目标追踪（Object Tracking）概念的简要介绍

现在我们有一个视频流，可以拆解出 N 个帧出来，这时候初始帧/某一帧中出现了一个我们感兴趣目标，我们希望在后续帧中对这个目标进行追踪，这时候就需要 CV 中的目标追踪；

目标追踪的效果如下：

虽然效果看起来和实时人脸检测识别效果一样，但是其实只对初始帧进行了人脸检测和识别，后续帧只需要进行检测，不需要再进行识别；

Q: 那么问题来了，为什么不直接对每一帧进行检测+识别？

A: 因为识别所占用的资源要远远大于检测；可以看到下图中，左边进行实时的检测+识别，在无 GPU，CPU=i7-8700K 的情况下，FPS 只有 1.8；

而右图中如果换成目标追踪的方法（只对初始帧做识别，后续帧只做跟踪），FPS 可以达到了 28，获得了差不多 15 倍的提升；

   

左图：检测 + 识别，https://github.com/coneypo/Dlib_face_recognition_from_camera/blob/master/face_descriptor_from_camera.py

右图：检测 + OT，https://github.com/coneypo/Dlib_face_recognition_from_camera/blob/master/face_reco_from_camera_ot_single_person.py

为了实现目标追踪，我们按照以下步骤进行：

1. 对于初始帧（视频流中的第一帧），输入/通过检测算法，得到一系列目标的位置坐标；
2. 为这些 ROI 创建 ID；
3. 在视频流中的后续帧，寻找帧之间目标对象的关系，将帧之间的目标关联起来；

目标跟踪可以让我们对于每一个追踪的目标指定一个唯一的 ID，所以让我们可以对视频中的跟踪物体进行计数，应用于计算人数的场景；

一个理想化的目标追踪算法能够实现：

1. 只需要初始化的时候进行目标检测；
2. 处理速度能够很快；
3. 可以处理被跟踪目标，消失或者超过边界的情况；
4. 可以处理帧之间目标消失，然后再出现的特殊情况；

上图 gif 中只有一个目标，所以其实后续帧中的检测出来的目标，如果还是一个，肯定就是我们第一帧中识别出来的 person_X；

但是往往是一帧中出现多目标，我们就需要对于前后帧中的多目标进行比对匹配；

以下图为例，比如左边是第 N 帧 ，有两个目标，我们检测识别出来是 ID#1 和 ID#2，在 N+1 帧中，也检查出来两个目标，我们知道这两个目标就是 ID#1 和 ID#2，但是不知道到底哪个是 ID#1 哪个是 ID#2；

所以就需要 质心追踪算法（Centroid Tracking）来进行判定后续帧中的 ID：

 

 

质心追踪算法（Centroid Tracking），依赖于在视频流的连续帧中，比较已知目标和新出现目标之间质心的欧氏距离；

整体的处理逻辑流程如下，希望能够只在第一帧/初始帧进行检测识别，并试图将第 N+1 帧中的目标，与第 N 帧的目标关联起来，这样对于后续帧，不再需要进行识别，只需要进行检测就可以得到目标的 ID 了；

• 第 N 帧：目标检测，目标识别
• 第 N+1 帧：目标检测，目标追踪
• 第 N+2 帧：目标检测，目标追踪
• 第 N+2 帧：目标检测，目标追踪
• ...

步骤一：对于某帧取特征框并计算质心

对于视频流，通过检测算法对于每帧图像进行检测；

比如上图中有两个特征框 / 或者我们假定两个特征框给它，分别为 ID #1 和 ID #2，可以计算出两个特征框的质心，分别得到位置坐标 （x,y）；

以实际视频流为例：

 

步骤二：计算新旧目标特征框质心的欧氏距离

对于视频流中的后续帧，我们利用检测算法来计算特征框，但是我们不会再去给对于每一个检测到的物体添加新的 ID 或者标记什么的（只做检测，不做识别），而是希望将新的目标能够和旧目标联系起来；

我们通过计算每对新旧目标的欧式距离来得到这些目标之间的关系；

如下图所示，比如帧 N 时候有两个目标（绿色），帧 N+1 时候有三个目标（红色），所以对于我们希望知道，这两个旧目标（绿色），在后续帧中变成了哪一个新目标（红色）；

所以我们想知道如下质心之间的关系：

• 绿1->红1，绿1->红2，绿1->红3；
• 绿2->红1，绿2->红2，绿2->红3；

步骤三：更新已知目标的质心坐标

质心追踪算法的前提是：对于一个给定目标，将会在后续帧中都出现，而且在第 N 帧和 N+1 帧中的质心欧氏距离，要小于不同目标之间的欧式距离；

因此我们在视频流的连续帧之间，根据欧氏距离最小原则，将这些帧中特征框的质心联系起来，可以得到一个目标 X 在这些连续帧中的变化联系，就达到了我们目标追踪的目的；

步骤四：注册新目标

有时候会有新目标的加入，比如帧 N 的时候有 x 个目标，而帧 N+1 的时候有 x+1 个目标，增加了一个目标；

所以对于这个新增的目标，我们按照以下顺序进行注册：

1. 给这个新目标一个目标 ID；
2. 储存这个目标特征框的质心位置；

然后从步骤二开始，对于视频流中的每一帧进行计算欧氏距离，更新坐标等步骤；

步骤五：注销旧目标

一个目标在后续帧中可能会消失，我们的目标追踪算法也要能够处理这种情况；

但是对于消失目标的处理方法，要根据于你实际部署应用的场景；

• 第 N 帧丢失目标，注销旧目标
• 第 N 帧丢失目标，而且第 N 帧中的后续 n 帧中都没有找回来，那就注销旧目标

因为每次重新注册的成本（进行检测/识别）的成本要大于欧氏距离比对进行目标追踪的成本；

这篇介绍 OT 的理论部分，接下来会介绍如何用 Python + OpenCV 去实现 OT；

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