路側(cè)視角下基于圖像的多車(chē)輛目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤

摘 要：在車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中，為了提升路側(cè)情況下汽車(chē)對(duì)外界環(huán)境信息的感知能力和對(duì)動(dòng)態(tài)車(chē)輛目標(biāo)行為的預(yù)測(cè)能力，本文提出一種基于改進(jìn)DeepSORT算法的車(chē)輛多目標(biāo)跟蹤算法。本文將YOLOv5作為檢測(cè)器，并結(jié)合優(yōu)化的DeepSORT跟蹤算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)車(chē)輛多目標(biāo)跟蹤。在車(chē)輛特征匹配過(guò)程中，從匹配候選框中不斷去除匹配成功的檢測(cè)目標(biāo)，以減少計(jì)算資源，并利用HOG特征對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行匹配，提升算法的實(shí)時(shí)性。同時(shí)引入投影矩陣，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為俯視圖，獲取檢測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的DeepSORT算法相比，改進(jìn)算法的多目標(biāo)跟蹤精度（MOTA）提高了6.7%。

關(guān)鍵詞：車(chē)路協(xié)同；特征匹配；優(yōu)化DeepSort算法；目標(biāo)跟蹤

中圖分類號(hào)：TP 391 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)是一個(gè)綜合的交通運(yùn)輸管理與服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將復(fù)雜的感知、跟蹤任務(wù)從車(chē)輛轉(zhuǎn)移到道路系統(tǒng)。目前，眾多基于深度學(xué)習(xí)和多傳感器融合的目標(biāo)跟蹤算法得到了廣泛應(yīng)用，常見(jiàn)的跟蹤目標(biāo)算法包括卡爾曼濾波算法和均值漂移算法等，這些算法通過(guò)估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)來(lái)跟蹤目標(biāo)。SORT算法是開(kāi)創(chuàng)性的基于檢測(cè)的多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，但是其在物體被遮擋或快速移動(dòng)的情況下，鑒于ID切換和跟蹤丟失，其準(zhǔn)確性容易受到嚴(yán)重影響。

為了彌補(bǔ)SORT算法的不足，有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了DeepSORT算法[1]。該算法結(jié)合目標(biāo)的視覺(jué)信息，先進(jìn)行IOU相似性合并，為目標(biāo)提供最終的相似性度量，再進(jìn)行級(jí)聯(lián)匹配，在保持出色跟蹤精度的同時(shí)，降低了遮擋情況下ID切換的頻率。金立生等[1]將跟蹤算法中的檢測(cè)器更換為Gaussian YOLOv3，并把原有的交叉熵函數(shù)替換為重識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的中心損失函數(shù)，車(chē)輛特征的提取與跟蹤網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)水平均有所提升。陳佳倩等[2]用YOLOv3代替DeepSORT算法的檢測(cè)器FasterR-CNN，從而提高了車(chē)輛跟蹤精度與速度。本文將YOLOv5作為檢測(cè)器，并結(jié)合優(yōu)化的DeepSORT跟蹤算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)車(chē)輛多目標(biāo)跟蹤。

1 算法總體設(shè)計(jì)

DeepSORT采用匈牙利方法來(lái)解決全局分配問(wèn)題，利用外觀相似性測(cè)量，將每個(gè)檢測(cè)到的目標(biāo)與其預(yù)測(cè)目標(biāo)關(guān)聯(lián)起來(lái)。提高預(yù)測(cè)目標(biāo)和觀測(cè)目標(biāo)間的相關(guān)性，可以使跟蹤更精確和穩(wěn)定，更有效地滿足跟蹤多個(gè)目標(biāo)的需求。算法采用YOLOv5模型進(jìn)行交通流視頻圖像檢測(cè)，將定位檢測(cè)框信息輸入跟蹤算法模塊。并利用優(yōu)化特征匹配后的DeepSORT跟蹤算法，根據(jù)跟蹤規(guī)則進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測(cè)更新和級(jí)聯(lián)匹配，完成目標(biāo)跟蹤。在目標(biāo)跟蹤過(guò)程中引入投影矩陣進(jìn)行圖像坐標(biāo)變換，根據(jù)尺度信息計(jì)算車(chē)輛目標(biāo)的速度、軌跡方向信息。算法總體架構(gòu)如圖1所示。

2 YOLOv5車(chē)輛目標(biāo)檢測(cè)

YOLOv5網(wǎng)絡(luò)包括4個(gè)版本，YOLOv5s是參數(shù)最小、速度最快的網(wǎng)絡(luò)[3]。根據(jù)路側(cè)車(chē)輛識(shí)別算法的實(shí)時(shí)性需求，本文選取YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)作為檢測(cè)的基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括輸入端、特征提取網(wǎng)絡(luò)（Backbone）、特征融合網(wǎng)絡(luò)（Neck）和檢測(cè)頭（Prediction）4個(gè)部分。1）輸入端。YOLOv5s使用Mosaic增強(qiáng)技術(shù)對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，、縮放、裁剪和拼接，豐富了圖像的背景信息。2）特征提取網(wǎng)絡(luò)。YOLOv5s改進(jìn)了YOLOv3中的主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將殘差模塊輸入的一部分與殘差組件保持堆疊，另一部分用作殘差邊，使各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層能夠以截?cái)嗵荻攘鞯姆绞奖苊舛啻螌W(xué)習(xí)相同的梯度信息，從而提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力。為了加快網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)速度，引入Focus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，替代原方法的前3個(gè)卷積層。完成特征提取后引入SPP（空間金字塔池化）結(jié)構(gòu)，以更好地適應(yīng)不同尺度的目標(biāo)。3）特征融合網(wǎng)絡(luò)。YOLOv5s的Neck利用上采樣傳輸和融合上層特征，檢索上層語(yǔ)義信息。為了進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)淺層特征的檢測(cè)能力，YOLOv5的特征融合網(wǎng)絡(luò)引入了特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（Feature Pyramid Networks，F(xiàn)PN）結(jié)構(gòu)。4）檢測(cè)頭。傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的標(biāo)準(zhǔn)全連接層利用卷積層進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，YOLOv5s算法則利用邏輯回歸、邊界框損失函數(shù)和非極大值抑制來(lái)確定目標(biāo)的邊界框[4]。使用DAIR-V2X數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并使用訓(xùn)練后的權(quán)重來(lái)初始化YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)，不斷調(diào)整學(xué)習(xí)率，以保證模型的穩(wěn)定性和收斂效果。

3 改進(jìn)DeepSORT跟蹤算法

DeepSORT主要由卡爾曼濾波和級(jí)聯(lián)匹配組成?？柭鼮V波能夠預(yù)測(cè)當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)真實(shí)觀測(cè)狀態(tài)對(duì)預(yù)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行修正、更新，在檢測(cè)到當(dāng)前幀中的邊界框后，利用卡爾曼濾波器生成預(yù)測(cè)軌跡框。該框?qū)@示目標(biāo)在下一幀中的位置[5]。經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波預(yù)測(cè)后，軌跡路徑分為2種形態(tài)，即確認(rèn)態(tài)和未確認(rèn)態(tài)。如果是確認(rèn)態(tài)，那么會(huì)進(jìn)入級(jí)聯(lián)匹配進(jìn)行匹配；如果是未確認(rèn)態(tài)，那么進(jìn)行IOU匹配，算法流程如圖2所示。

3.1 車(chē)輛跟蹤卡爾曼濾波設(shè)計(jì)

當(dāng)卡爾曼濾波算法應(yīng)用于車(chē)輛跟蹤時(shí)[6]，該算法會(huì)先預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再更新運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本文使用8維向量描述車(chē)輛的狀態(tài)，如公式（1）所示。

Ct=（x，y，γ，h，，，，） （1）

式中：x、y分別為車(chē)輛預(yù)測(cè)軌跡框的中心點(diǎn)坐標(biāo)；γ為車(chē)輛預(yù)測(cè)軌跡框的寬高比；h為軌跡框的高；，，和分別為上述變量的變化速度。

當(dāng)沒(méi)有獲得測(cè)量信息時(shí)，計(jì)算先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)和先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣Pk-，并進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)方程如公式（2）所示。

（2）

獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)后，使用檢測(cè)數(shù)據(jù)更新公式完成數(shù)據(jù)更新，如公式（3）所示。

（3）

式中：為先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)；Pk-為先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣；R為噪聲協(xié)方差矩陣。

計(jì)算得到的后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)即需要的卡爾曼濾波值，進(jìn)而進(jìn)行級(jí)聯(lián)匹配。

3.2 級(jí)聯(lián)匹配優(yōu)化

采用CNN特征的匈牙利匹配，將第一幀中所有預(yù)測(cè)的目標(biāo)框與第二幀中所有檢測(cè)到的目標(biāo)框進(jìn)行匹配。再采用IOU匹配，將第一幀中預(yù)測(cè)的目標(biāo)框與第二幀中所有檢測(cè)到的目標(biāo)框進(jìn)行匹配。最后合并2個(gè)匹配的匹配集。由于要重新匹配已匹配的軌跡，因此這種方法的計(jì)算效率較低。

HOG特征通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像局部區(qū)域的梯度方向直方圖來(lái)構(gòu)成特征，計(jì)算效率高，適用于有實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)景，而且在部分遮擋的情況下也能保持較好的識(shí)別性能。HOG的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括對(duì)輸入圖像進(jìn)行分塊、計(jì)算每個(gè)塊的梯度方向直方圖、歸一化直方圖以及生成最終的特征向量。本文將候選式匹配方式作為新方案，在使用HOG特征匹配剩余的不匹配目標(biāo)之前，采用CNN進(jìn)行目標(biāo)匹配。匹配過(guò)程結(jié)束后，移除匹配成功的檢測(cè)框和跟蹤預(yù)測(cè)框，對(duì)剩下未匹配的預(yù)測(cè)目標(biāo)框和檢測(cè)到的目標(biāo)框使用HOG特征匹配，再次移除匹配成功的檢測(cè)框和跟蹤預(yù)測(cè)框。如果仍有未匹配的目標(biāo)，那么使用基于IOU的匹配策略進(jìn)行最后一次匹配。如果匹配失敗，俺么將其視為新的目標(biāo)軌跡，并分配新的ID編號(hào)，該算法流程如圖3所示。

3.3 方向與速度

在路側(cè)視角下，需要采用一定的角度計(jì)算和圖像變換來(lái)獲得跟蹤車(chē)輛的方向和速度。利用上一幀目標(biāo)和下一幀目標(biāo)的檢測(cè)框中心的連線方向，計(jì)算與路面平行線的夾角，并根據(jù)該角度獲得目標(biāo)此刻的運(yùn)動(dòng)方向。根據(jù)每n幀圖像間經(jīng)過(guò)的時(shí)間和每n幀圖像中同一目標(biāo)的檢測(cè)圖像中心距離，得到當(dāng)時(shí)目標(biāo)的速度。由于車(chē)輛由遠(yuǎn)及近分布，在圖像中呈現(xiàn)出多尺度特征，因此本文引入透視變換矩陣，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為俯視圖，并根據(jù)實(shí)地測(cè)量的道路距離信息，確定其與圖片間的比例尺關(guān)系，用以計(jì)算目標(biāo)的速度。透視變換矩陣如公式（4）所示，轉(zhuǎn)換前、后的圖像如圖4所示。

（4）

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了評(píng)估目標(biāo)跟蹤算法的性能，選取3種測(cè)試場(chǎng)景，見(jiàn)表1。本文利用視頻傳感器采集的路側(cè)數(shù)據(jù)，并基于Pytorch深度學(xué)習(xí)框架，在CPU為i9-13900、RAM為32G和GPU為RTXGPU3060的硬件平臺(tái)上進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

目標(biāo)追蹤效果如圖5所示。從圖5可以看出，從車(chē)輛質(zhì)心點(diǎn)開(kāi)始形成的跟蹤軌跡點(diǎn)顯示出跟蹤目標(biāo)的歷史軌跡，方框顯示出目標(biāo)跟蹤位置，并顯示對(duì)應(yīng)的ID編號(hào)和目標(biāo)速度信息。

統(tǒng)計(jì)3種情況下的交通目標(biāo)數(shù)據(jù)，采用跟蹤準(zhǔn)確率MOTA、跟蹤精確率MOTP和FPS這3種指標(biāo)來(lái)衡量跟蹤效果，數(shù)值越大表明效果越好。3個(gè)不同測(cè)試場(chǎng)景的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

檢測(cè)結(jié)果顯示，對(duì)特征匹配進(jìn)行優(yōu)化后，檢測(cè)實(shí)時(shí)性在3種不同場(chǎng)景下分別提升了4.2Hz、3.6Hz和1.6Hz，與基準(zhǔn)DeepSORT算法相比，MOTA指標(biāo)平均提升了6.7%，MOTP指標(biāo)平均提升了7.4%。

5 結(jié)論

本文在DeepSORT算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)路測(cè)跟蹤系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，改進(jìn)匹配策略，提升檢測(cè)速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，與原始跟蹤算法相比，特征優(yōu)化后的跟蹤算法提高了實(shí)時(shí)性和目標(biāo)跟蹤精確率。

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