ByteTrack多目标跟踪——YOLOX详解

项目地址： ByteTrack
ByteTrack使用的检测器是YOLOX，是一个目前非常流行并且效果非常好的检测器，ByteTrack的跟踪效果也完全离不开YOLOX的检测性能。

1 before train

训练之前的准备，主要是初始化模型以及数据集。

1.1 dataset

在ByteTrack中图像输入大小为：(896,1600)

1.2 model

初始化
YOLOXPAFPN
YOLOXHead

2 train

2.1 Backbone

采用Darknet-53

self.backbone = CSPDarknet(depth, width, depthwise=depthwise, act=act)

backbone的输入input为一个batch的图片 (B,C,H,W)

out_features = self.backbone(input)

out_features的输出为3个特征层（分别为’dark3’,‘dark4’,‘dark5’）组成的字典，举个例子，各特征层的shape如下：

{‘dark3’:(B,320,112,200),
‘dark4’:(B,640,56,100),
‘dark5’:(B,1280,28,50)}
均为(B,C,H,W)，只是尺寸和特征维度不同。

2.2 PAFPN

在Neck结构中，Yolox采用PAFPN的结构进行融合。如下图所示，将高层的特征信息，先通过上采样的方式进行传递融合，再通过下采样融合方式得到预测的特征图，最终输出3个特征层组成的元组结果，各特征层的shape如下：

{‘dark3’:(B,320,112,200),
‘dark4’:(B,640,56,100),
‘dark5’:(B,1280,28,50)}
均为(B,C,H,W)，只是尺寸和特征维度不同。

2.3 Head

2.3.1 Decoupled Head

在Yolox中，作者增加了三个Decoupled Head，俗称“解耦头”。

总共有三个分支：

• cls_output：主要对目标框的类别，预测分数。因为只有行人一个类别，所以大小为1，这里为(B,1,112,200)。
• obj_output：主要判断目标框是前景还是背景，这里为(B,1,112,200)。
• reg_output：主要对目标框的坐标信息(x，y，w，h)进行预测，这里为(B,4,112,200)。

2.3.2 anchor-free

首先，相对anchor-based参数量大大减小。

举个例子，最后8400个预测框中，其中有400个框，所对应锚框的大小，为32*32。中间的分支，最后有1600个预测框，所对应锚框的大小，为16*16。最下面的分支，最后有6400个预测框，所对应锚框的大小，为8*8。

当有了29400个预测框的信息，每张图片也有标注的目标框的信息。
这时的锚框，就相当于桥梁。
这时需要做的，就是将29400个锚框，和图片上所有的目标框进行关联，挑选出正样本锚框。
而相应的，正样本锚框所对应的位置，就可以将正样本预测框，挑选出来。
这里采用的关联方式，就是标签分配。

2.3.3 标签分配

① 初步筛选

yolo_head.py的get_in_boxes_info函数中，如果 anchor bbox 中心落在 groundtruth bbox或 fixed bbox，则被选中为候选正样本。

1. 根据中心点判断
   

anchor box的中心点落在人工标注框(Ground Truth Boxes)的矩形范围中的所有anchor；

• 通过groundtruth的[x_center,y_center，w，h]，计算出每张图片的每个groundtruth的左上角、右下角坐标

gt_bboxes_per_image_l = ((gt_bboxes_per_image[:, 0] - 0.5 * gt_bboxes_per_image[:, 2]).unsqueeze(1).repeat(1, total_num_anchors)
)   # [n_gt, n_anchor]
gt_bboxes_per_image_r = ((gt_bboxes_per_image[:, 0] + 0.5 * gt_bboxes_per_image[:, 2]).unsqueeze(1).repeat(1, total_num_anchors)
)   # [n_gt, n_anchor]
gt_bboxes_per_image_t = ((gt_bboxes_per_image[:, 1] - 0.5 * gt_bboxes_per_image[:, 3]).unsqueeze(1).repeat(1, total_num_anchors)
)   # [n_gt, n_anchor]
gt_bboxes_per_image_b = ((gt_bboxes_per_image[:, 1] + 0.5 * gt_bboxes_per_image[:, 3]).unsqueeze(1).repeat(1, total_num_anchors)
)   # [n_gt, n_anchor]

• 前4行代码计算锚框中心点（x_center，y_center）和gt标注框左上角（gt_l，gt_t），右下角（gt_r，gt_b）两个角点的相应距离。

b_l = x_centers_per_image - gt_bboxes_per_image_l
b_r = gt_bboxes_per_image_r - x_centers_per_image
b_t = y_centers_per_image - gt_bboxes_per_image_t
b_b = gt_bboxes_per_image_b - y_centers_per_image
bbox_deltas = torch.stack([b_l, b_t, b_r, b_b], 2)
is_in_boxes = bbox_deltas.min(dim=-1).values > 0.0
is_in_boxes_all = is_in_boxes.sum(dim=0) > 0

• 而在第五行，将四个值叠加之后，通过第六行，判断是否都大于0？就可以将落在groundtruth矩形范围内的所有anchors，都提取出来了。因为ancor box的中心点，只有落在矩形范围内，这时的b_l，b_r，b_t，b_b都大于0。

2. .根据目标框来判断
   

以Ground Truth Boxes中心点为基准，四周向外扩展2.5倍stride，构成边长为5倍stride的正方形，挑选anchor box中心点落在正方形内的所有锚框。

• 以groundtruth中心点为基准，设置边长为5的正方形，挑选在正方形内的所有锚框。
• 如果图片的尺寸为 640 × 640，且当前特征图的尺度为 80 × 80，则此时stride为 8， 将 5 × 5 的正方形映射回原图，fixed bbox 尺寸为 400 × 400。
• 找出所有中心点（x_center，y_center）在正方形内的锚框。
• 未选中的预测框为负样本，直接打上负样本标签。

总体来说get_in_boxes_info返回两个值，fg_mask和is_in_boxes_and_center，fg_mask为29400维数组，即29400个框的正负性，用ture和false表示，is_in_boxes_and_center为[gt_num, 正样本个数]

② simOTA

假定图片上有3个目标框，即3个groundtruth，且检测类别为1。
上一节中，我们知道有29400个锚框，但是经过初步筛选后，假定有1000个锚框是正样本锚框。

1. 初筛正样本信息提取

根据位置，可以将网络预测的候选检测框位置bboxes_preds、前景背景目标分数obj_preds、类别分数cls_preds等信息，提取出来。

 bboxes_preds_per_image = bboxes_preds_per_image[fg_mask] # [1000, 4]
cls_preds_ = cls_preds[batch_idx][fg_mask] # [1000, 1]
obj_preds_ = obj_preds[batch_idx][fg_mask] # [1000, 1]
num_in_boxes_anchor = bboxes_preds_per_image.shape[0] # 1000

2. Loss函数计算

针对筛选出的1000个候选检测框，和3个groundtruth计算Loss函数。

• 首先是位置信息的loss值：pair_wise_ious_loss [3,1000]

pair_wise_ious = bboxes_iou(gt_bboxes_per_image, bboxes_preds_per_image, False)  # [gt_num, matched_anchor]
gt_cls_per_image = ( # [gt_num, matched_anchor, class_num]F.one_hot(gt_classes.to(torch.int64), self.num_classes).float().unsqueeze(1).repeat(1, num_in_boxes_anchor, 1)
)
pair_wise_ious_loss = -torch.log(pair_wise_ious + 1e-8)

• 然后是综合类别信息和目标信息的loss值：pair_wise_cls_loss [3,1000]

cls_preds_ = (  # [gt_num, matched_anchor, 1]cls_preds_.float().unsqueeze(0).repeat(num_gt, 1, 1).sigmoid_() # [gt_num, matched_anchor, 1]* obj_preds_.float().unsqueeze(0).repeat(num_gt, 1, 1).sigmoid_() # [gt_num, matched_anchor, 1]
)
pair_wise_cls_loss = F.binary_cross_entropy( # [gt_num, matched_anchor]cls_preds_.sqrt_(), gt_cls_per_image, reduction="none"
).sum(-1)

3. cost成本计算

有了reg_loss和cls_loss，就可以将两个损失函数加权相加，计算cost成本函数了。

cost = (pair_wise_cls_loss+ 3.0 * pair_wise_ious_loss+ 100000.0 * (~is_in_boxes_and_center)
)

4. SimOTA

采用一种简化版的SimOTA方法，求解近似最优解。这里对应的函数，是get_assignments函数中的self.dynamic_k_matching：

num_fg,gt_matched_classes, gt_matched_ids, pred_ious_this_matching, matched_gt_inds,) 
= self.dynamic_k_matching(cost, pair_wise_ious, gt_classes, gt_ids, num_gt, fg_mask) 

此部分详见深入浅出Yolo系列之Yolox核心基础完整讲解

2.3.4 Loss计算

loss_iou = (self.iou_loss(bbox_preds.view(-1, 4)[fg_masks], reg_targets) # [matched_anchor, 4]
).sum() / num_fg
loss_obj = (self.bcewithlog_loss(obj_preds.view(-1, 1), obj_targets)  # [all_anchor, 1]).sum() / num_fg
loss_cls = (self.bcewithlog_loss(cls_preds.view(-1, self.num_classes)[fg_masks], cls_targets # [matched_anchor, 1] )
).sum() / num_fg

在前面精细化筛选中，使用了reg_loss和cls_loss，筛选出和目标框所对应的预测框。
因此这里的iou_loss和cls_loss，只针对目标框和筛选出的正样本预测框进行计算。
而obj_loss，则还是针对29400个预测框。

参考：
深入浅出Yolo系列之Yolox核心基础完整讲解
目标检测: 一文读懂 YOLOX