目标跟踪介绍（单目标）

Abstract

        视觉跟踪技术是计算机视觉领域（人工智能分支）的一个重要课题，有着重要的研究意义；且在军事制导、视频监控、机器人视觉导航、人机交互、以及医疗诊断等许多方面有着广泛的应用前景。随着研究人员不断地深入研究，视觉目标跟踪在近十几年里有了突破性的进展，使得视觉跟踪算法不仅仅局限于传统的机器学习方法，更是结合了近些年人工智能热潮—深度学习（神经网络）和相关滤波器等方法，并取得了鲁棒（robust）、精确、稳定的结果。本文主要介绍以下几点：什么是视觉目标跟踪、视觉目标跟踪（单目标）的基本结构（框架），目标跟踪存在的挑战，目标跟踪经典相关方法等。

1、Introduction

        视觉目标跟踪是指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得运动目标的运动参数，如位置、速度、加速度和运动轨迹等，从而进行下一步的处理与分析，实现对运动目标的行为理解，以完成更高一级的检测任务。根据跟踪目标的数量可以将跟踪算法分为单目标跟踪与多目标跟踪。相比单目标跟踪而言，多目标跟踪问题更加复杂和困难。多目标跟踪问题需要考虑视频序列中多个独立目标的位置、大小等数据，多个目标各自外观的变化、不同的运动方式、动态光照的影响以及多个目标之间相互遮挡、合并与分离等情况均是多目标跟踪问题中的难点。

        目标跟踪（单目标）领域的研究者们将跟踪算法分为生成式（generative model）和判别式（discriminative model）方法。一：生成式方法采用特征模型描述目标的外观特征，再最小化跟踪目标与候选目标之间的重构误差来确认目标；生成式方法着重于目标本身的特征提取，忽略目标的背景信息，在目标外观发生剧烈变化或者遮挡时候容易出现目标漂移（drift）或者目标丢失。二：判别式方法将目标跟踪看做是一个二元分类问题，通过训练关于目标和背景的分类器来从候选目标中确定目标，该方法可以显著的区分背景和目标，性能鲁棒，渐渐成为目标跟踪领域主流方法。且目前大多数基于深度学习的目标跟踪算法也属于判别式方法。

2、Structure (Framework)

        视觉目标（单目标）跟踪任务即根据所跟踪的视频序列给定初始帧（第一帧）的目标状态（位置、尺度），预测后续帧中该目标状态。基本结构（框架）如下：

基本流程：输入初始帧（第一帧）并初始化目标框（第一个图中的红框（从左往右）），在下一帧中产生众多候选框（产生有可能的目标框），提取这些候选框的特征（特征提取），然后对这些候选框评分（计算候选框的置信分数），最后在这些评分中找一个得分最高的候选框作为预测的目标（max{置信分数}），或者对多个预测值进行融合（Ensemble）得到更优的预测目标。

 根据如上的框架，将目标跟踪划分为五项主要的研究内容：

运动模型（Motion Model）：如何生成众多有效的候选框，生成候选样本的速度与质量直接决定了跟踪系统表现的优劣。常用的有两种方法：粒子滤波（Particle Filter）和滑动窗口（Sliding Window）。粒子滤波是一种序贯贝叶斯推断方法，通过递归的方式推断目标的隐含状态。而滑动窗口是一种穷举搜索方法，它列出目标附近的所有可能的样本作为候选样本。

特征提取（Feature Extractor）: