TCTrack: Temporal Contexts for Aerial Tracking 리뷰

신희준·2024년 6월 7일

Paper Review

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26/28

Paper : TCTrack: Temporal Contexts for Aerial Tracking (Ziang Cao, Ziyuan Huang, Liang Pan, Shiwei Zhang, Ziwei Liu, Changhong Fu / CVPR 2022)

code: https://github.com/vision4robotics/TCTrack

Highlights

연속되는 frame에 대한 temporal context를 고려한 Visual tracker 제시
Feature extraction에서 활용되는 online temporal adaptive convolution은 이전 frame의 정보를 통해 convolution weight를 매번 조정하여, 이전 프레임의 정보를 활용해 현재 프레임을 강화
Similarity Map Refinement에서 활용되는 adaptive temporal transformer는 이전 프레임에서 temporal knowledge를 효율적으로 encoding하여, target object와 현재 frame이 얼마나 matching되는지를 나타내는 similarity map을 refine

** Temporal Context

Visual tracking에서 Temporal Context란 시간에 따른 frame으로부터 추출되는 정보나 관계를 의미 → 연속되는 frame에서의 변화나 패턴을 활용하여 tracking 정확도 및 robustness를 향상시키기 위함 → 여기서 변화나 패턴이라 함은 아래의 내용들을 의미
- Motion patterns : 하나의 frame에서 다음 frame으로 object가 어떻게 움직이는지 이해하는 것
- Appearance changes : 시간에 따른 light condition이나 occlusion의 변화를 이해하는 것
- Spatial-Temporal relationships : frame 내에서 object와 주변 환경 사이의 관계를 이해하는 것

Introduction

Temporal Contexts for Aerial Tracking

Feature extraction with online TAdaConv

TAdaConv (Temporal adaptive convolution)에서는 temporal context를 고려하여 feature를 추출한다.

기본적으로, $t$ 번째 frame의 input feature $X_t$ 가 주어졌을 때, TAdaConv의 output은 아래와 같다.

\tilde{X_t}=W_t*X_t+b_t

여기서 $W_t$ , $b_t$ 는 temporal weight와 bias인데, standard conv가 학습된 파라미터를 모든 tracking sequence에 똑같이 적용하는 것과 다르게, online conv layer에서는 학습된 파라미터 ( $W_b, b_b$ )와 각 frame마다 다른 calibration factor를 이용하여 파라미터를 재계산한다.

W_t=W_b \cdot\alpha^w_t \\ b_t=b_b \cdot\alpha^b_t

이때, 현재 frame을 포함해 $L$ 개의 이전 frame descriptor $\hat{X}_t \in \mathbb R^C$ 를 포함하는 temporal context queue $\hat{X} \in \mathbb R^{L\times C}$ 를 계속해서 keep하며, 이를 통해 past time의 temporal context를 고려
각 frame descriptor는 각 frame의 feature를 GAP하여 얻어짐 $\hat{X_t}=GAP(X_t)$

\hat{X}=Cat(\hat{X}_t, \hat{X}_{t-1}, ..., \hat{X}_{t-L+1} )

Calibration factor를 생성하기 위해서 temporal context queue $\hat{X}$ 에 두 번의 conv ( $\mathcal F$ )를 적용
Temporal context queue가 이전 frame이 충분하지 않은 $t$ (i.e., $t \le L-1$ )에서는 첫번째 frame descriptor로 채워넣음 (실험에서는 $L=3$ 사용)

\alpha^w_t=\mathcal F_w(\hat{X}) +1 \\ \alpha^b_t=\mathcal F_b(\hat{X}) +1

이렇게, feature extraction process에서 temporal context를 고려한 backbone $\psi_{tada}$ 가 주어졌을 때, $t$ 번째 frame에 대한 similarity map $R_t$ 를 구할 수 있다.

R_t=\psi_{tada}(Z)*\psi_{tada}(X_t)

여기서 $Z$ 는 template (template은 우리가 track하고자 하는 물체를 의미하는 것 같음 overview figure에서 $T$ 확인 )을 의미하고, $*$ 연산은 depth-wise correlation을 의미
이후 한번 더 conv layer를 거쳐 $F_t$ 를 얻을 수 있다. $F_t=\mathcal F(R_t)$

AT-Trans는 temporal context를 고려하여 feature extraction process에서 얻어진 similarity map을 refinement

AT-Trans는 encoder-decoder 구조
Encoder는 temporal knowledge를 결합하는 데 집중하고, Decoder는 similarity를 refine하는데 집중

Multi-head attention revisited

Multihead(Q,K,V)=(Cat(H^1_{att},...,H^N_{att})W \\ H^n_{att}=Attention(QW^n_q, KW^n_k, VW^n_v) \\ Attention(Q,K,V)=Softmax(QK^T/\sqrt{d})V

d는 scale factor
$W \in \mathbb R^{C_i \times C_i}, W^n_q , W^n_k,W^n_v \in \mathbb R^{C_i \times C_h}$
N은 head 수 (AT-Trans에서는 6)
$C_h=C_i / 6$
Transformer는 CNN에 비해서 global context 정보를 더욱 효율적으로 encoding할 수 있음
특히 AT-Trans에서는 temporal knowledge의 online update strategy를 사용하여 불필요한 연산을 제거

Transformer Encoder

AT-Trans의 encoder는 current similarity map $F_t$ 와 이전 knowledge $F^m_{t-1}$ 를 결합하여 temporal prior knowledge $F^m_t$ 를 생성
두 번의 MHA, Temporal information filter, 그리고 한번의 MHA를 더 거쳐서 생성
temporal prior knowledge을 query로, current similarity map를 value로 사용해 attention block에 대입

→ current similarity map에 더욱 중요도를 부여한다고 함
즉, $t$ 번째 frame의 stacked MHA layer output $F^2_t$ 는 아래와 같이 구해진다.

F^1_t=Norm(F_t+MultiHead(F^m_{t-1}, F_t, F_t)) \\ F^2_t=Norm(F^1_t+MultiHead(F^1_{t}, F^1_t, F^1_t))

다음으로, aerial tracking은 motion blur나 occlusion때문에 덜 중요한 정보들이 포함되는 경우가 많으므로, 이러한 정보를 filtering해주기 위해 feed-forward network를 활용한다.

F^f_t=F^2_t+\mathcal F(Cat(F^2_t,F^1_t))*\alpha \\ \alpha =FFN(GAP(\mathcal F(F^1_t)))

마지막으로 MHA를 한번 더 적용해서 $t$ 번째 frame의 temporal knowledge를 구할 수 있다.

F^m_t=Norm(F^f_t+MultiHead(F^f_t,F^f_t,F^f_t))

이렇게하면, temporal knowledge를 모두 저장하지 않고, 각 frame마다 매번 update할 수 있고, memory를 절약할 수 있다.
추가적으로, tracking sequence의 첫번째 frame의 similarity map은 target object의 semantic feature에 대한 정보를 잘 담고 있을 것이라는 가정 하에, initial temporal prior는 initial similarity map $F_0$ 에 conv를 적용하여 구한다.

F^m_0=\mathcal F_{init}(R_1)

Transformer Decoder

Decoder는 temporal prior knowledge를 가지고, similarity map을 정제한다.
현재 spatial feature $F_t$ 와 prior knowledge $F^m_t$ 의 interrelation을 고려하기 위해서 2개의 MHA와 FFN을 활용
Attention을 통해 prior knowledge에서 유용한 정보만을 추출해서 similarity map을 정제할 수 있음
그러면 최종 output은 아래와 같이 구할 수 있다

F^3_t=Norm(F_t+MultiHead(F_t,F_t,F_t)) \\ F^4_t=Norm(F^3_t+MultiHead(F^3_t,F^m_t,F^m_t)) \\ F^*_t = Norm(F^4_t+FFN(F^4_t))

AT-Trans의 encoder-decoder 구조는 temporal context가 더욱 효율적으로 활용될 수 있도록하여 similarity map을 더 robust하고 accurate하게 만들어 준다.

Result

Real-world Tests

NVIDIA Jetson AGX Xavier + Pixhawk
RAM Usage : 15.29%
GPU VRAM usage : 3 %
utilization of GPU : 46%
utilization of CPU : 12.43%

Real-world test에서 challenges
- illumination
- scale variation
- occlusion
- motion blur
- low-resolution scenes

→ TCTracker는 다양한 문제에 대해서 robust

→ 27 FPS로 작동

Discussion

Tracking sequence frame들의 temporal context를 활용한다는 점이 매우 자연스럽게 느껴지고, 이러한 context를 활용하여 conv weight를 online으로 calibration하는 것과 attention을 활용해 target object에 대한 similarity map을 refine 한다는 점에서 novelty가 있다.
특히 real-time으로 작동한다는 점이 가장 큰 장점 중 하나인데, 성능이 더 좋은 detection backbone을 사용했을 때도 real-time으로 작동할 수 있는지 확인이 필요할 것 같다.
Similarity map을 구하는데 사용되는 template feature는 target object image의 feature로 initialize되는데, 이 target object의 template feature를 어떻게 설정하는 가에 따라서도 성능 차이가 많이 날 것 같다. (→ 이 부분은 자세하게 설명이 되어있는 것 같지는 않아서 코드 조금 확인)

Code analysis

이해를 조금 더 보충하기 위해 코드 확인

Initialization of tracker

for idx, (img, gt_bbox) in enumerate(video):
    tic = cv2.getTickCount()
    if idx == 0:
        cx, cy, w, h = get_axis_aligned_bbox(np.array(gt_bbox))
        gt_bbox_ = [cx-(w-1)/2, cy-(h-1)/2, w, h]
        tracker.init(img, gt_bbox_)
        pred_bbox = gt_bbox_
        scores.append(None)
        if 'VOT2018-LT' == args.dataset:
            pred_bboxes.append([1])
        else:
            pred_bboxes.append(pred_bbox)
    else:
        outputs = tracker.track(img,hp)
        pred_bbox = outputs['bbox']
        pred_bboxes.append(pred_bbox)
        scores.append(outputs['best_score'])

영상에서 첫번째 frame의 img와 이때 gt bounding box를 활용해서 tracker를 initialize

tracker.init(img, gt_bbox_)

tracker.init 에서는 bounding box 좌표를 활용해 image의 target object 부분을 crop하고 model의 template으로 등록

def init(self, img, bbox):
      """
      args:
          img(np.ndarray): BGR image
          bbox: (x, y, w, h) bbox
      """
      self.image=img
      
      
      self.center_pos = np.array([bbox[0]+(bbox[2]-1)/2,
                                  bbox[1]+(bbox[3]-1)/2])
      
      
      self.size = np.array([bbox[2], bbox[3]])
      # calculate z crop size
      w_z = self.size[0] + cfg.TRACK.CONTEXT_AMOUNT * np.sum(self.size)
      h_z = self.size[1] + cfg.TRACK.CONTEXT_AMOUNT * np.sum(self.size)
      s_z = round(np.sqrt(w_z * h_z))
      self.scaleaa=s_z

      # calculate channle average
      self.channel_average = np.mean(img, axis=(0, 1))

      # get crop
      z_crop = self.get_subwindow(img, self.center_pos,
                                  cfg.TRACK.EXEMPLAR_SIZE,
                                  s_z, self.channel_average)
      self.template=z_crop

  

      s_x = s_z * (cfg.TRACK.INSTANCE_SIZE / cfg.TRACK.EXEMPLAR_SIZE)
      
      x_crop = self.get_subwindow(img, self.center_pos,
                                  cfg.TRACK.INSTANCE_SIZE,
                                  round(s_x), self.channel_average)
      
      self.model.template(z_crop,x_crop)

z_crop : target object의 reference template을 의미
x_crop : network의 search region을 의미
self.model.template에서는 backbone으로부터 feature를 추출하고, 이를 template으로 등록

def template(self, z,x):
    with t.no_grad():
        zf,_,_ = self.backbone.init(z)
        self.zf=zf

        xf,xfeat1,xfeat2 = self.backbone.init(x)   
        
        ppres=self.grader.conv1(self.xcorr_depthwise(xf,zf))

        self.memory=ppres
        self.featset1=xfeat1
        self.featset2=xfeat2

Initial temporal prior는 initial similarity map에 conv를 수행하여 도출

 ppres=self.grader.conv1(self.xcorr_depthwise(xf,zf))

self.memory가 temporal prior knowledge를 의미
self.backbone.init은 backbone network로부터 feature 뽑는 것
self.temporalconv layer는 TAdaConv layer로, 두번째 인자로 추출되는 feat은 calibration weight, bias 정보를 포함

def init(self, xset):
    xset = self.block1(xset)
    
    xset = self.block2(xset)
    
    xset = self.block3(xset)

    xset=xset.unsqueeze(1)
    xset,feat1 = self.temporalconv1.initset(xset)
    
    xset = self.b_f1(xset)
    
    
    xset=xset.unsqueeze(1)
    xset,feat2 = self.temporalconv2.initset(xset)
    
    xset = self.b_f2(xset)		
    		
    return xset,feat1,feat2

Inference flow

tctrackplus_tracker.py
- input image에서 이전 center_pos 기준으로 Instance_size만큼 crop한 x_crop이 실제 network input
- x_crop으로부터 bbox를 예측하고 원본 이미지에서 bbox를 다시 계산
- center_pose 및 size를 업데이트

def track(self, img,hp):
    """
    args:
        img(np.ndarray): BGR image
    return:
        bbox(list):[x, y, width, height]
    """

    ## --> 
    # img로 부터 x_crop 추출
    ###
    
    ...
    
    x_crop = self.get_subwindow(img, self.center_pos,
                                cfg.TRACK.INSTANCE_SIZE,
                                round(s_x), self.channel_average)
		##
		# track inference
		###

    outputs = self.model.track(x_crop)
    
    ## 
    # 결과 추출 및 post-processing
    ###
    
    ...
    
    cx = bbox[0] + self.center_pos[0]
    cy = bbox[1] + self.center_pos[1]
    
    ...
    
    ##
    # udpate state
	  ###
    self.center_pos = np.array([cx, cy])
    self.size = np.array([width, height])
    
    bbox = [cx - width / 2,
            cy - height / 2,
            width,
            height]

    best_score = score[best_idx]

    return {
            'bbox': bbox,
            'best_score': best_score,
           }

self.model.track() → model_builder.py

def track(self, x):
    with t.no_grad():
        
        xf,xfeat1,xfeat2 = self.backbone.eachtest(x,self.featset1,self.featset2)  
                    
        loc,cls2,cls3,memory=self.grader(xf,self.zf,self.memory)
                    
        self.memory=memory
        self.featset1=xfeat1
        self.featset2=xfeat2
        
    return {
            'cls2': cls2,
            'cls3': cls3,
            'loc': loc
           }

backbone으로부터 feature 추출
self.grader로 output 추출
self.memory, self.featureset update
self.grader() → utile.py (AT-Trans 부분인 듯)

def forward(self,x,z,ppres):
        
    res3=self.conv2(self.xcorr_depthwise(x,z))
    
    b,c,w,h=res3.size()
    memory,res=self.transformer((res3).view(b,c,-1).permute(2, 0, 1),\
                         (ppres).view(b,c,-1).permute(2, 0, 1),\
                         res3.view(b,c,-1).permute(2, 0, 1))

    res=res.permute(1,2,0).view(b,c,w,h)
    
    loc=self.convloc(res)
    acls=self.convcls(res)

    cls1=self.cls1(acls)
    cls2=self.cls2(acls)

    return loc,cls1,cls2,memory

해당 frame의 feature x와 z의 correlation 후 ( $R_1$ ) conv → similiarity map $F_1$
ppres 는 memory = temporal prior knowledge
similiarity map과와 memory를 transformer에 입력하여 다음 memory와 final feature 추출 (memory는 encoder에서 나오고, feature는 decoder에서 나옴)
final feature를 최종 loc, cls conv에 넣어 output 추출