黑栗子 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
這是黑客帝國，尼奧和史密斯雨中打鬥的樣子。
而目標追蹤AI要在光照急劇變化、物體形狀大小也不斷改變的場景裡，準確鎖定尼奧的頭。
紅色是商湯最新算法SiamRPN++的表現，它中選了CVPR 2019的Oral。
藍色是它的對手，來自ECCV 2018的優秀前輩UPDT。自古紅藍出CP。
動作太快，看不出紅藍誰更強？有截圖啊：
肉眼看去，商湯SiamRPN++更勝一籌，幾乎不受複雜場景的影響。
不止如此，它已經在多個數據集上成為了State-of-the-Art。
同時也成了商湯Siam家族的驕傲。現在，整個家族都開源了：
· SiamMask (CVPR 2019)
· SiamRPN++ (CVPR 2019 oral)
· DaSiamRPN (ECCV 2018)
· SiamRPN (CVPR 2018)
· SiamFC (ECCV 2016)
但這到底是一個怎樣的家族？
顯赫之家
Siam是Siamese的縮略，所以整個家族都是孿生網絡。
所謂孿生，就是兩個網絡的所有權重都一樣。
給它們輸入不同的數據，便可以測量兩個輸入的相似度，做分類之用。
經年累月，團隊死磕孿生網絡，用這類算法來做目標跟蹤。
在這之中，SiamRPN赫然挺立，中選了CVPR 2018的Spotlight。
SiamRPN：把檢測算法引入跟蹤
這隻AI的誕生，是因為團隊發現：雖然孿生網絡能對目標快速定位，但不能對目標框作出調整，也就不能調節目標的形狀。
可目標跟蹤並不是只要定一個點，目標所在的範圍也同樣重要。
於是，團隊為孿生網絡引入了區域推薦網絡 (RPN) 。
孿生網絡可以實現對目標的適應，利用被跟蹤目標的信息，完成檢測器的初始化；而RPN可以讓算法對目標位置 (範圍) 做出更精準的預測。
兩者結合，就有了可以端到端訓練的SiamRPN。除了算法上的創新之外，由於支持端到端訓練， (在VID之外) 大規模數據集Youtube-BB也成了它的訓練集，進一步提升性能。
於是，在OTB100、VOT15/16/17數據集上，SiamRPN都比基線算法SiamFC高出了5%以上，速度也更快。它被CVPR 2018選作了Spotlight。
DaSiamRPN：改進訓練集，增強判別能力
雖然，SiamRPN取得了好成績，但它是用VID和Youtube-BB訓練的：裡面的類別非常少，大概二三十類，很難勝任現實任務。
而COCO和ImageNet DET的檢測數據集，分別有80類和200類。且孿生網絡的訓練只需要圖像對，不用完整的視頻，所以輕鬆就把這些數據集引入了。
可引入之後又有新問題：這個網絡會對所有有語義的樣本進行響應，不只對目標物體有響應。比如目標是一個人，而AI遇到一把椅子也有很高的響應。
因為之前的訓練中，負樣本 (和目標無關的樣本) 只有背景信息，限制了網絡的判別能力。
於是，團隊改進了方法——增加一些有語意的負樣本對，來增強跟蹤器的判別能力。
這就是說，訓練過程中不再讓模板 (Template) 和搜索區域 (Search Region) 是相同目標；是讓網絡學習判別能力，去搜索區域裡找模版更相似的物體，而不是一個簡單的有語義的物體。
做了這樣的改動，DaSiamRPN可以從短時跟蹤拓展到長時跟蹤，且在UAV20L數據集上比之前成績最好的方法提高了6%。
DaSiamRPN被ECCV 2018收錄，且在VOT workshop比賽上，獲得了實時賽的冠軍，比上年冠軍提升了80%。
SiamRPN++：讓孿生網絡用上深度架構
算法也改過了，訓練集也改過了。
所以，團隊這一次瞄準了還沒改過的孿生網絡本身。
之前的孿生網絡，都是基於比較淺的卷積網絡 (比如AlexNet) 。但如果直接引入深度網絡，性能反而會大幅下降。
想有效利用深網絡，就要解決位置偏見的問題。於是，研究人員提出了“位置均衡的採樣策略”：
不把正樣本放在中心，而是以均勻分佈的採樣方式，讓目標在中心點附近進行偏移。
隨著偏移範圍增大，深度網絡慢慢開始發揮作用。不止可以跟蹤更多細節信息 (淺層網絡特徵) ，也能跟蹤更多語義信息 (深層網絡特徵) 。多層融合信息，來進一步提升性能。
除此之外，團隊還提出了新的連接部件，Depthwise Cross Correlation (下圖c) 。它可以極大減少參數量，平衡兩支的參數量，同時讓訓練更加穩定，也更好地收斂。
結果，SiamRPN++在5個大型跟蹤數據集上，都拿到了最好成績：OTB2015，VOT2018，UAV123，LaSOT，以及TrackingNet。
突破了孿生網絡和深度架構之間的障礙，這隻AI順理成章地中選了CVPR 2019的Oral。
大規模開源
這些孿生網絡，現在都開源了。
商湯發佈了一個叫做PySOT的目標跟蹤庫，基於PyTorch，把整個Siam家族裝了進去。回顧一下，包括這些模型：
· SiamMask (CVPR 2019)
· SiamRPN++ (CVPR 2019 oral)
· DaSiamRPN (ECCV 2018)
· SiamRPN (CVPR 2018)
· SiamFC (ECCV 2016)
PySOT庫提供了3種不同的backbone，有深有淺：
· ResNet{18, 34, 50}
· MobileNetV2
· AlexNet
模型評估，目前支持這些數據集：
· OTB2015
· VOT16/18/19
· VOT18-LT
· LaSOT
· UAV123
PySOT裡面，還包含了評估工具的接口。
所以，大家可以盡情探索了。
PySOT傳送門：
https://github.com/STVIR/pysot
SiamRPN論文傳送門：
http://openaccess.thecvf.com/content_cvpr_2018/papers/Li_High_Performance_Visual_CVPR_2018_paper.pdf
DaSiamRPN論文傳送門：
https://arxiv.org/abs/1808.06048
SiamRPN++論文傳送門：
https://arxiv.org/abs/1812.11703
— 完 —
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