多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

王 巖，崔永濤，陳 偉

（解放軍31108 部隊(duì)，南京 210016）

1 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（dataassociation）是將不確定性觀測與軌跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的本質(zhì)在于將單個或者多個傳感器捕捉的數(shù)據(jù)Zi（i=1，2，...，N），同已確定j 個軌跡進(jìn)行配對，也就是傳感器測量數(shù)據(jù)構(gòu)成了集合i，集合中所有數(shù)據(jù)來自于一個目標(biāo)的概率趨近于1。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是多傳感器信息融合的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用于航跡起始、集中式目標(biāo)跟蹤和分布式目標(biāo)跟蹤。

分為以下三種情況：

（1）觀測同觀測、點(diǎn)跡之間相互關(guān)聯(lián)：展開航跡目標(biāo)位置以及起始位置的觀測。

（2）觀測和航跡之間相互關(guān)聯(lián)：用于目標(biāo)狀態(tài)的更新。

（3）航跡與航跡關(guān)聯(lián)：用于航跡融合，局部航跡形成全局航跡。

2 多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

處于無雜波的單目標(biāo)條件下，和目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的波門只含有一個點(diǎn)跡，和跟蹤問題相關(guān)。處于多目標(biāo)環(huán)境中，若出現(xiàn)單點(diǎn)跡進(jìn)入波門相交區(qū)域，或者多點(diǎn)跡在單目標(biāo)波門中，則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題。出現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題，意味著一個時刻雷達(dá)量測的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，從而確定量測數(shù)據(jù)是否來源于一個統(tǒng)一的目標(biāo)。最典型的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法有三種，第一種是最近鄰域算法，第二種概率數(shù)據(jù)算法，第三種是聯(lián)合概率算法，其中PDA、JPDA都是首先對當(dāng)前時刻不同的確認(rèn)量測來自目標(biāo)的正確概率進(jìn)行計(jì)算，然后利用這些概率進(jìn)行加權(quán)以獲得目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)，其不同之處在于JPDA 主要針對密集目標(biāo)環(huán)境，需要考慮多條航跡對同一量測有競爭的情況下互聯(lián)概率的計(jì)算。

2.1 最近鄰域法

使用最近鄰域法進(jìn)行計(jì)算，先要對跟蹤門進(jìn)行設(shè)置要求初步篩選獲得候選回?fù)?，對判別數(shù)量加以限制。跟蹤門作為子空間，中心位置設(shè)置在預(yù)測跟蹤目標(biāo)的位置上，設(shè)計(jì)跟蹤門大小要保證按照概率對正確回波接收，量測落入跟蹤門，即作為候選回波。如果只有一個量測落入波門，量測值可以應(yīng)用于更新航跡路線。若超過一個回波落入波門，還需要確定距離值最小的回波，將其當(dāng)做是目標(biāo)回波。最近鄰域法具有計(jì)算流程簡單的優(yōu)勢，但是處于多回波的環(huán)境中，和目標(biāo)預(yù)測位置最近距離的回波未必是正確的目標(biāo)回波，這種方法更加適合用于稀疏回波條件跟蹤中，可以完成非機(jī)動目標(biāo)的跟蹤。

2.2 概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法（PDA）

使用概率數(shù)據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算，要考慮到全部候選回波，由于相關(guān)情況不同，對回波的計(jì)算還需依賴于目標(biāo)概率數(shù)據(jù)，使用概率數(shù)據(jù)值加權(quán)處理波門回波，加權(quán)候選回波，當(dāng)作等效回波，使用等效回波更新目標(biāo)狀態(tài)。這種算法屬于次優(yōu)濾波算法，在使用上相對簡單，經(jīng)過分解量測最新值，能夠讓跟蹤問題得到妥善處理。分解最新量測之后，單雷達(dá)的單目標(biāo)得到有效跟蹤，即使處于雜波的復(fù)雜環(huán)境中，也能處理目標(biāo)跟蹤問題，處理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題。

2.3 聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法（JPDA）

聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法與PDA 類似，也是基于確認(rèn)門內(nèi)的所有量測為其計(jì)算一個加權(quán)殘差用于航跡更新，不同之處在于波門有著不同目標(biāo)，且出現(xiàn)重疊區(qū)域，這時回波落入重疊區(qū)域，必須要對量測目標(biāo)來源展開全面考量，互聯(lián)概率的計(jì)算要注意到多航跡競爭作用，競爭出現(xiàn)勢必需減少加權(quán)值，實(shí)現(xiàn)其他目標(biāo)針對量測進(jìn)行競爭。處于雜波環(huán)境下，對于多個目標(biāo)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在處理目標(biāo)跟蹤問題上十分困難，若跟蹤的目標(biāo)波門沒有重疊，或者回波沒有落入重疊位置，處理多目標(biāo)數(shù)據(jù)相對簡單，可以簡化成處理計(jì)算多個單目標(biāo)關(guān)聯(lián)，將復(fù)雜問題簡單化處理。

3 關(guān)于TrackingByDetecting 的多目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)流程

3.1 一些預(yù)備知識點(diǎn)：關(guān)于多目標(biāo)跟蹤的實(shí)現(xiàn)方式一般為

TrackingByDetecting

Step1：使用目標(biāo)檢測算法將每幀中感興趣的目標(biāo)檢測出來，得到對應(yīng)的（位置坐標(biāo)，分類，可信度），假設(shè)檢測到的目標(biāo)數(shù)量為M。

Step2：通過某種方式將Step1中的檢測結(jié)果與上一幀中的檢測目標(biāo)（假設(shè)上一幀檢測目標(biāo)數(shù)量為N）一一關(guān)聯(lián)起來。換句話說，就是在M*N 個Pair 中找出最像似的一對組合。

檢測算法有很多種，你可以用到目前比較火的深度學(xué)習(xí)的Faster-RCNN 算法來檢測目標(biāo)，也可以使用傳統(tǒng)的方法來對多目標(biāo)進(jìn)行檢測。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法也有很多種：（數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)需要把前后兩幀的bbox 顏色，ID 對應(yīng)起來，不是簡單的檢測出目標(biāo)）

（1）常見的計(jì)算兩幀中兩個目標(biāo)之間的歐幾里得距離（平面兩點(diǎn)之間的直線距離），距離最短就認(rèn)為是同一個目標(biāo)，然后通過匈牙利算法找出最匹配的Pair。（2）使用IOU 進(jìn)行計(jì)算，如果前后幀的boundingbox 的交并比接近1，則證明前后兩幀的這個檢測目標(biāo)是同一目標(biāo)，就能關(guān)聯(lián)起來。

但單純利用前后幀的目標(biāo)檢測，然后再將前后幀的檢測到的目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)會遇到一點(diǎn)問題。

3.2 所以我們需要解決當(dāng)目標(biāo)物體運(yùn)動時，物體追蹤會失敗的問題。所以提出來了基于軌跡預(yù)測的跟蹤方式；

基于軌跡預(yù)測的跟蹤方式的核心思想是：

使用faster-RCNN（或其他檢測算法）檢測第一幀的目標(biāo)--＞將檢測的目標(biāo)經(jīng)過卡爾曼濾波預(yù)測下一幀的軌跡狀態(tài)（u，v，r，h）--＞再使用faster-RCNN 檢測第二幀的目標(biāo)--＞將檢測到的第二幀目標(biāo)與預(yù)測的軌跡狀態(tài)進(jìn)行配對，（例如如果兩者IOU 接近1，則代表上幀目標(biāo)與此幀對應(yīng)成功）。

重復(fù)此過程，其中：faster-RCNN 用于幀幀檢測目標(biāo)，卡爾曼濾波用于預(yù)測。匈牙利算法（或IOU 等方法）用于前后幀數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。這樣再回到之前說過的因?yàn)槟繕?biāo)前后幀運(yùn)動過快，導(dǎo)致使用傳統(tǒng)的TrackingByDetecting 會導(dǎo)致最終匹配失敗。但是基于軌跡預(yù)測能夠很好的解決這個問題，有了這個預(yù)測，就能將下一幀預(yù)測的目標(biāo)狀態(tài)與下一幀的檢測出來目標(biāo)進(jìn)行對比關(guān)聯(lián)，能夠發(fā)現(xiàn)我下一幀檢測出來的這個目標(biāo)對應(yīng)上一幀的目標(biāo)是哪個；就能將兩幀分別檢測出來的目標(biāo)聯(lián)系起來。