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SiamMask

作者：互联网

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_43246440/article/details/99677258

论文：https://arxiv.org/abs/1812.05050
Github：https://github.com/foolwood/SiamMask
项目网站：http://www.robots.ox.ac.uk/~qwang/SiamMask/

SiamMask

Abstract

作者提出的模型，可以同时实现视频目标跟踪和视频目标分割这两个任务，并能达到实时的效果。作者称这个模型为SiamMsk。该模型通过在用于目标跟踪的全卷积Siamese神经网络上增加mask分支来实现目标的分割，同时增强网络的loss，优化网络。一旦网络训练好之后，SiamMask仅依赖于初始的一个bounding box就可以实现类别无关的目标实时跟踪及分割（at 35 frames per second）。这个模型简单，功能多样，速度快，其效果也超越了其他跟踪方法。同时，还在DAVIS-2016, DAVIS-2017视频分割数据集上取得了具有竞争力的表现和最快的速度。

1.Introduction

目标跟踪有很多应用，比如自动监控、车辆导航、视频标注等。以往的目标跟踪方法通常只能预测出一个跟踪物体的矩形框，也有一些做视频目标分割的方法可以对目标进行分割，但是这些方法在使用时都需要给出第一帧的分割mask。而文章提出的模型，在infernce阶段，只需要在开始时框出目标物体，就可以对目标进行自动的跟踪以及分割。效果如下图：
在这里插入图片描述
与传统的对象跟踪器一样，作者提出的跟踪器依赖于初始化的bounding box（蓝色）。与ECO （红色）等最先进的跟踪器不同，SiamMask（绿色）能够生成二进制分割掩码，可以更准确地描述目标对象。
作者结合了SiamMask网络，同时在三个任务中进行训练，每个任务对应于不同的策略，以便在新的一帧中建立目标对象与候选区域之间的对应关系。作者提出的架构，每个任务由不同的分支表示，最终的损失是三者加在一起。下面讲介绍一下关于Siamese网络一些相关的工作。

2.Related Work

2.1 Visual Object Tracking

直到最近，最主流的用于物体跟踪的方法仍然是在线训练一个分类器，基于视频第一帧的信息，然后在线更新它。这个策略通常被称作"tracking-by-detection"。在过去几年，相关滤波器（Correlation Filter）成为解决 tracking-by-detection 的一个快速而有效的策略。

最近，有人提出了一个完全不同的方法。它不在线学习一个判别分类器，而是线下训练相似度函数。全卷积Siamese方法的改进版通过region proposals, hard negative mining, ensembling, 和 memory networks，极大地提升了跟踪性能。

绝大多数的跟踪器都使用一个bounding box来初始化目标物体，然后在接下来的画面上预测位置。尽管很方便，但是一个简单的矩形框通常无法很好地表现一个物体。这促使我们提出一个能够生成二元分割mask的跟踪器，同时也只需要初始化一个物体边框。

2.2 Semi-supervised Video Object Segmentation

没有研究分割领域，跳过。

3.Methodology

为了实现在线可操作性和快速性，我们采用了完全卷积的Siamese框架。首先先介绍一下先前流行的SiamFC,SiamRPN这两个方法。

3.1 SiamFC&&SiamRPN

SiamFC这篇文章算是将深度学习应用于目标跟踪的开山之作(开篇之作应该是SINT)，也是第一个将siamese network用于目标跟踪的，网络的结构很简单，如下图：
在这里插入图片描述
这里的z就是初始帧的bounding box目标图像，这里的x就是后面的每一帧图像。φ就是siamese network，用于提取图像特征。由于z比x的尺寸小，所以生成的特征图F1肯定也是小于x生成的特征图F2。然后将F1在F2上进行滑动，利用一种相似性度量函数将两个矩阵合并成一个得分矩阵。最后，在得分矩阵里面取最大值，也就是置信度最大的点，在图像x上所对应区域即为该帧图像的预测区域。
SiamFC的方法很简单，但其缺点也是很明显的，就是预测的区域的比例是固定的，而且位置很粗糙（如上图，1717的得分矩阵对应的只有1717个原图的位置）。因此，SiamRPN在SiamFC的基础上进行改进，解决了这个缺陷。

SiamRPN在SiamFC的基础上增加了一个bounding box的预测分支。结构如下：
在这里插入图片描述
和SiamFC一样，SiamRPN也是先将模板（上）和待搜索区域（下）送入孪生网络得到特征。不同的是，SiamRPN在得到两者的特征之后，并不是直接将两者融合生成得分矩阵。而是对两者（经过上图橙色的卷积，这里不是孪生的）分别生成了分类分支和回归分支的特征，然后再两两组合，经过相关性的操作（星号处）得到后面的分类响应和回归响应。

图中的k指的是anchor数量，也就是每一个位置对应的不同尺寸的anchor的数量。在预测时，在score分支中排序筛选出k个proposal，然后再通过余弦窗和尺度惩罚来对其进行排序，根据回归分支得到各个proposal的边界框，最后使用NMS（非极大值抑制）得到最终结果。

SiamRPN通过增加了回归分支，可以让网络学习物体所在的具体位置进行回归，即可得到更加精准的预测，而且尺寸也可以通过预测得到，而不像siamFC中只能是固定比例。

总的来说，将全卷积的siamese network用于目标跟踪，生成得分矩阵，即得到了siamFC；在siamFC的基础上加上box分支，用于预测box的具体位置和长宽，即得到了siamRPN。那么再接下来，作者在siamRPN的基础上增加mask分支，就得到了本文要讲的siamMask。

3.2 SiamMask

作者通过一个简单的两层神经网络hϕhϕhϕhϕhϕ h_\phihϕhϕhϕ​17×17×256

分支部分：
其中两个变种头部网络的mask分支结构都一样，至于为什么是63x63，作者提到：
设置成63x63x1主要是为了节约计算资源。预测127*127需要1w多的channel。太大了。上采样到127是为了和exemplar一样

其他分支卷积核的设置为了改变通道数，具体作用可参考siamFC,siamRPN。两个变种的卷积具体结构如下：
两分支：
在这里插入图片描述
三分支：
在这里插入图片描述
作者提到，直接这样预测mask的方式得到的精度并不太高，所以提出了如下图所示的Refine模块U来提升分割的精度：在原始的响应图上对每个RoW不采用升维到63x63的方式，而是直接对RoW进行deconv上采样得到mask。
在这里插入图片描述Refine Module借鉴了SharpMask的思路：
在这里插入图片描述

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标签：box,分割,目标,SiamFC,跟踪,SiamMask,分支
来源： https://blog.csdn.net/weixin_43489950/article/details/100061385