè)定n個(gè)不同大小的anchor box，其中，n和anchor box通過對(duì)訓(xùn)練集中目標(biāo)長寬比進(jìn)行K均值k-means聚類得到，如圖3所示。同時(shí)，每個(gè)anchor box對(duì)應(yīng)5個(gè)偏移量(tx,ty,tw,th,to)，其中，前4個(gè)為4個(gè)坐標(biāo)補(bǔ)償值，to為檢測置信度。每個(gè)網(wǎng)格單元的輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為n×(1+4+c)，c為類別數(shù)，如圖4所示。然后，對(duì)每個(gè)建議框利用式(1)進(jìn)行位置修正：

圖4 輸出神經(jīng)元

bw=pwetw，bh=pheth

Pr(object)*IoU(b,object)=σ(to)

(1)

式中：pw、ph為K-均值聚類得到的先驗(yàn)框的寬和高；bx、by、bw、bh為修正后區(qū)域建議框的質(zhì)心坐標(biāo)及相應(yīng)的寬和高；σ為sigmiod函數(shù)，其作用是限制修正因子的大?。?cx,cy)為每個(gè)網(wǎng)格的尺度，Pr(object)表示目標(biāo)落于網(wǎng)格單元時(shí)概率為1，否則為0；IoU(b,object)為區(qū)域建議框與標(biāo)準(zhǔn)框的交并比；σ(to)為預(yù)測目標(biāo)的置信值。最后，得到每個(gè)區(qū)域建議框的位置信息及置信分?jǐn)?shù)，再利用非極大值抑制及置信分?jǐn)?shù)找到最優(yōu)目標(biāo)框，作為最終檢測結(jié)果。

1.3 YOLOv2-tracker跟蹤算法原理

筆者采用GOTURN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建思想，并將YOLOv2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)巧妙地融合到筆者的跟蹤網(wǎng)絡(luò)中，提出了YOLOv2-tracker算法。

(1)YOLOv2-tracker算法中的掩膜處理。在訓(xùn)練時(shí)，首先標(biāo)定目標(biāo)車輛，采用如圖5所示的掩膜處理方法，類似于GOTURN算法中的對(duì)連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行裁剪的作用。與傳統(tǒng)的裁剪方法相比，掩膜處理具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①保留了目標(biāo)物體在

整張圖像上的位置信息。②在訓(xùn)練過程和測試過程中，圖像中目標(biāo)車輛的大小會(huì)發(fā)生改變，但整張圖像的大小卻可以保持不變，因此便于將圖像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取。

圖5 掩膜處理過程

(2)YOLOv2-tracker算法的單雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。基于Darknet-19網(wǎng)絡(luò)框架通過修改輸入輸出層，筆者提出了YOLOv2-tracker算法的單雙網(wǎng)絡(luò)兩種結(jié)構(gòu)，雙網(wǎng)絡(luò)類似于GOTURN算法結(jié)構(gòu)，如圖6所示。首先對(duì)第一幀圖像進(jìn)行掩膜處理以標(biāo)記跟蹤目標(biāo)。然后將該掩膜圖像與第二幀圖像分別輸入YOLOv2的卷積層進(jìn)行特征提取，其中，第二幀圖像的搜索區(qū)域由YOLOv2算法的網(wǎng)格劃分方法產(chǎn)生。最后，將卷積層的輸出結(jié)果輸入到Y(jié)OLOv2輸出層，并預(yù)測第二幀中跟蹤目標(biāo)的位置，依次規(guī)律完成其他幀的預(yù)測。而如圖7所示的單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同于雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它直接將掩膜圖像與第二幀圖像疊加形成6通道的輸入，之后一起輸入YOLOv2卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跟蹤目標(biāo)預(yù)測。單網(wǎng)絡(luò)與雙網(wǎng)絡(luò)相比，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡單，參數(shù)更少，訓(xùn)練和測試耗時(shí)更低。

圖6 雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案

圖7 單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案

2 基于特征信息加強(qiáng)和動(dòng)態(tài)保存的優(yōu)化方案

2.1 基于特征信息加強(qiáng)的誤跟優(yōu)化

如圖8所示，由于掩膜處理保存了車輛的位置信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)位置較為敏感時(shí)，即使目標(biāo)車輛離開視頻，網(wǎng)絡(luò)仍然會(huì)在目標(biāo)車輛離開的附近區(qū)域預(yù)測車輛，即出現(xiàn)誤跟現(xiàn)象。

圖8 誤跟蹤現(xiàn)象

針對(duì)此問題，提出一種如圖9所示的特征信

息加強(qiáng)的優(yōu)化方案，即加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)目標(biāo)車輛特征的能力。在訓(xùn)練過程中，除將連續(xù)兩幀圖像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，還將取自兩個(gè)視頻組的圖像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練產(chǎn)生負(fù)樣本，即網(wǎng)絡(luò)輸出層中全部的置信度神經(jīng)元預(yù)測值為0。

2.2 基于動(dòng)態(tài)保存的跟丟優(yōu)化

由于目標(biāo)快速移動(dòng)、遮擋等問題，導(dǎo)致缺少當(dāng)前幀圖像中目標(biāo)車輛的位置信息，使得掩膜處理過程不能連續(xù)，最終導(dǎo)致跟丟目標(biāo)。為了使算法在跟丟目標(biāo)后能重新找回目標(biāo)，提出了一種基于動(dòng)態(tài)保存的優(yōu)化方案。該方案動(dòng)態(tài)保存最新一幀的掩膜處理所得的目標(biāo)車輛標(biāo)記圖，當(dāng)目標(biāo)車輛跟丟時(shí)，用已保存的最新目標(biāo)車輛標(biāo)記圖代替當(dāng)前幀中失效的掩膜標(biāo)記圖，從而使算法重新找回跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)車輛長時(shí)間跟蹤。

圖9 加強(qiáng)的優(yōu)化方案特征信息

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用硬件配置為i5處理器、Nvidia Geforece GTX1080顯卡及32 G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)為Ubuntu16.04 64位，深度學(xué)習(xí)框架為Caffe。

3.1 交通場景跟蹤數(shù)據(jù)集建立

跟蹤數(shù)據(jù)集是筆者通過行車記錄儀采集的330組交通視頻制作而成，將其分為280組訓(xùn)練集，50組測試集。并人工標(biāo)記每一幀圖像中車輛的位置。圖10為該數(shù)據(jù)集的部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中，方框?yàn)槿斯?biāo)記的車輛位置。

圖10 部分?jǐn)?shù)據(jù)集

為避免算法在訓(xùn)練過程中產(chǎn)生過擬合，通過4種方法擴(kuò)充數(shù)據(jù)集。分別為：①光照、對(duì)比度及飽和度隨機(jī)變化；②隨機(jī)抖動(dòng)，將掩膜處理的圖像隨機(jī)添加抖動(dòng)；③在訓(xùn)練過程中對(duì)選取的連續(xù)兩幀圖像，隨機(jī)改變其先后順序；④隨機(jī)間隔n幀(n小于10)選取兩幀用于訓(xùn)練。

3.2 跟蹤算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用OTB數(shù)據(jù)集[14-15]中的成功率及空間魯棒性作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中，成功率表示OP(重疊率)大于某個(gè)閾值的視頻幀數(shù)占視頻總幀數(shù)的百分比；OP為跟蹤預(yù)測目標(biāo)框與標(biāo)定目標(biāo)框的重疊區(qū)域占兩者交集的百分比，即：

(2)

式中：rt為第t幀的預(yù)測目標(biāo)框；rlabel為第t幀標(biāo)定的目標(biāo)框。

空間魯棒性方法，主要通過修改起始幀的標(biāo)簽位置完成算法的空間魯棒性評(píng)價(jià)。例如，將起始幀中跟蹤目標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)框的位置移動(dòng)10%，或者縮小、放大10%等。同時(shí)，實(shí)時(shí)性也是跟蹤算法的一項(xiàng)重要指標(biāo)，以每秒能處理的圖像幀數(shù)來表示算法的實(shí)時(shí)性能。

此外，由于采集的數(shù)據(jù)集里部分視頻中的目標(biāo)車輛離開視頻畫面后，視頻仍未結(jié)束，性能優(yōu)越的跟蹤算法不應(yīng)該在隨后的視頻圖像中標(biāo)記出“目標(biāo)”。因此，需要增加一個(gè)額外的評(píng)價(jià)因子，即當(dāng)目標(biāo)離開視頻畫面后，算法若沒有預(yù)測出“目標(biāo)”，則表示當(dāng)前幀跟蹤成功，反之則否。

3.3 雙網(wǎng)絡(luò)與單網(wǎng)絡(luò)性能比較

(1)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。整個(gè)訓(xùn)練過程使用SGD算法學(xué)習(xí)參數(shù)，且除輸出層外，所有卷積層都使用批標(biāo)準(zhǔn)化處理，損失函數(shù)采用了YOLOv2算法的聯(lián)合損失函數(shù)，其定義為：

lossbikl+losscikl)

(3)

式中：lossaikl為評(píng)價(jià)置信度神經(jīng)元損失函數(shù)；lossbikl為坐標(biāo)補(bǔ)償值神經(jīng)元損失函數(shù)；losscikl為類別神經(jīng)元組損失函數(shù)，它們分別定義為：

lossaikl=λobjΨi(σ(poi)-1)2+

λnoobj(1-Ψi)(σ(poi)-0)2

(4)

lossbikl=λcoorψi[(σ(pxi)+cx-tx)2+

(σ(pyi)+cy-ty)2+

(cwepi-tw)2+(chephi-th)2]

(5)

(6)

式中：n為每個(gè)網(wǎng)格的anchor box數(shù)；S2為圖片劃分的網(wǎng)格數(shù)；B為小批量大??；Ψi為第i個(gè)anchor box，為正時(shí)取1，否則取0；poi為第i個(gè)anchor box對(duì)應(yīng)的置信度神經(jīng)元的預(yù)測值，λobj、λnoobj、λcoor分別為對(duì)應(yīng)損失的權(quán)重值；σ為sigmoid函數(shù)；c為anchor box；t為參考標(biāo)準(zhǔn)框，x、y、w、h分別為anchor box的位置信息；m為類別數(shù)，即類別神經(jīng)元組中神經(jīng)元個(gè)數(shù)；pcij為類別神經(jīng)元組中第j個(gè)神經(jīng)元的預(yù)測值；tci為類別神經(jīng)元組中第j類神經(jīng)元的目標(biāo)值。

由于僅有目標(biāo)車輛(單類別)的跟蹤，筆者采用與文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[13]相同的訓(xùn)練方法精調(diào)網(wǎng)絡(luò)，具體的訓(xùn)練參數(shù)值如表1所示。

YOLOv2-tracker算法使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，其訓(xùn)練結(jié)果如圖11所示，從圖中可知，單、雙網(wǎng)絡(luò)的總損失函數(shù)均隨著訓(xùn)練次

數(shù)的增加而呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)，最終趨于收斂，說明該網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練有效，可用于測試。

表1 訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置

圖11 YOLOv2-tracker算法訓(xùn)練結(jié)果

(2)網(wǎng)絡(luò)測試。利用50組測試集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)為：①重合率的閾值為0.5(記為OP0.5)；②空間魯棒性，即初始幀標(biāo)簽隨機(jī)平移10%(記為shift10%)和隨機(jī)縮放10%(記為scale10%)；③跟蹤速度。測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，單網(wǎng)絡(luò)與雙網(wǎng)絡(luò)的重合率、空間魯棒性較為接近，而單網(wǎng)絡(luò)算法的跟蹤速度與雙網(wǎng)絡(luò)算法相比優(yōu)勢(shì)明顯，約達(dá)2倍的速度。因而選擇單網(wǎng)絡(luò)作為最終網(wǎng)絡(luò)框架，其部分跟蹤結(jié)果如圖12所示，從圖12中看出，在背景復(fù)雜的交通環(huán)境中，跟蹤算法都能快速地跟蹤上目標(biāo)，且跟蹤精度高。

表2 單、雙網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

圖12 部分跟蹤結(jié)果

將本文算法實(shí)時(shí)性與在線訓(xùn)練算法[3，16，17]對(duì)比，結(jié)果如表3所示。對(duì)比可知該算法實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于一般在線訓(xùn)練算法。這主要因?yàn)閅OLOv2-tracker算法在有效的數(shù)據(jù)集上使用了離線訓(xùn)練方法，具備較強(qiáng)的特征提取能力及合理的候選區(qū)域生成方法。

表3 實(shí)時(shí)性對(duì)比

3.4 優(yōu)化前后性能比較

為了測試提出的特征信息加強(qiáng)優(yōu)化方案的有效性，分別將測試集分為“目標(biāo)離開”及“目標(biāo)未離開”兩組測試集，并分別使用優(yōu)化前后的單網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化前后單網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

從表4可知，在“目標(biāo)離開”組中，經(jīng)過優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)跟蹤精度大幅提升，達(dá)86.7%，與未優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的精度相比，提升了4.7%，與“目標(biāo)未離開”組的87.5%的跟蹤精度很接近。而“目標(biāo)未離開”組，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后，跟蹤精度相差不大。因此，通過特征信息加強(qiáng)的方法，可以促使網(wǎng)絡(luò)偏向于學(xué)習(xí)目標(biāo)車輛的特征信息，從而減小誤跟現(xiàn)象。

此外，使用的動(dòng)態(tài)保存優(yōu)化方案可以有效地解決目標(biāo)跟丟問題。如圖13所示在第125幀時(shí)，跟蹤的目標(biāo)車輛被其他目標(biāo)遮擋，導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)短時(shí)跟丟，而由于本文的跟蹤算法保留了相鄰幀間的上下文掩模圖像信息，可有效地找回跟蹤目標(biāo)，因此，在之后的第142幀目標(biāo)已經(jīng)被重新跟蹤。

圖13 車輛跟丟部分結(jié)果

4 結(jié)論

筆者提出了一種基于YOLOv2的車輛跟蹤算法YOLOv2-tracker，在復(fù)雜交通場景下跟蹤算法準(zhǔn)確率可達(dá)86%以上。在未來的工作中將繼續(xù)從以下幾方面研究以提高準(zhǔn)確率。①進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練更優(yōu)的模型；②使用車牌等先驗(yàn)知識(shí)，將車輛號(hào)牌識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于本研究；③利用顏色信息建立目標(biāo)與背景區(qū)域的顏色直方圖，有效地抑制背景干擾，同時(shí)顏色直方圖忽略每個(gè)像素點(diǎn)的位置信息，可以減少目標(biāo)形變問題；④加入視頻幀間的運(yùn)動(dòng)信息，如光流等，進(jìn)一步提高目標(biāo)的特征表達(dá)。