多目标跟踪-FairMOT-IJCV2021

直接将ReID头加入检测网络会造成跟踪性能大的下降，从而造成过多IDSW。本文探究了失败的原因，并提出了一种简单有效的解决方案。

论文：FairMOT: On the Fairness of Detection and Re-Identification in Multiple Object Tracking

代码： https://github.com/ifzhang/FairMOT

1. 动机

失败的原因：

1. anchor不适合用来提取re-ID特征（anchor更偏好检测任务；训练re-ID时产生歧义，特别是拥挤场景一个anchor可能对应多个实例，一个实例可能对应多个anchor）
2. 检测任务和re-ID任务需要的特征是冲突的
3. 特征维度不同，re-ID任务的特征一般高达512甚至1024

2. FairMOT网络结构

Backbone： ResNet-34， DLA-34同CenterTrack， HRNet

检测分支： backbone提取的特征后接256x3x3的卷积 1x1的卷积。共三个头：heatmap（通道=类别数），中心点offset（通道数=2），框尺寸（通道数=2）。中心点offset是为了弥补四倍下采样造成的四个像素点的偏移不确定。

Re-ID分支： backbone提取的特征后接128x3x3卷积，然后接一个全连接层和softmax。全连接层输出维度为K，K是训练集的所有实例数。

heatmap损失为修改后的focal loss（原版是针对01离散输入的，改为0~1连续输入），如下式，hat{M}为预测ht图，M为ground truth按照高斯核映射成的heatmap label， alpha=2是原版focal loss的参数，beta=4.

offset损失和hw损失都是L1 loss：

其中对于每个GT框 mathbf{b}^{i}=left( x_1^i,y_1^i,x_2^i,y_2^i right)，mathbf{s}^{i}=left( x_2^i-x_1^i,y_2^i-y_1^i right), mathbf{o}^{i}=left(frac{c_{x}^{i}}{4}, frac{c_{y}^{i}}{4}right)-left(leftlfloorfrac{c_{x}^{i}}{4}rightrfloor,leftlfloorfrac{c_{y}^{i}}{4}rightrfloorright)，超参数lambda_s=0.1

Re-ID损失为交叉熵损失，只计算中心点的损失：

其中

总损失如下，使用一篇多任务论文提出的不确定性损失来平衡多个任务：

其中 w_{1},w_{2}

3. 关联过程

首先用卡尔曼滤波预测轨迹，然后计算预测轨迹和检测结果的马氏距离D_m，马氏距离中大于阈值的部分置为无穷。与DeepSORT一样计算ReID距离D_r，总距离D=lambda D_r (1-lambda)D_m,lambda=0.98，使用匈牙利算法完成第一阶段的匹配。

对于第一阶段没匹配的检测和轨迹，以0.5的覆盖率阈值再次匹配。更新匹配到的轨迹的ReID特征。没匹配到的轨迹保留30帧，为没匹配到的检测初始化轨迹。

4. 实验

消融实验：

• ReID特征的采样方法：ROI Align、 POS-Anchor（JDE）、Center、Center-BI（带双线性插值）、 two-stage；结果两个Center的方法最好
• 多任务损失：fixed weights（grid search）、Uncertainty-task、Uncertainty-branch、GradNorm、MGDA-UB；结果fixed有最好的MOTA、AP和最差的IDs和TPR，MGDA-UB有最高的TPR和最低的MOTA和AP。GradNorm有最高的IDF1和次高的MOTA但是训练时间长。
• 多层特征融合：（无）ResNet、RegNet；（有）FPN、HRNet、DLA、HarDNet、RegNet；结果多层特征融合可以涨0.8~2个点，而单纯用更大的模型涨点不明显。DLA34里的可变形卷积也很重要，如果用普通卷积会掉4个点。HRNet-W18小目标（小于7000像素）表现好，DLA-34中大目标表现好。
• reID特征维度：64维比512维能有更高的MOTA。
• 关联方法：IoU、re-ID特征、卡尔曼滤波。卡尔曼滤波最重要，累加别的能涨一点儿。

性能对比（private detector）：

括号中的为最高的非官方实现达到的精度

MOT17-testset：

KITTI: 无

nuScenes: 无