TLD详细解析之 检测器

扫描方式前面已经说过，具体参数【5.3】：scales step =1.2, horizontal step =10 percent of width, vertical step =10 percent of height, minimal bounding box size = 20 pixels. This setting produces around 50k bounding boxes for a QVGA image (240×320), the exact number depends on the aspect ratio of the initial bounding box.

    TLD分类器的三道关卡

 

    如上图所示，TLD的检测算法共有三关：

    第一关：方差

    使用简单的阈值判断，阈值设定为初始选择目标方差的50%（存储在TLD::var），见【5.3.1】50 percent of variance of the patch that was selected  for tracking。

    第二关：随机森林分类器

 

    TLD特征

    首先介绍一下TLD所使用的特征，2bit BP，很简单，就是任意两个点的大小关系，取值只有0和1。结合后面的分类器，我更倾向于将特征定义为0/1组成的串/向量。具体来   说，首先随机产生13对坐标，然后比较对应坐标像素值的大小，得到13个0/1，最后依次组成13位二进制数，也就可以看出一个整数。为了去噪，预先对图像进行了高斯滤波。不过图TLD特征中，只有10位。

    TLD所使用的随机森林相当简单，一共有10棵树，每一棵树的分类特征就是上述的13位二进制串，与CART，ID3等决策树不同，它没有特征选择，它只是对特征分布进行了直方图统计，所以，每一个树可以看成一个贝叶斯分类器，而且直方图的区间数多到2^13。每一棵树分类的方法特么简单，正样本的概率为特征对应的区间正负样本数之比。最后对所有树的分类结果求和即为随机森林的最终分类结果，即正样本的概率。原文【5.3.2】说结果的平均值超过0.5就当做正样本，不过，实际代码中是超过0.6才算正样本，而结果超过0.5的负样本才作为随机森林重新训练的负样本，即hard negative。

    下面直接看源码实现

FerNNClassifier::prepare实现确定特征的比对位置，它在TLD::init函数中被调用,主要是这几个变量features[s][i]、thrN、 posteriors、pCounter、nCounter，命名非常直白，含义就不多说了。

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1. void FerNNClassifier::prepare(const vector<Size>& scales){  
2.   acum = 0;  
3.   // 1. Initialize test locations for features  
4.   //   随机产生需要坐标对（x1f，y1f，x2f，y2f，注意范围[0,1)），  
5.   //   即确定由每一个特征是由哪些点对进行而得到，这些位置一旦确定就不会改变，  
6.   //   由于我们要进行多尺度检测，所以同一个点在不同尺度scales，实际对应的坐标要乘以对应尺度的width和height。  
7.   int totalFeatures = nstructs*structSize;//nstructs 10 structSize 13  
8.   features = vector<vector<Feature> >(scales.size(),vector<Feature> (totalFeatures));  
9.   RNG& rng = theRNG();  
10.   float x1f,x2f,y1f,y2f;  
11.   int x1, x2, y1, y2;  
12.   for (int i=0;i<totalFeatures;i++){  
13.       x1f = (float)rng; //产生[0,1)直接的浮点数  
14.       y1f = (float)rng;  
15.       x2f = (float)rng;  
16.       y2f = (float)rng;  
17.       for (int s=0;s<scales.size();s++){  
18.           x1 = x1f * scales[s].width;  
19.           y1 = y1f * scales[s].height;  
20.           x2 = x2f * scales[s].width;  
21.           y2 = y2f * scales[s].height;  
22.           features[s][i] = Feature(x1, y1, x2, y2);  
23.       }  
24.   }  
25.   // 2. Thresholds，负样本的阈值  
26.   thrN = 0.5*nstructs;  
27.   // 3. Initialize Posteriors，为统计直方图分配空间  
28.   for (int i = 0; i<nstructs; i++) {  
29.       posteriors.push_back(vector<float>(pow(2.0,structSize), 0));  
30.       pCounter.push_back(vector<int>(pow(2.0,structSize), 0));  
31.       nCounter.push_back(vector<int>(pow(2.0,structSize), 0));  
32.   }  
33. }  

    确定了由哪些点对得到特征后，就可以获取给定图像块（patch）的特征了，scale_idx是图像块的尺度索引，fern[t]就是所提取的第t个特征，前面说过，特征是一个13位二进制数，也就是一个整数。

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1. void FerNNClassifier::getFeatures(const cv::Mat&image,constint& scale_idx, vector<int>& fern){  
2.   int leaf;  
3.   for (int t=0;t<nstructs;t++){  
4.       leaf=0;  
5.       for (int f=0; f<structSize; f++){  
6.         //依次得到每一位  
7.           leaf = (leaf << 1) + features[scale_idx][t*nstructs+f](image);  
8.       }  
9.       fern[t]=leaf;  
10.   }  
11. }  

     能够提取特征了，那么接下来就可以训练随机森林分类器，这部分稍微分的有点细，首先介绍训练函数FerNNClassifier::trainF(ferns,resample)，ferns是训练集，即正/负样本的特征，不过呢，类别标号ferns[i].second==1即为正样本，resample是bootstrap的次数，其实函数实现时只有一轮，bootstrap是用容易分错的正样本和负样本更新分类器，measure_forest就是该分类器的分类函数，update是更新函数。

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1. void FerNNClassifier::trainF(const vector<std::pair<vector<int>,int> >&ferns,intresample){  
2.   thrP = thr_fern*nstructs; //0.6*10                           
3.       for (int i = 0; i <ferns.size(); i++){                
4.           if(ferns[i].second==1){//正样本                          
5.               if(measure_forest(ferns[i].first)<=thrP)       
6.                 update(ferns[i].first,1,1);                               
7.           }else{//负样本                                            
8.               if (measure_forest(ferns[i].first) >= thrN)    
9.                 update(ferns[i].first,0,1);                               
10.           }  
11.       }  
12. }  

FerNNClassifier::measure_forest就是前面提到的，将10棵树的概率求和

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1. float FerNNClassifier::measure_forest(vector<int>fern) {  
2.   float votes = 0;  
3.   for (int i = 0; i < nstructs; i++) {  
4.       votes += posteriors[i][fern[i]];  
5.   }  
6.   return votes;  
7. }  

   update更新正负样本的直方图分布，注意：posteriors只算了正样本的概率

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1. void FerNNClassifier::update(const vector<int>& fern,intC, int N) {  
2.   int idx;  
3.   for (int i = 0; i < nstructs; i++) {//10  
4.       idx = fern[i];//13位的特征  
5.      //C=1，正样本，C=0，负样本  
6.       (C==1) ? pCounter[i][idx] +=N : nCounter[i][idx] +=N;  
7.       if (pCounter[i][idx]==0) {//既然是正概率，如果正样本的数目为0，正样本的概率自然也为0  
8.           posteriors[i][idx] = 0;  
9.       } else {  
10.           posteriors[i][idx] = ((float)(pCounter[i][idx]))/(pCounter[i][idx] + nCounter[i][idx]);  
11.       }  
12.   }  
13. }  

    第三关：最近邻分类器

    最近邻分类器顾名思义咯，与随机森林一样，其中也涉及到特征、训练函数、分类函数。

   特征其实就是将图像块大小归一化（都变成patch_size×patch_size），零均值化【5.1】

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1. void TLD::getPattern(const Mat& img, Mat& pattern,Scalar&mean,Scalar&stdev){  
2.   resize(img,pattern,Size(patch_size,patch_size));  
3.   meanStdDev(pattern,mean,stdev);  
4.   pattern.convertTo(pattern,CV_32F);  
5.   pattern = pattern-mean.val[0];  
6. }  

    训练函数trainNN，我觉得最近邻分类器其实没有所谓的训练，因为只需要将容易分错的正/负样本加入正负样本集就可以了。其中，pEx是正样本集，nEx是负样本集。

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1. void FerNNClassifier::trainNN(const vector<cv::Mat>& nn_examples){  
2.   float conf,dummy;  
3.   vector<int> y(nn_examples.size(),0);  
4.   y[0]=1;//只有第一个是正样本，并不是原始的目标区域，而是best_box  
5.   vector<int> isin;  
6.   for (int i=0;i<nn_examples.size();i++){//  For each example  
7.       NNConf(nn_examples[i],isin,conf,dummy);// Measure Relative similarity  
8.       if (y[i]==1 && conf<=thr_nn){  
9.           if (isin[1]<0){ //注意：如果pEx为空，NNConf直接返回 thr_nn=0，isin都为-1，                                          
10.               pEx = vector<Mat>(1,nn_examples[i]);      
11.               continue;                                       
12.           }                                                        
13.           pEx.push_back(nn_examples[i]);//之前存在正样本，追加  
14.       }                                                           
15.       if(y[i]==0 && conf>0.5)                                       
16.         nEx.push_back(nn_examples[i]);                             
17.   }                                                             
18.   acum++;  
19.   printf("%d. Trained NN examples: %d positive %d negative\n",acum,(int)pEx.size(),(int)nEx.size());  
20. }  

    分类函数NNConf，计算的就是待分类样本example和NN分类器中所有正负样本的距离，距离是酱紫计算的（见OpenCV refermanual）：

 

    好吧，这个我也是第一次见，不过这个和相关系数特别像：

 

 

   区别是没有减去均值，还记得我们前面提到图像块都进行了零均值化，因此距离就是计算相关系数……

    不过，还要进行一些处理才方便作为距离测度, 相关系数的取值范围是[-1,1]，加上1变成[0,2]，再将范围缩小为[0,1]

    

    相似性包含两种，Relative similarity和Conservative similarity，具体见【5.2】，不过这个版本采用了另一种计算方式，大家自己领会一下吧，我也说不上哪个好。

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1. void FerNNClassifier::NNConf(const Mat& example, vector<int>& isin,float&rsconf,float&csconf){  
2.   isin=vector<int>(3,-1);  
3.   if (pEx.empty()){ //if isempty(tld.pex) % IF positive examples in the model are not defined THEN everything is negative  
4.       rsconf = 0; //    conf1 = zeros(1,size(x,2));  
5.       csconf=0;  
6.       return;  
7.   }  
8.   if (nEx.empty()){ //if isempty(tld.nex) % IF negative examples in the model are not defined THEN everything is positive  
9.       rsconf = 1;   //    conf1 = ones(1,size(x,2));  
10.       csconf=1;  
11.       return;  
12.   }  
13.   Mat ncc(1,1,CV_32F);  
14.   float nccP,csmaxP,maxP=0;  
15.   bool anyP=false;  
16.   int maxPidx,validatedPart = ceil(pEx.size()*valid);//正样本的前 50%，用于计算Conservative similarit【5.2 5】  
17.   float nccN, maxN=0;  
18.   bool anyN=false;  
19.   for (int i=0;i<pEx.size();i++){  
20.       matchTemplate(pEx[i],example,ncc,CV_TM_CCORR_NORMED);// measure NCC to positive examples  
21.      //相关系数的取值范围是[-1,1]，加上1变成[0,2]，再将范围缩小为[0,1]  
22.       nccP=(((float*)ncc.data)[0]+1)*0.5;  
23.       if (nccP>ncc_thesame)//0.95  
24.         anyP=true;  
25.       if(nccP > maxP){  
26.           maxP=nccP;//Relative similarity  
27.           maxPidx = i;  
28.           if(i<validatedPart)  
29.             csmaxP=maxP;//Conservative similari  
30.       }  
31.   }  
32.   for (int i=0;i<nEx.size();i++){  
33.       matchTemplate(nEx[i],example,ncc,CV_TM_CCORR_NORMED);//measure NCC to negative examples  
34.       nccN=(((float*)ncc.data)[0]+1)*0.5;  
35.       if (nccN>ncc_thesame)  
36.         anyN=true;  
37.       if(nccN > maxN)  
38.         maxN=nccN;  
39.   }  
40.   //set isin  
41.   if (anyP) isin[0]=1;  //if he query patch is highly correlated with any positive patch in the model then it is considered to be one of them  
42.   isin[1]=maxPidx;      //get the index of the maximall correlated positive patch  
43.   if (anyN) isin[2]=1;  //if  the query patch is highly correlated with any negative patch in the model then it is considered to be one of them  
44.   //Measure Relative Similarity  
45.   float dN=1-maxN;  
46.   float dP=1-maxP;  
47.   rsconf = (float)dN/(dN+dP); //与原文【5.2】有出入，不过也是可以理解的  
48.   //Measure Conservative Similarity  
49.   dP = 1 - csmaxP;  
50.   csconf =(float)dN / (dN + dP);  
51. }  

TLD::detect函数

   有了前面的铺垫，这段程序应该比较好懂了吧。

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1. void TLD::detect(const cv::Mat&frame){  
2.   //cleaning  
3.   dbb.clear();  
4.   dconf.clear();  
5.   dt.bb.clear();//检测的结果，一个目标一个bounding box  
6.   double t = (double)getTickCount();  
7.   Mat img(frame.rows,frame.cols,CV_8U);  
8.   integral(frame,iisum,iisqsum);//  
9.   GaussianBlur(frame,img,Size(9,9),1.5);//  
10.   int numtrees = classifier.getNumStructs();// nstructs： 10  
11.   float fern_th = classifier.getFernTh();//thr_fern：0.6  
12.   vector <int> ferns(10);  
13.   float conf;  
14.   int a=0;  
15.   Mat patch;  
16.   // 1. 方差->结果存在tmp ->随机森林-> dt.bb  
17.   for (int i=0;i<grid.size();i++){//FIXME: BottleNeck  
18.       if (getVar(grid[i],iisum,iisqsum)>=var){//第一关：方差  
19.           a++;  
20.         patch = img(grid[i]);  
21.           classifier.getFeatures(patch,grid[i].sidx,ferns);//sidx:scale index  
22.           conf = classifier.measure_forest(ferns);//第二关：随机森林  
23.           tmp.conf[i]=conf; //只要能通过第一关就会保存到tmp  
24.           tmp.patt[i]=ferns;  
25.           if (conf>numtrees*fern_th){  
26.               dt.bb.push_back(i); //第二关  
27.           }  
28.       }  
29.       else  
30.         tmp.conf[i]=0.0;//第一关都没过  
31.   }  
32.   int detections = dt.bb.size();  
33.   printf("%d Bounding boxes passed the variance filter\n",a);  
34.   printf("%d Initial detection from Fern Classifier\n",detections);  
35.   if (detections>100){//第二关附加赛：100名以后的回家去  
36.       nth_element(dt.bb.begin(),dt.bb.begin()+100,dt.bb.end(),CComparator(tmp.conf));  
37.       dt.bb.resize(100);  
38.       detections=100;  
39.   }  
40.   if (detections==0){  
41.         detected=false;  
42.         return;//啥都没看到……  
43.       }  
44.   printf("Fern detector made %d detections ",detections);  
45.   t=(double)getTickCount()-t;  
46.   printf("in %gms\n", t*1000/getTickFrequency());  
47.                                                                       //  Initialize detection structure  
48.   dt.patt = vector<vector<int> >(detections,vector<int>(10,0));       //  Corresponding codes of the Ensemble Classifier  
49.   dt.conf1 = vector<float>(detections);                               //  Relative Similarity (for final nearest neighbour classifier)  
50.   dt.conf2 =vector<float>(detections);                                //  Conservative Similarity (for integration with tracker)  
51.   dt.isin = vector<vector<int> >(detections,vector<int>(3,-1));       //  Detected (isin=1) or rejected (isin=0) by nearest neighbour classifier  
52.   dt.patch = vector<Mat>(detections,Mat(patch_size,patch_size,CV_32F));//  Corresponding patches,patch_size: 15  
53.   int idx;  
54.   Scalar mean, stdev;  
55.   float nn_th = classifier.getNNTh();//thr_nn:0.65  
56.   //3. 第三关：最近邻分类器，用Relative Similarity分类，但是却用 Conservative Similarity作为分数->dconf  
57.   for (int i=0;i<detections;i++){                                        //  for every remaining detection  
58.       idx=dt.bb[i];                                                      //  Get the detected bounding box index  
59.      patch = frame(grid[idx]);  
60.       getPattern(patch,dt.patch[i],mean,stdev);                //  Get pattern within bounding box  
61.       classifier.NNConf(dt.patch[i],dt.isin[i],dt.conf1[i],dt.conf2[i]); //  Evaluate nearest neighbour classifier  
62.       dt.patt[i]=tmp.patt[idx];//ferns  
63.       if (dt.conf1[i]>nn_th){                                              //  idx = dt.conf1 > tld.model.thr_nn; % get all indexes that made it through the nearest neighbour  
64.           dbb.push_back(grid[idx]);                                        //  BB    = dt.bb(:,idx); % bounding boxes  
65.           dconf.push_back(dt.conf2[i]);                                     //  Conf  = dt.conf2(:,idx); % conservative confidences  
66.       }  
67.   }                                                                        //  end  
68.   if (dbb.size()>0){  
69.       printf("Found %d NN matches\n",(int)dbb.size());  
70.       detected=true;  
71.   }  
72.   else{  
73.       printf("No NN matches found.\n");  
74.       detected=false;  
75.   }  
76. }