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胡大鹏博士解析:跨镜追踪(Re-ID)技术的出现、、、、发展及应用


2018-10-30

2017年11月,,旷视研究团队发表文章,,,,称其在行人再识别(ReID)技术开发方面取得重大进展,,,通过一种新方法的运用,,,,使机器在ReID上首次超越人类表现。。。。


2018年4月,,,,云从科技也宣布在这一领域取得突破,,称其在Market-1501, CUHK03, DukeMTMC-reID这三个最权威的衡量ReID技术的数据集上,,,,相关核心指标均刷新了相关记录,,,在Market-1501上的首位命中率(Rank-1 Accuracy)达到96.6%,,,打破了阿里iDST在2018年1月创造的世界纪录。。。


2018年10月,,利通生物行人再识别技术()的精准度已经突破97.1%,,刷新了业内已知的最高纪录!!作为一家以Re-ID视频结构化技术和应用为核心的计算机视觉科技公司,,,在Market 1501、、、、DukeMTMC-reID、、、、CUHK03这三个衡量Re-ID技术最通用的数据集测试中,,获得了巨大突破。。。

在Market 1501上的首位命中率(Rank-1 Accuracy)已经达到97.1%,,超越人眼识别能力(94%),,,,领先头部厂家,,,,并刷新了今年4月公布的96.6%的世界纪录。。。同时在CUHK03,,,,Duke MTMC-reID两个数据集上也刷新了之前业内最高纪录,,,,达到了行业state of the art的技术水平,,特别是在CUHK03数据集上,,Rank 1指标提高了10.7%。。。。


我们不难发现,,,,近年来业界领先的AI公司,,均在大力投入进行ReID技术开发研究,,,,其根本原因,,在于ReID技术的潜在商业价值已得到行业巨头们的广泛认可。。那么,,ReID究竟是一种怎样的技术,,,,它经历了怎样的发展,,,,又将如何在商业应用上大展身手呢??


对此,,,,苏州利通生物视觉科技股份有限公司CTO胡大鹏博士,,,,在香港人工智能中心撰写了如下文章,,,,对ReID技术的出现、、、发展、、难点、、方向,,,,和人脸识别、、、视频结构化、、、、计算机视觉学的关系,,,,以及利通生物公司在ReID技术层面的研究方向、、成果等,,,,进行了深入浅出、、生动直观的阐述。。


胡大鹏,,,,香港科技大学计算机科学博士。。历任微软亚研院博士后研究员、、、香港中文大学研究员、、、香港科技大学助理教授。。。。曾任ASTRI(香港应用科学研究院) 首席研究员,,,,在机器视觉技术产业转化和应用开发方面有着丰富经验。。。。


胡大鹏 利通生物CTO

胡大鹏 利通生物CTO


ReID的出现:为“跨镜找人”而生


ReID 由以往没有太多人留意到现在开始有产品上的应用,,,,经历了一段非常漫长的时间。。。由于最早期完全依赖于传统计算机视觉或机器学习的技术,,所以基本上没有明显的突破。。。ReID 本身是一个非常难的问题,,,它是要从不同的视频之中,,把同一个人识别出来。。。。不同视频的光照条件、、、感兴趣区域的分辨率、、、、角度的不同、、遮挡普遍发生、、、穿着相近衣服的人等等,,,,都会造成识别的困难。。。。


ReID与人脸识别:产品化道路更曲折


首先,,,,ReID 跟人脸识别,,,,有着一个最大的不同。。。。人脸的特征一般是有比较、、、有唯一性,,而 ReID 在这一块是完全无法比拟的。。。特征的唯一性愈高,,单靠这个特征去查找或定义一个人就会愈准确,,,也愈容易。。。所以,,,即使以往没有深度学习技术,,,人脸识别仍是可以做到一个很高水平的状态。。当然,,,引入了深度学习之后,,,,人脸识别这一块甚至超越人类。。。。


胡大鹏博士解析:ReID技术的出现、、、发展及应用


但 ReID 则是一个完全不同的问题,,,因为它的特征唯一性不高,,同时有很多环境及外在因素影响着。。先不讨论行人的衣服换了怎么办,,,即使行人没换衣服,,,,当你走进金融商业区,,,,满街都是西装上班族,,,,即使你不懂什么是特征向量,,,我相信你用肉眼也无法在远处从一群人之中把一个人精准找出来。。


跨镜追踪ReID 就是在面对着这样的一个问题:监控摄像头挂在远处,,,,看到一大堆行人自由移动,,,多个摄像头架在不同的地方看着不同的区域,,,,区域之间一般没有重叠,,,而ReID的目标,,,就是要把同一个行人在不同的摄像头内,,,重识别出来。。。


这样的任务,,在深度学习成为主流之前,,接近不可能。。。。所以,,,,在学术圈之中,,,论文成果都是倾向于 proof-of-concept 而无法产品化。。直到深度学习出现之后,,所能提取的特征唯一性大大地提高了,,才有了产品化的可能。。。


ReID  视频结构化  计算机视觉学


市场需求的出现,,对ReID 的发展产生了最为重要的推动作用。。。。当目标检测、、分类、、、、跟踪等技术都达到一定水平之后,,结构化这个课题,,,,在这三年间高度火热。。。结构化其实并不是一件新事物,,,在几十年前,,,,计算机视觉学的学者本来就是有这个愿景。。他们希望透过计算机视觉学的技术,,把图片/视频内的东西完全分析并利用人工智能来理解场景内容。。。。当中,,,,分析的部分,,,就是结构化的广义说法。。计算机视觉学的存在,,,本来就是为了这件事情,,只是,,,,因为每一个单一问题在以前看来都是极其困难的,,所以才产生了不同的专门科目去针对性解决单一问题。。。


胡大鹏博士解析:ReID技术的出现、、、发展及应用


直至深度学习的出现,,,,把很多以前无法做好的问题都做好了,,,计算机视觉学才不知不觉的回归到其原点来:整个视频的主要内容都能分解并被结构化起来。。不过,,,当我们面对着如此之多的数据,,另外的一些问题也产生了。。首先,,,,数据量本身已经太大,,而重复量更大,,,资料之间即使有关连性,,,,也无法自动配上。。。。其次,,,,当需要查找资料时,,,,发现根本无从着手。。要解决这些问题,,,其中一个有效的方法就是:ReID。。。


ReID:  让监控获得“大局观”


ReID 全写是 Re-identification,,,顾名思义,,,就是把物件重新辨认或识别出来。。。对于监控领域来说,,,,刚才提到的两个问题,,,引申出来在实际应用上,,,就是希望把不同视频内的物体关联起来,,,并可以透过有效的方法把物体找出来。。。解决前者,,,,一、、、能减少物件重复性;二、、能改善跟踪;三、、能分析物体在区域内的行动路径;四、、能分析个体之间的互动关系。。。解决后者,,,能够在海量的数据之中有效地把某人提取出来。。这些都是监控行业多年以来的需求,,能做到这样,,,整个监控操作才完整,,,才能看到大局。。。


ReID现状:不完美之下,,,,以应用创新


然而,,到目前为止,,,,跨镜追踪ReID技术仍然是不完美的,,它最终的目的是要能达到 1-to-1 匹配的状态。。可是,,,实际上是有误差的,,而且,,这个误差比起人脸识别技术上的要大得多,,,,主要原因,,,,便是前述的唯一性问题。。。另一个则是速度上的问题,,,要在产品上应用,,,快是必须的。。。。在不完美之下,,把技术应用到产品上,,,,就要花很多功夫做应用创新。。


与其他顶尖的同行一样,,,利通生物成立了自己的研究院(香港AI研究院),,并投入了大量资源进行研究,,在实际产品上,,各方面的数据与同行各占优势。。。因为历史因素,,利通生物的团队作业其实更为紧密,,即使在单一算法上有不完美的地方,,也能在整体全局之下产生优化。。。。例如,,检测、、、跟踪、、、特征提取等等环节,,,,是互相紧扣而全局优化的。。。。


胡大鹏博士解析:ReID技术的出现、、发展及应用


典型的研究团队,,,其小组们都是各自做好自已的算法,,,在某一数据内刷出最高准确度。。但这样的话,,当算法拼在一起时,,,效能很多时候并不如理想。。利通生物的观点始终是,,,,单一算法需要做好的同时,,,我们也同样重视产品的最终形态,,,,毕竟,,这才是用户真正能接触到的部分,,,,也决定了产品的实用性。。。算法团队成员之间的认真沟通、、、算法团队与工程团队之间紧密合作、、、算法与算法之间的磨合、、、、算法与工程之间的磨合,,,,加起来,,,,才会是利通生物的产品。。


因为算法都是互相协同的,,利通生物的跨镜追踪 (Re-ID) 技术可以在、、、图侦综合实战平台、、、、、、等系统上真正用起来。。。利通生物的所有技术,,,包括了 ReID 技术,,,,都是自己原创研发,,,,技术上我们参考了现时最新的技术并从中再突破,,,,而方向则是清晰无误地要以落地为优先。。。


胡大鹏博士解析:ReID技术的出现、、、、发展及应用


ReID之生成:两种基本算法


说起“行人再识别”,,,,也即Person Re-identification,,最大的难点在于,,,行人是非刚体。。。。意思是,,人不像汽车那样,,,,从任何角度任何时间上看都是同一个型态。。当人在走路时,,手和脚都在摆动,,,还往往伴随有其他动作。。。。


面对这个问题,,,一般方法是把人的身体划分成不同部分,,以不同的方法把这些部分检测出来,,,并进行局部特征提取。。。。可是,,,,任凭你怎样细化划分,,,该部分也会有某程度上的非刚体特性,,,,这样仍是会对算法造成干扰。。。


另一种比较准确的方法是考虑对齐,,,就是说,,把两张将要比对的图片,,,,以某种方法先对齐好,,例如相同的头部位置和脚部位置,,,并在匹配时只考虑有用的部分。。。当然,,,说起来是这么简单,,实际算法要做到这回事是一件进阶的事情,,,因为这部分一般会内嵌到神经网络。。


除此之外,,,,业界一般会附加一些网络设计技巧再提高特征提取的准确度,,例如使用多分支多任务网络,,而最后再用 re-ranking来进一步提升准确度。。。


利通生物ReID算法创新:基于注意力架构的深度神经网络方案


利通生物所用的方法,,概念上相近,,,都是尽可能考虑最重要的部分进行特征提取及比对。。然而,,,我们提出基于注意力架构模型的深度神经网络方案来实现行人ReID。。。与传统的全局表征或设定好的局部分割不同,,,我们设计的主躯干网络不要求躯干位置的标注,,,,模型能够从浅层视觉到高层语义的不同空间内自动捕捉关键区域,,,,挖掘多尺度的注意力特征,,自动实现行人肢体(如面部,,上身及下身)的特征融合,,,,对于姿态改变以及空间变化有着很好的鲁棒性,,,,有效的完成行人搜索工作。。


胡大鹏博士解析:ReID技术的出现、、发展及应用


在利通生物在实际的产品则试时,,发现即使不使用 re-ranking,,对于 Market-1501 数据库,,,,top-1 准确度也能达到 90%。。虽然跟旷视的 94% 还是有差距,,但不使用 re-ranking 也能达到这个水平,,,,代表我们速度上会快很多,,,也同时减少计算资源的使用。。。原因是 re-ranking(例如现今常用的 k-recipical 方法)即使再简单,,也需要消耗内存把某范围内的数据暂存,,,,并进行分析和对比。。。。而有不少算法是非常依赖 re-ranking 来达到高准确度。。。缺少了这个依赖,,,这使得我们的算法在实际产品内产生优势。。。。


ReID的下一步:分析之后,,,是理解


利通生物AI研究院在未来会进一步投入资源去研究行人行为及车辆行为。。。。正如之前所述,,计算机视觉学的最原始想法就是分析和理解场景。。分析,,我们已经做得很不错,,,可是,,,,结构化数据所代表的高阶义意及意思是什么???业界还未有很明确的方向,,,更不论是产品。。。


我们希望,,,,透过行为分析,,,,把理解这一块开一个窗口,,,使得结构化数据能再向前推进,,,令系统更有智慧。。。。未来,,并不单是人类去操作系统,,,,而是系统有了理解能力之后,,跟人类协作,,,为人类谋方便和幸福。。。




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