ByteTrack：Multi-Object Tracking by Associating Every Detection Box（2021）

本文主要是介绍ByteTrack：Multi-Object Tracking by Associating Every Detection Box（2021），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

[Paper]ByteTrack: Multi-Object Tracking by Associating Every Detection Box(2021)
[Code]ifzhang/ByteTrack

ByteTrack：通过关联每个检测框进行多目标跟踪

多对象跟踪 (MOT) 旨在估计视频中对象的边界框和身份。大多数方法通过关联得分高于阈值的检测框来获取身份。检测分数低的物体，例如被遮挡的物体被简单地扔掉，这带来了不可忽视的真实物体缺失和碎片化的轨迹。为了解决这个问题，我们提出了一种简单、有效和通用的关联方法，通过关联每个检测框而不是只关联高分框来进行跟踪。对于低分检测框，我们利用它们与轨迹的相似性来恢复真实对象并过滤掉背景检测。当应用于 9 个不同的最先进跟踪器时，我们的方法在 IDF1 分数上实现了从 1 到 10 分的持续改进。为了提出 MOT 最先进的性能，我们设计了一个简单而强大的跟踪器，命名为 ByteTrack。我们第一次在 MOT17 的测试集上实现了 80.3 MOTA、77.3 IDF1 和 63.1 HOTA，在单个 V100 GPU 上运行速度为 30 FPS。
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概述

通过检测跟踪是当前多目标跟踪（MOT）最有效的范例。由于视频中的复杂场景，检测器容易做出不完美的预测。最先进的 MOT 方法 [3, 17, 44, 2, 69, 7, 67, 12, 4, 81, 56] 需要处理检测框中的真阳性/假阳性权衡以消除低置信检测框 [5, 39]。然而，这是消除所有低置信度检测框的正确方法吗？我们的回答是否定的：正如黑格尔所说：“合理的就是真实的；真实的才是合理的。” 低置信度检测框有时会指示物体的存在，例如被遮挡的物体。过滤掉这些对象会导致 MOT 出现不可逆转的错误，并带来不可忽略的缺失检测和碎片化轨迹。

图 2 (a) 和 (b) 显示了这个问题。在 t1 帧中，我们初始化了三个不同的轨迹，因为它们的分数都高于 0.5。然而，在发生遮挡的 t2 帧和 t3 帧中，红色轨迹对应的检测分数变低，即 0.8 到 0.4，然后是 0.4 到 0.1。这些检测框被阈值机制消除，红色轨迹相应消失。尽管如此，如果我们考虑到每个检测框，就会立即引入更多的误报，例如，图 2（a）的帧 t3 中最右边的框。据我们所知，MOT 中很少有方法 [29, 60] 能够处理这种检测困境。
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在本文中，我们发现与 tracklets 的相似性提供了一个强有力的线索来区分低分检测框中的对象和背景。如图 2© 所示，两个低分检测框通过运动模型的预测框与轨迹匹配，从而正确恢复了对象。同时，背景框被移除，因为它没有匹配的轨迹。为了在匹配过程中充分利用从高分到低分的检测框，我们提出了一种简单有效的关联方法BYTE，以每个检测框命名是tracklet的基本单位，在计算机程序中为字节，我们的跟踪方法重视每个详细的检测框。我们首先根据运动相似性将高分检测框与轨迹匹配。与 [7] 类似，我们使用卡尔曼滤波器 [28] 来预测新帧中轨迹的位置。运动相似度可以通过预测框和检测框的 IoU 来计算。图2(b)正是第一次匹配后的结果。然后，我们在未匹配的轨迹（即红色框中的轨迹）和低分检测框之间执行第二次匹配。图2（c）显示了第二次匹配后的结果。检测分数低的被遮挡人与之前的轨迹正确匹配，背景被移除。为了评估我们提出的关联方法的泛化能力，我们将其应用于 9 种不同的最先进跟踪器，包括基于 Re-ID 的跟踪器 [66, 81, 32, 46]，基于运动的跟踪器 [85 , 68, 47]，基于链的 [47] 和基于注意力的 [56, 76]。我们在包括 MOTA、IDF1 分数和 ID 开关在内的几乎所有指标上都取得了显着改进。例如，我们将 CenterTrack [85] 的 MOTA 从 66.1 增加到 67.4，将 IDF1 从 64.2 增加到 74.0，并在 MOT17 [85] 的半验证集上将 ID 从 528 减少到 144。

为了推动 MOT 的最先进性能，我们提出了一个简单而强大的跟踪器，名为 ByteTrack。我们采用最近的高性能检测器 YOLOX [24] 来获取检测框并将它们与我们提出的 BYTE 相关联。在MOT挑战方面，BYTECTAK在MOT17[43]和MOT20[16]中排名第一，在MOT17的V100 GPU上以30 FPS的运行速度实现了80.3 MOTA、77.3 IDF1和63.1 HOTA，在MOT20上实现了77.8 MOTA、75.2 IDF1和61.3 HOTA。

我们提出的方法是第一个通过极其简单的运动模型实现极具竞争力的跟踪性能的工作，没有任何 Re-ID 模块或注意力机制 [81、32、46、65、76、56]。它揭示了运动线索在处理遮挡和远程关联方面的巨大潜力。我们希望 ByteTrack 的效率和简单性能够使其在实际应用中具有吸引力。

BYTE

我们提出了一种简单、有效和通用的数据关联方法，BYTE。与之前的方法 [66, 81, 32, 46] 只保留高分检测框不同，我们保留每个检测框并将它们分为高分和低分。我们首先将高分检测框与轨迹相关联。一些轨迹无法匹配，因为它与适当的高分检测框不匹配，这通常发生在发生遮挡、运动模糊或大小变化时。然后，我们将低分检测框和这些不匹配的轨迹关联起来，以同时恢复低分检测框中的对象并过滤掉背景。BYTE 的伪代码如算法 1 所示。
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BYTE 的输入是一个视频序列 V，以及一个目标检测器 Det 和卡尔曼滤波器 KF。我们还设置了三个阈值 $\tau_{high}$ 、 $\tau_{low}$ 和 $\epsilon$ 。 $\tau_{high}$ 和 $\tau_{low}$ 是检测分数阈值， $\epsilon$ 是跟踪分数阈值。BYTE 的输出是视频的轨迹 T，每个轨迹包含每一帧中对象的边界框和身份。

对于视频中的每一帧，我们使用检测器 Det 预测检测框和分数。我们根据检测分数阈值 $\tau_{high}$ 和 $\tau_{low}$ 将所有检测框分成两部分 $D_{high}$ 和 $D_{low}$ 。对于分数高于 $\tau_{high}$ 的检测框，我们将它们放入高分检测框 $D_{high}$ 。对于分数范围从 $\tau_{low}$ 到 $\tau_{high}$ 的那些，我们将它们放入低分检测框 $D_{low}$ （算法 1 中的第 3 至 13 行）。

在将低分检测框和高分检测框分离后，我们使用卡尔曼滤波器 KF 来预测 $T$ 中每个轨道的新位置（算法 1 中的第 14 至 16 行）。

在高分检测框 $D_{high}$ 和所有轨迹 $T$ （包括丢失轨迹 $T_{lost}$ ）之间进行第一次关联。相似度由检测框 $D_{high}$ 和轨迹 $T$ 的预测框之间的 IoU 计算。然后，我们使用匈牙利算法[30]完成基于相似度的匹配。特别是，如果检测框和轨迹框之间的 IoU 小于 0.2，我们拒绝匹配。我们将未匹配的检测保留在 $D_{remain}$ 中，将未匹配的轨迹保留在 $T_{remain}$ 中（算法 1 中的第 17 至 19 行）。

BYTE 高度灵活，可以兼容其他不同的关联方式。例如，当 BYTE 与 DeepSORT [67] 结合时，在算法 1 中将 Re-ID 特征添加到 * 第一关联 * 中，其他相同。在实验中，我们将 BYTE 应用于 9 个不同的最先进的跟踪器，并在几乎所有指标上取得了显着的改进。

低分检测框 $D_{low}$ 与第一次关联后的剩余轨迹 $T_{remain}$ 之间进行第二次关联。我们将未匹配的轨道保留在 Tre-remain 中，并删除所有未匹配的低分检测框，因为我们将它们视为背景。（算法 1 中的第 20 至 21 行）。

我们发现在第二个关联中使用 IoU 作为相似性很重要，因为低分检测框通常包含严重的遮挡或运动模糊，并且外观特征不可靠。因此，当将 BYTE 应用于其他基于 Re-ID 的跟踪器 [66, 81, 46] 时，我们不会在第二个关联中使用外观相似性。

关联后，将从轨迹中删除不匹配的轨迹。为简单起见，我们没有在算法 1 中列出轨道重生的过程 [67, 12, 85]。实际上，远程关联需要保留轨迹的标识。对于第二次关联后未匹配的轨迹 $T_{re-remain}$ ，我们将它们放入 $T_{lost}$ 。对于 $T_{lost}$ 中的每个轨迹，只有当它存在超过一定数量的帧（即30帧）时，我们才会将其从轨迹 $T$ 中删除。否则，我们将保留 $T$ 中丢失的轨迹 $T_{lost}$ （算法 1 中的第 22 行）。

最后，我们在第一次关联后从未匹配的高分检测框 $D_{remain}$ 中初始化新轨道。对于 $D_{remain}$ 中的每个检测框，如果它的检测分数高于并存在连续两帧，我们初始化一个新的轨道（算法 1 中的第 23 到 27 行）。

每个单独帧的输出是当前帧中轨道 $T$ 的边界框和标识。请注意，我们不输出 $T_{lost}$ 的框和身份。

ByteTrack

为了提出 MOT 的最先进性能，我们设计了一个简单而强大的跟踪器，名为 ByteTrack，通过为高性能检测器 YOLOX [24] 配备我们的关联方法 BYTE。

YOLOX 将 YOLO 系列检测器 [48, 8] 切换为无锚方式并进行其他高级检测技术，包括解耦头、强大的数据增强，如 Mosaic [8] 和 Mixup [77]，以及有效的标签分配策略 SimOTA [23] 以实现最先进的目标检测性能。

骨干网络与 YOLOv5 [1] 相同，它采用先进的 CSPNet [62] 骨干网和额外的 PAN [36] 头。骨干网后面有两个解耦的头，一个用于回归，另一个用于分类。一个额外的 IoU-aware 分支被添加到回归头，以预测预测框和地面实况框之间的 IoU。回归头直接预测特征图中每个位置的四个值，即网格左上角的两个偏移量，以及预测框的高度和宽度。回归头由 GIoU 损失 [50] 监督，分类和 IoU 头由二元交叉熵损失监督。

SimOTA 标签分配策略根据它们对地面实况注释的成本自动选择正样本。成本由分类成本和框位置成本的加权总和计算[87,11,55]。然后，它根据成本从对象中心周围固定大小的区域中选择多个动态的 top-k 正样本。先进的标签分配策略显着提高了检测性能。

我们注意到 MOT17 [43] 要求边界框 [85] 覆盖整个身体，即使对象被遮挡或部分在图像之外。但是，YOLOX 的默认实现会裁剪图像区域内的检测框。为了避免图像边界周围的错误检测结果，我们在数据预处理和标签分配方面修改了 YOLOX。在数据预处理和数据增强过程中，我们不会裁剪图像内的边界框。我们只删除数据增强后完全位于图像之外的框。在 SimOTA 标签分配策略中，正样本需要在物体的中心附近，而整个身体框的中心可能位于图像之外，因此我们将物体的中心裁剪在图像内。

MOT20 [16] 剪辑了图像内的边界框注释，因此我们只使用原始的 YOLOX。

实验

设置

数据集。 我们在“私人检测”协议下在 MOT17 [43] 和 MOT20 [16] 数据集上评估 BYTE 和 ByteTrack。两个数据集都包含训练集和测试集，没有验证集。对于消融研究，我们使用 MOT17 训练集中每个视频的前半部分进行训练，后半部分用于验证 [85]。我们在 CrowdHuman 数据集 [54] 和 MOT17 半训练集 [85, 56, 76, 68] 的组合上进行训练。在 MOT17 的测试集上进行测试时，我们添加了 Cityperson [78] 和 ETHZ [20] 用于训练 [66, 81, 32]。

指标。我们使用 CLEAR 指标 [5]，包括 MOTA、FP、FN、ID 等，IDF1 [51] 和 HOTA [39] 来评估跟踪性能的不同方面。MOTA 是基于 FP、FN 和 ID 计算的。考虑到 FP 和 FN 的数量大于 ID，MOTA 更注重检测性能。IDF1 评估身份保存能力，更关注关联性能。 HOTA 是最近提出的一个指标，它明确地平衡了执行准确检测、关联和定位的效果。

实施细则。对于 BYTE，除非另有说明，否则默认的高检测分数阈值 $\tau_{high}$ 为 0.6，低阈值 $\tau_{low}$ 为 0.1，轨迹 $\epsilon$ 初始化分数为 0.7。在线性分配步骤中，如果检测框和轨迹框之间的 IoU 小于 0.2，则匹配将被拒绝。对于丢失的轨迹，我们将其保留 30 帧，以防再次出现。

对于 ByteTrack，检测器是 YOLOX [24]，其中 YOLOX-X 作为主干，COCO 预训练模型 [35] 作为初始化权重。训练计划是在 MOT17、CrowdHuman、Cityperson 和 ETHZ 的组合上的 80 个 epoch。输入图像大小为 1440 × 800，多尺度训练时最短边范围为 576 到 1024。数据增强包括 Mosaic [8] 和 Mixup [77]。该模型在 8 个 NVIDIA Tesla V100 GPU 上训练，批量大小为 48。优化器是 SGD，权重衰减为 5 × 10−4，动量为 0.9。初始学习率为 10−3，具有 1 个 epoch 预热和余弦退火计划。总训练时间约12小时。在 [24] 之后，FPS 是在单个 GPU 上使用 FP16precision [42] 和批量大小为 1 来测量的。

BYTE 消融研究

**与其他关联方法的比较。**我们将 BYTE 与其他流行的关联方法进行了比较，包括 SORT [7]、DeepSORT [67] 和 MOTDT [12]。结果如表1所示。
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SORT 可以看作是我们的基线方法，因为这两种方法都只使用卡尔曼滤波器来预测对象运动。我们可以看到 BYTE 将 SORT 的 MOTA 指标从 74.6 提高到 76.6，IDF1 从 76.9 提高到 79.3，并将 ID 从 291 减少到 159。这突出了低分检测框的重要性，并证明了 BYTE 从低分检测框恢复目标框的能力。

DeepSORT 使用额外的 Re-ID 模型来增强远程关联。我们惊讶地发现，与 DeepSORT 相比，BYTE 也有额外的收益。这表明当检测框足够准确时，简单的卡尔曼滤波器可以执行长距离关联并获得更好的 IDF1 和 ID。我们注意到，在严重的遮挡情况下，Re-ID 特征很脆弱，可能会导致更多的身份切换，相反，运动模型的行为更可靠。

MOTDT 将运动引导的框传播结果和检测结果相结合，将不可靠的检测结果与轨迹关联起来。尽管动机相似，但 MOTDT 远远落后于 BYTE。我们解释说 MOTDT 使用传播框作为跟踪框，这可能会导致跟踪中的定位漂移。相反，BYTE 使用低分检测框来重新关联那些不匹配的轨迹，因此轨迹框更准确。

**检测得分阈值的鲁棒性。**检测分数阈值 $\tau_{high}$ 是一个敏感的超参数，需要在多目标跟踪任务中仔细调整。我们将其从 0.2 更改为 0.8，并比较 BYTE 和 SORT 的 MOTA 和 IDF1 分数。结果如图3所示。从结果我们可以看出，BYTE 对检测分数阈值的鲁棒性比 SORT 强。这是因为 BYTE 中的第二个关联恢复了分数低于 $\tau_{high}$ 的对象，因此无论 $\tau_{high}$ 的变化如何，都会考虑每个检测框。
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低分检测框分析。为了证明 BYTE 的有效性，我们收集了 BYTE 获得的低分框中的 TPs 和 FPs 的数量。我们使用 MOT17 和 CrowdHuman 的半训练集对 MOT17 的半验证集进行训练和评估。首先，我们保留得分范围从 $\tau_{low}$ 到 $\tau_{high}$ 的所有低分检测框，并使用地面实况注释对 TP 和 FP 进行分类。然后，我们从低分检测框中选择 BYTE 获得的跟踪结果。每个序列的结果如图4所示。我们可以看到，即使某些序列在所有检测框中都有更多的 FP，但 BYTE 从低分检测框中获得的 TP 明显多于 FP。如表 1 所示，获得的 TP 显着增加了 MOTA 从 74.6 到 76.6。
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在其他跟踪器上的应用。我们在 9 种不同的最先进跟踪器上应用 BYTE，包括 JDE [66]、CSTrack [32]、FairMOT [81]、TraDes [68]、QuasiDense [46]、CenterTrack [85]、Chained-Tracker [ 47]、TransTrack [56] 和 MOTR [76]。在这些跟踪器中，JDE、CSTrack、FairMOT、TraDes 使用了运动和 ReID 相似性的组合。QuasiDense 单独使用 Re-ID 相似性。
CenterTrack 和 TraDes 通过学习的网络预测运动相似性。 Chained-Tracker 采用链式结构，同时输出两个连续帧的结果，并通过 IoU 关联在同一帧中。
TransTrack 和 MOTR 使用注意力机制在帧之间传播框。他们的结果显示在表 2 中每个跟踪器的第一行。为了评估 BYTE 的有效性，我们设计了两种不同的模式来将 BYTE 应用于这些跟踪器。

第一种方式是将BYTE插入到不同tracker的原始关联方法中，如表2中每个tracker结果的第二行所示。以FairMOT[81]为例，在原始关联完成后，我们选择所有不匹配的tracklet，并将它们与算法1中第二次关联之后的低分检测框关联。请注意，对于低分对象，Re-ID 特征不可靠，因此我们仅使用运动预测后检测框和轨迹框之间的 IoU 作为相似度。我们没有将 BYTE 的第一种模式应用于 Chained-Tracker，因为我们发现它很难在链结构中实现。
第二种模式是直接使用这些跟踪器的检测框，并使用算法1中的整个过程进行关联，如表2中每个跟踪器结果的第三行所示。

我们可以看到，在这两种模式下，BYTE 几乎可以在包括 MOTA、IDF1 和 ID 在内的所有指标上带来稳定的改进。例如，BYTE 将 CenterTrack 增加 1.3 MOTA 和 9.8 IDF1，Chained-Tracker 增加 1.9 MOTA 和 5.8 IDF1，TransTrack 增加 1.2 MOTA 和 4.1 IDF1。表 2 中的结果表明 BYTE 具有很强的泛化能力，可以很容易地应用于现有跟踪器以获得性能增益。

ByteTrack 上的消融研究

**速度 vs. 准确性。**我们在推理过程中使用不同大小的输入图像来评估 ByteTrack 的速度和准确性。所有实验都使用相同的多尺度训练。结果如表3所示。推理期间的输入大小范围从 512 × 928 到 800 × 1440。检测器的运行时间从 17.9 ms 到 30.0 ms 不等，关联时间都在 4.0 ms 左右。ByteTrack 可以实现 75.0 MOTA 45.7 FPS 运行速度和 76.6 MOTA 29.6 FPS 运行速度，在实际应用中具有优势。
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**训练数据。**我们使用不同的训练数据组合在 MOT17 的半验证集上评估 ByteTrack。结果如表4所示。仅使用 MOT17 的一半训练集时，性能达到 75.8 MOTA，已经超过大多数方法。这是因为我们使用了强大的增强功能，例如 Mosaic [8] 和 Mixup [77]。当进一步加入 CrowdHuman、Cityperson 和 ETHZ 进行训练时，我们可以达到 76.7 MOTA 和 79.7 IDF1。IDF1 的重大改进源于 CrowdHuman 数据集可以增强检测器识别被遮挡的人，因此，使卡尔曼滤波器生成更平滑的预测并增强跟踪器的关联能力。
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训练数据的实验表明 ByteTrack 并不需要数据。与需要超过 7 个数据源 [43、20、78、70、84、18、54] 以实现高性能的先前方法 [81、32、63、33] 相比，这对于实际应用来说是一个很大的优势。

**可视化结果。**我们在图 5 中展示了 ByteTrack 能够处理的一些困难案例的可视化结果。我们从 MOT17 的半验证集中选择 6 个序列，并使用具有 76.6 MOTA 和 79.3 IDF1 的模型生成可视化结果。困难的情况包括遮挡（即 MOT17-02、MOT17-04、MOT1705、MOT17-09、MOT17-13）、运动模糊（即 MOT17-10、MOT17-13）和小物体（即 MOT17-13）。中间有红色三角形的行人检测分数较低，这是通过我们的关联方法 BYTE 获得的。低分框不仅减少了缺失检测的数量，而且对于长距离关联也起到了重要作用。从所有这些疑难案例中我们可以看出，ByteTrack 并没有带来任何身份切换，并且有效地保留了身份。
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**轨迹插值。**我们注意到 MOT17 中有一些完全遮挡的行人，其可见率在地面实况注释中为 0。由于几乎不可能通过视觉线索检测它们，我们通过轨迹插值获得这些对象。

假设我们有一个轨迹 $T$ ，它的轨迹框由于从帧 $t_1$ 到 $t_2$ 的遮挡而丢失。 $T$ 在 $t_1$ 帧的轨迹框是 $B_{t_1} \in R^4$ ，它包含边界框的左上角和右下角坐标。让 $B_{t_2}$ 代表 $T$ 在帧 $t_2$ 处的轨迹框。我们设置了一个超参数 $\sigma$ 表示我们执行轨迹插值的最大间隔，这意味着轨迹插值在 $t_2 − t_1 ≤ \sigma$ , 时执行。在第 $t$ 帧轨迹 $T$ 的插值框可以计算如下：
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如表 5 所示，当 $\sigma$ 为 20 时，轨迹插值可以将 MOTA 从 76.6 提高到 78.3，将 IDF1 从 79.3 提高到 80.2。轨迹插值是一种有效的后处理方法，可以获取那些完全遮挡物体的框。

MOT 挑战赛结果

我们分别在表 6 和表 7 中的私有检测协议下，在 MOT17 和 MOT20 的测试集上将 ByteTrack 与最先进的跟踪器进行了比较。所有结果均直接从官方MOT Challenge评测服务器1获取。

**MOT17.**ByteTrack 在 MOT17 排行榜的所有跟踪器中排名第一。它不仅达到了最佳精度（即 80.3 MOTA、77.3 IDF1 和 63.1 HOTA），而且以最高运行速度（30 FPS）运行。它大大优于第二性能跟踪器 [73]（即 +3.3 MOTA、+5.3 IDF1 和 +3.4 HOTA）。此外，我们使用的训练数据少于许多高性能方法，例如 [81, 32, 63, 53, 33]（29K 图像与 73K 图像）。值得注意的是，与额外使用 Re-ID 相似性或注意力机制的其他方法 [81, 32, 46, 65, 76, 56] 相比，我们在关联步骤中仅使用最简单的相似度计算方法卡尔曼滤波器。所有这些都表明 ByteTrack 是一个简单而强大的跟踪器。

**MOT20.**与 MOT17 相比，MOT20 的拥挤场景和遮挡情况要多得多。在 MOT20 的测试集中，图像中的平均行人数为 170。ByteTrack 在 MOT20 排行榜上的所有跟踪器中也排名第一，几乎在所有指标上都大大优于其他最先进的跟踪器。例如，它将 MOTA 从 68.6 增加到 77.8，将 IDF1 从 71.4 增加到 75.2，并将 ID 从 4209 减少到 1223，减少了 71%。值得注意的是，ByteTrack 实现了极低的身份切换，这进一步表明关联每个检测框在遮挡情况下非常有效。

结论

我们提出了一种用于多目标跟踪的简单而有效的数据关联方法 BYTE。BYTE 可以轻松应用于现有跟踪器并实现持续改进。我们还提出了一个强大的跟踪器 ByteTrack，它在 MOT17 测试集上以 30 FPS 实现了 80.3 MOTA、77.3 IDF1 和 63.1 HOTA，在排行榜上的所有跟踪器中排名第一。ByteTrack 由于其准确的检测性能以及关联低分检测框的帮助，因此对遮挡非常稳健。它还阐明了如何充分利用检测结果来增强多目标跟踪。我们希望 ByteTrack 的高精度、快速和简单性能够使其在实际应用中具有吸引力。

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