视频目标跟踪研究背景介绍

     近年来，随着大数据、云计算、人工智能等领域日新月异的发展及交互融合，智慧电商、智慧交通、智慧城市等概念越发受到关注。随着人们对更智能、更便捷、更高质量生活的向往，同时伴随着重大的学术价值和广阔的商业前景，众多高校、科研机构、政府部门均对相关产业投入了大量的人力、物力和财力。人工智能，被喻为新时代工业革命的引擎，正在悄然渗入到各行各业并改变着我们的生活方式。计算机视觉是人工智能领域的重要分支，旨在研宄如何让计算机像人类视觉系统一样智能地感知、分析、处理现实世界。以图像和视频为信息载体的各项计算机视觉算法，早己渗透到大众的日常生活中，如人脸识别、人机交互、商品检索、智能监控、视觉导航等。视频目标跟踪技术，作为计算机视觉领域中基础的、重要的研宄方向之一，一直是研宄人员的关注热点。

     视频目标跟踪要求在已知第一帧感兴趣物体的位置和尺度信息的情况下，对该目标在后续视频帧中进行持续的定位和尺度估计Ｗ。广义的目标跟踪通常包含单目标跟踪和多目标跟踪。两者既有差别又有紧密的联系。多目标跟踪算法主要包括目标检测和轨迹关联，以确保同一个物体在视频中获得固定的、唯一的数字标识。多目标跟踪通常限定在目标类别已知的场景中，如多行人、多车辆的视觉跟踪。因此，多目标跟踪算法高度依赖现成的目标检测器。物体检测的质量直接关系到后续的多目标轨迹关联。不同地，单目标跟踪算法要求处理任意类别的物体，即不知道任何关于目标的先验信息。虽然前提条件略有差异，但正如其名，单目标跟踪与多目标跟踪都紧紧围绕着视频中的物体识别与跟踪，因而在外观建模、运动分析、轨迹关联等技术细节上有紧密的关联。如何将单目标跟踪技术应用于多目标跟踪领域也被广泛研宄。因此，研究经典的、通用的单目标跟踪任务对于整个跟踪领域的发展有重要意义

     随着计算机运算性能的突飞猛进、高性能摄像终端的广泛普及、以及视频分析需求的与日俱增，目标跟踪算法应用范围愈发广泛，落地需求愈加强烈。实现一个可以精准地、稳健地、快速地执行目标定位的高效视觉跟踪系统是目前不懈努力的技术方向＝近年来，在国内外大量学者的努力研宄下，该方向已经取得了突飞猛进的进展，但同时仍存在许多亟需解决的问题，例如如何应对跟踪过程中目标的形变、模糊、旋转、遮挡、超出视野等。随着深度模型如卷积神经网络（ＣｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ，ＣＮＮ）等的应用，以及ＧＰＵ设备带来的计算效率的巨大跃升，目标跟踪技术受益于更鲁棒的特征表达以及端到端的模型训练，已经在速度和精度方面渐渐接近了人们在实际生活中的应用需求。视频目标跟踪作为一个中低层的视觉分析任务，对众多其它视觉任务具有良好的辅助作用，如协助视频目标检测、视频目标分割、视频行人重识别等。在实际应用场景中，如图下图所示，目标跟踪的应用包括但不局限于以下方面：

（１）安全监控：安全监控需要对特定区域中的行人及物体进行持续的检测和跟踪，以便及时发现行人的异常行为或场景中的安全隐患。安全监控广泛应用于日常生活的各个角落，如学校、银行、超市、火车站、停车场、办公楼以及街道路口等。智能监控通过对可疑行人的识别、跟踪、以及更高层面的语义理解，自动分析并预警，提高效率的同时极大地减轻了人们的工作负担。

（２）城市交通：伴随着现代城市巨大的车流量、人流量、遮挡建筑物等，城市交通场景的分析任务复杂且繁重。利用视频目标跟踪技术，对行人轨迹、违章车辆、超速驾驶、车流密度等进行实时监控，为进一步的场景分析、秩序维护、智能调度提供便利，节约人力物力。

（３）人机交互：随着计算机设备的智能化提升、虚拟现实等技术的成熟，人们不再仅仅满足于传统的机械式人机交互（如使用鼠标、键盘），如何与智能设备更便捷地进行沟通显得愈发重要。摄像头准确、高效地捕捉并持续跟踪用户的眼神、表情、手势以及姿态是人机智能交互的第一步，而这离不开目标跟踪技术的支持。

（４）军事领域：视觉跟踪技术在现代战争中一直扮演着重要角色。随着现代战争武器的自动化部署，电光火石的交锋已经远远超出了人类感知的极限。视觉跟踪技术在导弹制导、火炮控制、武器观测瞄准、无人机侦察等领域发挥着举足轻重的作用。结合视觉感知并辅以多元信息（如激光和雷达）融合的跟踪技术一直是军事研宄的热点。

（５）自动驾驶：自动驾驶需要车辆对周围的场景进行实时的感知和分析。毋庸置疑，视觉跟踪技术在其中发挥着重要作用。通过摄像头对周围环境中的目标进行持续的跟踪定位，为无人车的路况分析、智能导航、行驶决策等提供了重要信息，保障交通顺畅，减少事故发生。

（６）医疗诊断：视觉跟踪技术为智慧医疗提供了坚实的保障并促进其发展。例如，使用跟踪技术标记特定的细胞、蛋白质等，通过对其进行跟踪和轨迹分析，辅助医生进行疾病诊断和医疗救治。通过内窥镜等设备的跟踪和轨迹控制，精准地掌握病人情况。此外，跟踪技术也用于对特定患病部位的持续追踪和对比，为疾病动态检测提供了极大便利。      此外，目标跟踪技术也在视频编辑、三维重建、机器人、机械自动控制等领域发挥着重要作用。