智慧交通day04-特定目标车辆追踪03：siamese在目标跟踪中的应用-SiamMask(2019)

与普通的视频跟踪网络不同的是，SiamMask可以同时完成视频跟踪和实例级分割的任务。如下图所示，与传统的对象跟踪器一样，依赖于一个简单的边界框初始化（蓝色）并在线操作。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，从而更准确地描述目标对象。

3.5.1 网络结构

SiamMask的网络结构，提出了三分支的SiamMask网络。与之前的孪生网络十分相似的是，将模板图像与搜索图像输入网络，两者经过特征提取网络，特征提取网络如下表所示，生成15×15×256和31×31×256的featuremap，与SiamFC相似的是，将两个featuremap逐通道相互卷积，生成17×17×256的featuremap，将这个过程生成的像素值叫做RoW，如下图所示，蓝色的1×1×256的featuremap为heatmap的最大值，代表目标最有可能出现的位置。之后将featuremap输入三个分支中，图中h_{\psi}hψ,b_{\psi}bψ,s_{\psi}sψ 是1×1的卷积层，作用是改变通道的数量。

网络结构如下表所示：

在box分支中，17×17×256的featuremap经过1×1×(4k)的卷积层后生成17×17×4k的featuremap，这里k是每一个RoW生成k个anchors，这里实际上和SiamRPN相同，每四个一组，分别对应dx、dy、dw、dh四个值，代表着与groundtruth的距离。

在score分支中，17×17×256的featuremap经过1×1×(2k)的卷积层后生成17×17×2k的featuremap，这里k是每一个RoW生成k个anchors，这里实际上和SiamRPN相同，每两个一组，分别对应分类为目标和背景的标签结果。

在Mask分支中。17×17×256的featuremap经过1×1×(63×63)的卷积层后生成17×17×(63×63)的featuremap，从featuremap中取出与RoW位置相同的像素值，为1×1×(63×63)，对其做上采样，生成127×127×1的图像，在这个图像中所有的像素值都取0或1，生成的相当于是一个二进制掩码，目标像素值为1，背景像素值为0，这样就完成了实例级分割的任务。

三分支中的网络结构如下表所示：

除了三分支的SiamMask之外，作者还提出了二分支的SiamMask网络,如上图所示，删掉了box分支，只保留score和Mask分支:

通过Mask分支生成的二进制掩码来生成相对应的bounding box，二分支中的网络结构如下表所示：

3.5.2 模型创新

改进的bounding box生成策略

设计了三种生成bounding box的策略如下图所示的红色、绿色和蓝色框

在之前的视频跟踪网络中，生成的都是平行于图片的x轴，y轴的bounding box。当然，SiamMask也能完成这样的任务，如图中红色框所示,在三分支的SiamMask网络中，box分支负责生成这样的bounding box。而在二分支的SiamMask网络中，利用Mask分支生成的二进制掩码取出目标所在的最小和最大的像素值，来生成Min-max的bounding box。

为了能够将bounding box尽可能的贴合物体，设计了MBR的生成策略,如图绿色框所示。同样，利用Mask分支生成的二进制掩码，求目标的最小包闭矩形，这样会导致生成的bounding box会有一定的倾斜。

还设计了一种策略Opt，如图中蓝色框所示。通过Mask分支生成的二进制掩码，求一个矩形区域使得矩形与目标像素的IoU最大，通过这种策略在一些计算目标与bounding box之间IoU的比赛中会提高SiamMask的成绩。

掩膜细化模型

下图为特征提取网络和Mask分支的结构图，网络忽略了box分支和score分支，经过特征提取网络生成的1×1×256的featuremap，首先经过反卷积生成15×15×32的featuremap，之后每一次反卷积都通过Ui 结合多层的特征，最后经过一个3×3的卷积层和Sigmoid层生成127×127×1的二进制掩码。

下图为细化模型的结构图，经过细化模型可以实现上采样的过程中结合特征提取的featuremap信息。

3.5.3 损失函数

Mask分支的损失函数：

在Mask分支最后生成一个127×127×1的二进制掩码也需要对其进行标记，目标像素标记为+1，背景像素标记为-1，所以假设一个RoW中会有w×h个像素，cij为Mask中第n个RoW中第i，j个像素的真实标记，mij为对应的网络的输出。所以这里的Mask分支只会计算一个目标RoW在二进制掩码中的所有像素。

二分支：

二分支的SiamMask的损失函数如下式所示，其中λ1与λ2为超参数，λ1=32，λ2=1，L_{mask}Lmask 是上面讲的Mask分支的损失函数，L_{sim}Lsim是SiamFC的损失函数

三分支：

三分支的SiamMask的损失函数如下式所示，其中λ1与λ2为超参数，λ1=32，λ2=λ3=1， L_{mask}Lmask是Mask分支的损失函数，L_{score}Lscore和L_{box}Lbox是SiamRPN的损失函数 L_{cls}Lcls和L_{reg}Lreg.

3.5.4 模型训练

siamMask是端到端训练模型，训练参数如下表所示：