src/kcf.cpp

   1 #include "kcf.h"
   2 #include <numeric>
   3 #include <thread>
   4 #include <algorithm>
   5 #include "threadctx.hpp"
   6 #include "debug.h"
   7 #include <limits>
   8
   9 #ifdef FFTW
  10 #include "fft_fftw.h"
  11 #define FFT Fftw
  12 #elif defined(CUFFT)
  13 #include "fft_cufft.h"
  14 #define FFT cuFFT
  15 #else
  16 #include "fft_opencv.h"
  17 #define FFT FftOpencv
  18 #endif
  19
  20 #ifdef OPENMP
  21 #include <omp.h>
  22 #endif // OPENMP
  23
  24 DbgTracer __dbgTracer;
  25
  26 template <typename T>
  27 T clamp(const T& n, const T& lower, const T& upper)
  28 {
  29     return std::max(lower, std::min(n, upper));
  30 }
  31
  32 template <typename T>
  33 void clamp2(T& n, const T& lower, const T& upper)
  34 {
  35     n = std::max(lower, std::min(n, upper));
  36 }
  37
  38 #if CV_MAJOR_VERSION < 3
  39 template<typename _Tp> static inline
  40 cv::Size_<_Tp> operator / (const cv::Size_<_Tp>& a, _Tp b)
  41 {
  42     return cv::Size_<_Tp>(a.width / b, a.height / b);
  43 }
  44
  45 template<typename _Tp> static inline
  46 cv::Point_<_Tp> operator / (const cv::Point_<_Tp>& a, double b)
  47 {
  48     return cv::Point_<_Tp>(a.x / b, a.y / b);
  49 }
  50
  51 #endif
  52
  53 class Kcf_Tracker_Private {
  54     friend KCF_Tracker;
  55
  56     Kcf_Tracker_Private(const KCF_Tracker &kcf) : kcf(kcf) {}
  57
  58     const KCF_Tracker &kcf;
  59 #ifdef BIG_BATCH
  60     std::vector<ThreadCtx> threadctxs;
  61 #else
  62     ScaleRotVector<ThreadCtx> threadctxs{kcf.p_scales, kcf.p_angles};
  63 #endif
  64 };
  65
  66 KCF_Tracker::KCF_Tracker(double padding, double kernel_sigma, double lambda, double interp_factor,
  67                          double output_sigma_factor, int cell_size)
  68     : p_cell_size(cell_size), fft(*new FFT()), p_padding(padding), p_output_sigma_factor(output_sigma_factor), p_kernel_sigma(kernel_sigma),
  69       p_lambda(lambda), p_interp_factor(interp_factor)
  70 {
  71 }
  72
  73 KCF_Tracker::KCF_Tracker() : fft(*new FFT()) {}
  74
  75 KCF_Tracker::~KCF_Tracker()
  76 {
  77     delete &fft;
  78 }
  79
  80 void KCF_Tracker::train(cv::Mat input_rgb, cv::Mat input_gray, double interp_factor)
  81 {
  82     TRACE("");
  83
  84     // obtain a sub-window for training
  85     get_features(input_rgb, input_gray, nullptr, p_current_center.x, p_current_center.y,
  86                  p_windows_size.width, p_windows_size.height,
  87                  p_current_scale, p_current_angle).copyTo(model->patch_feats.scale(0));
  88     DEBUG_PRINT(model->patch_feats);
  89     fft.forward_window(model->patch_feats, model->xf, model->temp);
  90     DEBUG_PRINTM(model->xf);
  91     model->model_xf = model->model_xf * (1. - interp_factor) + model->xf * interp_factor;
  92     DEBUG_PRINTM(model->model_xf);
  93
  94     if (m_use_linearkernel) {
  95         ComplexMat xfconj = model->xf.conj();
  96         model->model_alphaf_num = xfconj.mul(model->yf);
  97         model->model_alphaf_den = (model->xf * xfconj);
  98     } else {
  99         // Kernel Ridge Regression, calculate alphas (in Fourier domain)
 100         cv::Size sz(Fft::freq_size(feature_size));
 101         ComplexMat kf(sz.height, sz.width, 1);
 102         (*gaussian_correlation)(kf, model->model_xf, model->model_xf, p_kernel_sigma, true, *this);
 103         DEBUG_PRINTM(kf);
 104         model->model_alphaf_num = model->yf * kf;
 105         model->model_alphaf_den = kf * (kf + p_lambda);
 106     }
 107     model->model_alphaf = model->model_alphaf_num / model->model_alphaf_den;
 108     DEBUG_PRINTM(model->model_alphaf);
 109     //        p_model_alphaf = p_yf / (kf + p_lambda);   //equation for fast training
 110 }
 111
 112 static int round_pw2_down(int x)
 113 {
 114         for (int i = 1; i < 32; i <<= 1)
 115             x |= x >> i;
 116         x++;
 117         return x >> 1;
 118 }
 119
 120
 121 void KCF_Tracker::init(cv::Mat &img, const cv::Rect &bbox, int fit_size_x, int fit_size_y)
 122 {
 123     __dbgTracer.debug = m_debug;
 124     TRACE("");
 125
 126     // check boundary, enforce min size
 127     double x1 = bbox.x, x2 = bbox.x + bbox.width, y1 = bbox.y, y2 = bbox.y + bbox.height;
 128     if (x1 < 0) x1 = 0.;
 129     if (x2 > img.cols - 1) x2 = img.cols - 1;
 130     if (y1 < 0) y1 = 0;
 131     if (y2 > img.rows - 1) y2 = img.rows - 1;
 132
 133     if (x2 - x1 < 2 * p_cell_size) {
 134         double diff = (2 * p_cell_size - x2 + x1) / 2.;
 135         if (x1 - diff >= 0 && x2 + diff < img.cols) {
 136             x1 -= diff;
 137             x2 += diff;
 138         } else if (x1 - 2 * diff >= 0) {
 139             x1 -= 2 * diff;
 140         } else {
 141             x2 += 2 * diff;
 142         }
 143     }
 144     if (y2 - y1 < 2 * p_cell_size) {
 145         double diff = (2 * p_cell_size - y2 + y1) / 2.;
 146         if (y1 - diff >= 0 && y2 + diff < img.rows) {
 147             y1 -= diff;
 148             y2 += diff;
 149         } else if (y1 - 2 * diff >= 0) {
 150             y1 -= 2 * diff;
 151         } else {
 152             y2 += 2 * diff;
 153         }
 154     }
 155
 156     p_init_pose.w = x2 - x1;
 157     p_init_pose.h = y2 - y1;
 158     p_init_pose.cx = x1 + p_init_pose.w / 2.;
 159     p_init_pose.cy = y1 + p_init_pose.h / 2.;
 160
 161     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 162     if (img.channels() == 3) {
 163         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 164         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 165     } else
 166         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 167
 168     // don't need too large image
 169     if (p_init_pose.w * p_init_pose.h > 100. * 100.) {
 170         std::cout << "resizing image by factor of " << 1 / p_downscale_factor << std::endl;
 171         p_resize_image = true;
 172         p_init_pose.scale(p_downscale_factor);
 173         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 174         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 175     }
 176
 177     // compute win size + fit to fhog cell size
 178     p_windows_size.width = round(p_init_pose.w * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 179     p_windows_size.height = round(p_init_pose.h * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 180
 181     if (fit_size_x == 0 || fit_size_y == 0) {
 182         // Round down to the next highest power of 2
 183         fit_size = cv::Size(round_pw2_down(p_windows_size.width),
 184                             round_pw2_down(p_windows_size.height));
 185     } else if (fit_size_x == -1 || fit_size_y == -1) {
 186         fit_size =  p_windows_size;
 187     } else {
 188         fit_size = cv::Size(fit_size_x, fit_size_y);
 189     }
 190
 191     feature_size = fit_size / p_cell_size;
 192
 193     p_scales.clear();
 194     for (int i = -int(p_num_scales - 1) / 2; i <= int(p_num_scales) / 2; ++i)
 195         p_scales.push_back(std::pow(p_scale_step, i));
 196
 197     p_angles.clear();
 198     for (int i = -int(p_num_angles - 1) / 2; i <= int(p_num_angles) / 2; ++i)
 199         p_angles.push_back(i * p_angle_step);
 200
 201 #ifdef CUFFT
 202     if (m_use_linearkernel) {
 203         std::cerr << "cuFFT supports only Gaussian kernel." << std::endl;
 204         std::exit(EXIT_FAILURE);
 205     }
 206 #endif
 207
 208     model.reset(new Model(feature_size, p_num_of_feats));
 209     d.reset(new Kcf_Tracker_Private(*this));
 210
 211 #ifndef BIG_BATCH
 212     for (auto scale: p_scales)
 213         for (auto angle : p_angles)
 214             d->threadctxs.emplace_back(feature_size, p_num_of_feats, scale, angle);
 215 #else
 216     d->threadctxs.emplace_back(feature_size, p_num_of_feats, p_scales, p_angles);
 217 #endif
 218
 219     gaussian_correlation.reset(new GaussianCorrelation(1, p_num_of_feats, feature_size));
 220
 221     p_current_center = p_init_pose.center();
 222     p_current_scale = 1.;
 223
 224     double min_size_ratio = std::max(5. * p_cell_size / p_windows_size.width, 5. * p_cell_size / p_windows_size.height);
 225     double max_size_ratio =
 226         std::min(floor((img.cols + p_windows_size.width / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.width,
 227                  floor((img.rows + p_windows_size.height / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.height);
 228     p_min_max_scale[0] = std::pow(p_scale_step, std::ceil(std::log(min_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 229     p_min_max_scale[1] = std::pow(p_scale_step, std::floor(std::log(max_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 230
 231     std::cout << "init: img size " << img.size() << std::endl;
 232     std::cout << "init: win size " << p_windows_size;
 233     if (p_windows_size != fit_size)
 234         std::cout << " resized to " << fit_size;
 235     std::cout << std::endl;
 236     std::cout << "init: FFT size " << feature_size << std::endl;
 237     std::cout << "init: min max scales factors: " << p_min_max_scale[0] << " " << p_min_max_scale[1] << std::endl;
 238
 239     p_output_sigma = std::sqrt(p_init_pose.w * p_init_pose.h * double(fit_size.area()) / p_windows_size.area())
 240            * p_output_sigma_factor / p_cell_size;
 241
 242     fft.init(feature_size.width, feature_size.height, p_num_of_feats, p_num_scales * p_num_angles);
 243     fft.set_window(MatDynMem(cosine_window_function(feature_size.width, feature_size.height)));
 244
 245     // window weights, i.e. labels
 246     MatScales gsl(1, feature_size);
 247     gaussian_shaped_labels(p_output_sigma, feature_size.width, feature_size.height).copyTo(gsl.plane(0));
 248     fft.forward(gsl, model->yf);
 249     DEBUG_PRINTM(model->yf);
 250
 251     // train initial model
 252     train(input_rgb, input_gray, 1.0);
 253 }
 254
 255 void KCF_Tracker::setTrackerPose(BBox_c &bbox, cv::Mat &img, int fit_size_x, int fit_size_y)
 256 {
 257     init(img, bbox.get_rect(), fit_size_x, fit_size_y);
 258 }
 259
 260 void KCF_Tracker::updateTrackerPosition(BBox_c &bbox)
 261 {
 262     BBox_c tmp = bbox;
 263     if (p_resize_image) {
 264         tmp.scale(p_downscale_factor);
 265     }
 266     p_current_center = tmp.center();
 267 }
 268
 269 BBox_c KCF_Tracker::getBBox()
 270 {
 271     BBox_c tmp;
 272     tmp.cx = p_current_center.x;
 273     tmp.cy = p_current_center.y;
 274     tmp.w = p_init_pose.w * p_current_scale;
 275     tmp.h = p_init_pose.h * p_current_scale;
 276     tmp.a = p_current_angle;
 277
 278     if (p_resize_image)
 279         tmp.scale(1 / p_downscale_factor);
 280
 281     return tmp;
 282 }
 283
 284 double KCF_Tracker::getFilterResponse() const
 285 {
 286     return this->max_response;
 287 }
 288
 289 void KCF_Tracker::resizeImgs(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 290 {
 291     if (p_resize_image) {
 292         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 293         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 294     }
 295 }
 296
 297 static void drawCross(cv::Mat &img, cv::Point center, bool green)
 298 {
 299     cv::Scalar col = green ? cv::Scalar(0, 1, 0) : cv::Scalar(0, 0, 1);
 300     cv::line(img, cv::Point(center.x, 0), cv::Point(center.x, img.size().height), col);
 301     cv::line(img, cv::Point(0, center.y), cv::Point(img.size().height, center.y), col);
 302 }
 303
 304 static cv::Point2d wrapAroundFreq(cv::Point2d pt, cv::Mat &resp_map)
 305 {
 306     if (pt.y > resp_map.rows / 2) // wrap around to negative half-space of vertical axis
 307         pt.y = pt.y - resp_map.rows;
 308     if (pt.x > resp_map.cols / 2) // same for horizontal axis
 309         pt.x = pt.x - resp_map.cols;
 310     return pt;
 311 }
 312
 313 double KCF_Tracker::findMaxReponse(uint &max_idx, cv::Point2d &new_location) const
 314 {
 315     double max;
 316     const auto &vec = IF_BIG_BATCH(d->threadctxs[0].max, d->threadctxs);
 317
 318 #ifndef BIG_BATCH
 319     auto max_it = std::max_element(vec.begin(), vec.end(),
 320                                    [](const ThreadCtx &a, const ThreadCtx &b)
 321                                    { return a.max.response < b.max.response; });
 322 #else
 323     auto max_it = std::max_element(vec.begin(), vec.end(),
 324                                    [](const ThreadCtx::Max &a, const ThreadCtx::Max &b)
 325                                    { return a.response < b.response; });
 326 #endif
 327     assert(max_it != vec.end());
 328     max = max_it->IF_BIG_BATCH(response, max.response);
 329
 330     max_idx = std::distance(vec.begin(), max_it);
 331
 332     cv::Point2i max_response_pt = IF_BIG_BATCH(max_it->loc, max_it->max.loc);
 333     cv::Mat max_response_map    = IF_BIG_BATCH(d->threadctxs[0].response.plane(max_idx),
 334                                                max_it->response.plane(0));
 335
 336     DEBUG_PRINTM(max_response_map);
 337     DEBUG_PRINT(max_response_pt);
 338
 339     max_response_pt = wrapAroundFreq(max_response_pt, max_response_map);
 340
 341     // sub pixel quadratic interpolation from neighbours
 342     if (m_use_subpixel_localization) {
 343         new_location = sub_pixel_peak(max_response_pt, max_response_map);
 344     } else {
 345         new_location = max_response_pt;
 346     }
 347     DEBUG_PRINT(new_location);
 348
 349     if (m_visual_debug != vd::NONE) {
 350         const bool fit = 1;
 351         int w = fit ? 100 : (m_visual_debug == vd::PATCH ? fit_size.width  : feature_size.width);
 352         int h = fit ? 100 : (m_visual_debug == vd::PATCH ? fit_size.height : feature_size.height);
 353         cv::Mat all_responses((h + 1) * p_num_scales - 1,
 354                               (w + 1) * p_num_angles - 1, CV_32FC3, cv::Scalar::all(0));
 355         for (size_t i = 0; i < p_num_scales; ++i) {
 356             for (size_t j = 0; j < p_num_angles; ++j) {
 357                 auto &threadctx = d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0], threadctxs(i, j));
 358                 cv::Mat tmp;
 359                 cv::Point2d cross = threadctx.IF_BIG_BATCH(max(i, j), max).loc;
 360                 cross = wrapAroundFreq(cross, max_response_map);
 361                 if (m_visual_debug == vd::PATCH ) {
 362                     threadctx.dbg_patch IF_BIG_BATCH((i, j),)
 363                             .convertTo(tmp, all_responses.type(), 1.0 / 255);
 364                     cross.x = cross.x / fit_size.width  * tmp.cols + tmp.cols / 2;
 365                     cross.y = cross.y / fit_size.height * tmp.rows + tmp.rows / 2;
 366                 } else {
 367                     cv::cvtColor(threadctx.response.plane(IF_BIG_BATCH(threadctx.max.getIdx(i, j), 0)),
 368                             tmp, cv::COLOR_GRAY2BGR);
 369                     tmp /= max; // Normalize to 1
 370                     cross += cv::Point2d(tmp.size())/2;
 371                     tmp = circshift(tmp, -tmp.cols/2, -tmp.rows/2);
 372                     //drawCross(tmp, cross, false);
 373                 }
 374                 bool green = false;
 375                 if (&*max_it == &IF_BIG_BATCH(threadctx.max(i, j), threadctx)) {
 376                     // Show the green cross at position of sub-pixel interpolation (if enabled)
 377                     cross = new_location + cv::Point2d(tmp.size())/2;
 378                     green = true;
 379                 }
 380                 // Move to the center of pixes (if scaling up) and scale
 381                 cross.x = (cross.x + 0.5) * double(w)/tmp.cols;
 382                 cross.y = (cross.y + 0.5) * double(h)/tmp.rows;
 383                 cv::resize(tmp, tmp, cv::Size(w, h)); //, 0, 0, cv::INTER_NEAREST);
 384                 drawCross(tmp, cross, green);
 385                 cv::Mat resp_roi(all_responses, cv::Rect(j * (w+1), i * (h+1), w, h));
 386                 tmp.copyTo(resp_roi);
 387             }
 388         }
 389         cv::namedWindow("KCF visual debug", CV_WINDOW_AUTOSIZE);
 390         cv::imshow("KCF visual debug", all_responses);
 391     }
 392
 393     return max;
 394 }
 395
 396 void KCF_Tracker::track(cv::Mat &img)
 397 {
 398     __dbgTracer.debug = m_debug;
 399     TRACE("");
 400
 401     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 402     if (img.channels() == 3) {
 403         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 404         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 405     } else
 406         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 407
 408     // don't need too large image
 409     resizeImgs(input_rgb, input_gray);
 410
 411 #ifdef ASYNC
 412     for (auto &it : d->threadctxs)
 413         it.async_res = std::async(std::launch::async, [this, &input_gray, &input_rgb, &it]() -> void {
 414             it.track(*this, input_rgb, input_gray);
 415         });
 416     for (auto const &it : d->threadctxs)
 417         it.async_res.wait();
 418
 419 #else  // !ASYNC
 420     NORMAL_OMP_PARALLEL_FOR
 421     for (uint i = 0; i < d->threadctxs.size(); ++i)
 422         d->threadctxs[i].track(*this, input_rgb, input_gray);
 423 #endif
 424
 425     cv::Point2d new_location;
 426     uint max_idx;
 427     max_response = findMaxReponse(max_idx, new_location);
 428
 429     double angle_change = m_use_subgrid_angle ? sub_grid_angle(max_idx)
 430                                               : d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max, threadctxs).angle(max_idx);
 431     p_current_angle += angle_change;
 432
 433     new_location.x = new_location.x * cos(-p_current_angle/180*M_PI) + new_location.y * sin(-p_current_angle/180*M_PI);
 434     new_location.y = new_location.y * cos(-p_current_angle/180*M_PI) - new_location.x * sin(-p_current_angle/180*M_PI);
 435
 436     new_location.x *= double(p_windows_size.width) / fit_size.width;
 437     new_location.y *= double(p_windows_size.height) / fit_size.height;
 438
 439     p_current_center += p_current_scale * p_cell_size * new_location;
 440
 441     clamp2(p_current_center.x, 0.0, img.cols - 1.0);
 442     clamp2(p_current_center.y, 0.0, img.rows - 1.0);
 443
 444     // sub grid scale interpolation
 445     if (m_use_subgrid_scale) {
 446         p_current_scale *= sub_grid_scale(max_idx);
 447     } else {
 448         p_current_scale *= d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max, threadctxs).scale(max_idx);
 449     }
 450
 451     clamp2(p_current_scale, p_min_max_scale[0], p_min_max_scale[1]);
 452
 453
 454     // train at newly estimated target position
 455     train(input_rgb, input_gray, p_interp_factor);
 456 }
 457
 458 void ThreadCtx::track(const KCF_Tracker &kcf, cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 459 {
 460     TRACE("");
 461
 462     BIG_BATCH_OMP_PARALLEL_FOR
 463     for (uint i = 0; i < IF_BIG_BATCH(max.size(), 1); ++i)
 464     {
 465         kcf.get_features(input_rgb, input_gray, &dbg_patch IF_BIG_BATCH([i],),
 466                          kcf.p_current_center.x, kcf.p_current_center.y,
 467                          kcf.p_windows_size.width, kcf.p_windows_size.height,
 468                          kcf.p_current_scale * IF_BIG_BATCH(max.scale(i), scale),
 469                          kcf.p_current_angle + IF_BIG_BATCH(max.angle(i), angle))
 470                 .copyTo(patch_feats.scale(i));
 471         DEBUG_PRINT(patch_feats.scale(i));
 472     }
 473
 474     kcf.fft.forward_window(patch_feats, zf, temp);
 475     DEBUG_PRINTM(zf);
 476
 477     if (kcf.m_use_linearkernel) {
 478         kzf = zf.mul(kcf.model->model_alphaf).sum_over_channels();
 479     } else {
 480         gaussian_correlation(kzf, zf, kcf.model->model_xf, kcf.p_kernel_sigma, false, kcf);
 481         DEBUG_PRINTM(kzf);
 482         kzf = kzf.mul(kcf.model->model_alphaf);
 483     }
 484     kcf.fft.inverse(kzf, response);
 485
 486     DEBUG_PRINTM(response);
 487
 488     /* target location is at the maximum response. we must take into
 489     account the fact that, if the target doesn't move, the peak
 490     will appear at the top-left corner, not at the center (this is
 491     discussed in the paper). the responses wrap around cyclically. */
 492     double min_val, max_val;
 493     cv::Point2i min_loc, max_loc;
 494 #ifdef BIG_BATCH
 495     for (size_t i = 0; i < max.size(); ++i) {
 496         cv::minMaxLoc(response.plane(i), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 497         DEBUG_PRINT(max_loc);
 498         double weight = max.scale(i) < 1. ? max.scale(i) : 1. / max.scale(i);
 499         max[i].response = max_val * weight;
 500         max[i].loc = max_loc;
 501     }
 502 #else
 503     cv::minMaxLoc(response.plane(0), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 504
 505     DEBUG_PRINT(max_loc);
 506     DEBUG_PRINT(max_val);
 507
 508     double weight = scale < 1. ? scale : 1. / scale;
 509     max.response = max_val * weight;
 510     max.loc = max_loc;
 511 #endif
 512 }
 513
 514 // ****************************************************************************
 515
 516 cv::Mat KCF_Tracker::get_features(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray, cv::Mat *dbg_patch,
 517                                   int cx, int cy, int size_x, int size_y, double scale, double angle) const
 518 {
 519     cv::Size scaled = cv::Size(floor(size_x * scale), floor(size_y * scale));
 520
 521     cv::Mat patch_gray = get_subwindow(input_gray, cx, cy, scaled.width, scaled.height, angle);
 522     cv::Mat patch_rgb = get_subwindow(input_rgb, cx, cy, scaled.width, scaled.height, angle);
 523
 524     if (dbg_patch)
 525         patch_rgb.copyTo(*dbg_patch);
 526
 527     // resize to default size
 528     if (scaled.area() > fit_size.area()) {
 529         // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 530         // note: this is just a guess - we may downsample in X and upsample in Y (or vice versa)
 531         cv::resize(patch_gray, patch_gray, fit_size, 0., 0., cv::INTER_AREA);
 532     } else {
 533         cv::resize(patch_gray, patch_gray, fit_size, 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 534     }
 535
 536     // get hog(Histogram of Oriented Gradients) features
 537     std::vector<cv::Mat> hog_feat = FHoG::extract(patch_gray, 2, p_cell_size, 9);
 538
 539     // get color rgb features (simple r,g,b channels)
 540     std::vector<cv::Mat> color_feat;
 541     if ((m_use_color || m_use_cnfeat) && input_rgb.channels() == 3) {
 542         // resize to default size
 543         if (scaled.area() > (fit_size / p_cell_size).area()) {
 544             // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 545             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, fit_size / p_cell_size, 0., 0., cv::INTER_AREA);
 546         } else {
 547             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, fit_size / p_cell_size, 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 548         }
 549     }
 550
 551     if (m_use_color && input_rgb.channels() == 3) {
 552         // use rgb color space
 553         cv::Mat patch_rgb_norm;
 554         patch_rgb.convertTo(patch_rgb_norm, CV_32F, 1. / 255., -0.5);
 555         cv::Mat ch1(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 556         cv::Mat ch2(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 557         cv::Mat ch3(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 558         std::vector<cv::Mat> rgb = {ch1, ch2, ch3};
 559         cv::split(patch_rgb_norm, rgb);
 560         color_feat.insert(color_feat.end(), rgb.begin(), rgb.end());
 561     }
 562
 563     if (m_use_cnfeat && input_rgb.channels() == 3) {
 564         std::vector<cv::Mat> cn_feat = CNFeat::extract(patch_rgb);
 565         color_feat.insert(color_feat.end(), cn_feat.begin(), cn_feat.end());
 566     }
 567
 568     hog_feat.insert(hog_feat.end(), color_feat.begin(), color_feat.end());
 569
 570     int size[] = {p_num_of_feats, feature_size.height, feature_size.width};
 571     cv::Mat result(3, size, CV_32F);
 572     for (uint i = 0; i < hog_feat.size(); ++i)
 573         hog_feat[i].copyTo(cv::Mat(size[1], size[2], CV_32FC1, result.ptr(i)));
 574
 575     return result;
 576 }
 577
 578 cv::Mat KCF_Tracker::gaussian_shaped_labels(double sigma, int dim1, int dim2)
 579 {
 580     cv::Mat labels(dim2, dim1, CV_32FC1);
 581     int range_y[2] = {-dim2 / 2, dim2 - dim2 / 2};
 582     int range_x[2] = {-dim1 / 2, dim1 - dim1 / 2};
 583
 584     double sigma_s = sigma * sigma;
 585
 586     for (int y = range_y[0], j = 0; y < range_y[1]; ++y, ++j) {
 587         float *row_ptr = labels.ptr<float>(j);
 588         double y_s = y * y;
 589         for (int x = range_x[0], i = 0; x < range_x[1]; ++x, ++i) {
 590             row_ptr[i] = std::exp(-0.5 * (y_s + x * x) / sigma_s); //-1/2*e^((y^2+x^2)/sigma^2)
 591         }
 592     }
 593
 594     // rotate so that 1 is at top-left corner (see KCF paper for explanation)
 595     MatDynMem rot_labels = circshift(labels, range_x[0], range_y[0]);
 596     // sanity check, 1 at top left corner
 597     assert(rot_labels.at<float>(0, 0) >= 1.f - 1e-10f);
 598
 599     return rot_labels;
 600 }
 601
 602 cv::Mat KCF_Tracker::circshift(const cv::Mat &patch, int x_rot, int y_rot) const
 603 {
 604     cv::Mat rot_patch(patch.size(), patch.type());
 605     cv::Mat tmp_x_rot(patch.size(), patch.type());
 606
 607     // circular rotate x-axis
 608     if (x_rot < 0) {
 609         // move part that does not rotate over the edge
 610         cv::Range orig_range(-x_rot, patch.cols);
 611         cv::Range rot_range(0, patch.cols - (-x_rot));
 612         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 613
 614         // rotated part
 615         orig_range = cv::Range(0, -x_rot);
 616         rot_range = cv::Range(patch.cols - (-x_rot), patch.cols);
 617         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 618     } else if (x_rot > 0) {
 619         // move part that does not rotate over the edge
 620         cv::Range orig_range(0, patch.cols - x_rot);
 621         cv::Range rot_range(x_rot, patch.cols);
 622         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 623
 624         // rotated part
 625         orig_range = cv::Range(patch.cols - x_rot, patch.cols);
 626         rot_range = cv::Range(0, x_rot);
 627         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 628     } else { // zero rotation
 629         // move part that does not rotate over the edge
 630         cv::Range orig_range(0, patch.cols);
 631         cv::Range rot_range(0, patch.cols);
 632         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 633     }
 634
 635     // circular rotate y-axis
 636     if (y_rot < 0) {
 637         // move part that does not rotate over the edge
 638         cv::Range orig_range(-y_rot, patch.rows);
 639         cv::Range rot_range(0, patch.rows - (-y_rot));
 640         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 641
 642         // rotated part
 643         orig_range = cv::Range(0, -y_rot);
 644         rot_range = cv::Range(patch.rows - (-y_rot), patch.rows);
 645         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 646     } else if (y_rot > 0) {
 647         // move part that does not rotate over the edge
 648         cv::Range orig_range(0, patch.rows - y_rot);
 649         cv::Range rot_range(y_rot, patch.rows);
 650         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 651
 652         // rotated part
 653         orig_range = cv::Range(patch.rows - y_rot, patch.rows);
 654         rot_range = cv::Range(0, y_rot);
 655         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 656     } else { // zero rotation
 657         // move part that does not rotate over the edge
 658         cv::Range orig_range(0, patch.rows);
 659         cv::Range rot_range(0, patch.rows);
 660         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 661     }
 662
 663     return rot_patch;
 664 }
 665
 666 // hann window actually (Power-of-cosine windows)
 667 cv::Mat KCF_Tracker::cosine_window_function(int dim1, int dim2)
 668 {
 669     cv::Mat m1(1, dim1, CV_32FC1), m2(dim2, 1, CV_32FC1);
 670     double N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim1) - 1.);
 671     for (int i = 0; i < dim1; ++i)
 672         m1.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 673     N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim2) - 1.);
 674     for (int i = 0; i < dim2; ++i)
 675         m2.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 676     cv::Mat ret = m2 * m1;
 677     return ret;
 678 }
 679
 680 // Returns sub-window of image input centered at [cx, cy] coordinates),
 681 // with size [width, height]. If any pixels are outside of the image,
 682 // they will replicate the values at the borders.
 683 cv::Mat KCF_Tracker::get_subwindow(const cv::Mat &input, int cx, int cy, int width, int height, double angle) const
 684 {
 685     cv::Mat patch;
 686
 687     cv::Size sz(width, height);
 688     cv::RotatedRect rr(cv::Point2f(cx, cy), sz, angle);
 689     cv::Rect bb = rr.boundingRect();
 690
 691     int x1 = bb.tl().x;
 692     int y1 = bb.tl().y;
 693     int x2 = bb.br().x;
 694     int y2 = bb.br().y;
 695
 696     // out of image
 697     if (x1 >= input.cols || y1 >= input.rows || x2 < 0 || y2 < 0) {
 698         patch.create(height, width, input.type());
 699         patch.setTo(double(0.f));
 700         return patch;
 701     }
 702
 703     int top = 0, bottom = 0, left = 0, right = 0;
 704
 705     // fit to image coordinates, set border extensions;
 706     if (x1 < 0) {
 707         left = -x1;
 708         x1 = 0;
 709     }
 710     if (y1 < 0) {
 711         top = -y1;
 712         y1 = 0;
 713     }
 714     if (x2 >= input.cols) {
 715         right = x2 - input.cols + width % 2;
 716         x2 = input.cols;
 717     } else
 718         x2 += width % 2;
 719
 720     if (y2 >= input.rows) {
 721         bottom = y2 - input.rows + height % 2;
 722         y2 = input.rows;
 723     } else
 724         y2 += height % 2;
 725
 726     if (x2 - x1 == 0 || y2 - y1 == 0)
 727         patch = cv::Mat::zeros(height, width, CV_32FC1);
 728     else {
 729         cv::copyMakeBorder(input(cv::Range(y1, y2), cv::Range(x1, x2)), patch, top, bottom, left, right,
 730                            cv::BORDER_REPLICATE);
 731         //      imshow( "copyMakeBorder", patch);
 732         //      cv::waitKey();
 733     }
 734
 735     cv::Point2f src_pts[4];
 736     cv::RotatedRect(cv::Point2f(patch.size()) / 2.0, sz, angle).points(src_pts);
 737     cv::Point2f dst_pts[3] = { cv::Point2f(0, height), cv::Point2f(0, 0),  cv::Point2f(width, 0)};
 738     auto rot = cv::getAffineTransform(src_pts, dst_pts);
 739     cv::warpAffine(patch, patch, rot, sz);
 740
 741     // sanity check
 742     assert(patch.cols == width && patch.rows == height);
 743
 744     return patch;
 745 }
 746
 747 void KCF_Tracker::GaussianCorrelation::operator()(ComplexMat &result, const ComplexMat &xf, const ComplexMat &yf,
 748                                                   double sigma, bool auto_correlation, const KCF_Tracker &kcf)
 749 {
 750     TRACE("");
 751     DEBUG_PRINTM(xf);
 752     DEBUG_PRINT(xf_sqr_norm.num_elem);
 753     xf.sqr_norm(xf_sqr_norm);
 754     for (uint s = 0; s < xf.n_scales; ++s)
 755         DEBUG_PRINT(xf_sqr_norm[s]);
 756     if (auto_correlation) {
 757         yf_sqr_norm = xf_sqr_norm;
 758     } else {
 759         DEBUG_PRINTM(yf);
 760         yf.sqr_norm(yf_sqr_norm);
 761     }
 762     for (uint s = 0; s < yf.n_scales; ++s)
 763         DEBUG_PRINTM(yf_sqr_norm[s]);
 764     xyf = auto_correlation ? xf.sqr_mag() : xf * yf.conj(); // xf.muln(yf.conj());
 765     DEBUG_PRINTM(xyf);
 766
 767     // ifft2 and sum over 3rd dimension, we dont care about individual channels
 768     ComplexMat xyf_sum = xyf.sum_over_channels();
 769     DEBUG_PRINTM(xyf_sum);
 770     kcf.fft.inverse(xyf_sum, ifft_res);
 771     DEBUG_PRINTM(ifft_res);
 772
 773     float numel_xf_inv = 1.f / (xf.cols * xf.rows * (xf.channels() / xf.n_scales));
 774     for (uint i = 0; i < xf.n_scales; ++i) {
 775         cv::Mat plane = ifft_res.plane(i);
 776         DEBUG_PRINT(ifft_res.plane(i));
 777         cv::exp(-1. / (sigma * sigma) * cv::max((xf_sqr_norm[i] + yf_sqr_norm[0] - 2 * ifft_res.plane(i))
 778                 * numel_xf_inv, 0), plane);
 779         DEBUG_PRINTM(plane);
 780     }
 781
 782     kcf.fft.forward(ifft_res, result);
 783 }
 784
 785 float get_response_circular(cv::Point2i &pt, cv::Mat &response)
 786 {
 787     int x = pt.x;
 788     int y = pt.y;
 789     assert(response.dims == 2); // ensure .cols and .rows are valid
 790     if (x < 0) x = response.cols + x;
 791     if (y < 0) y = response.rows + y;
 792     if (x >= response.cols) x = x - response.cols;
 793     if (y >= response.rows) y = y - response.rows;
 794
 795     return response.at<float>(y, x);
 796 }
 797
 798 cv::Point2f KCF_Tracker::sub_pixel_peak(cv::Point &max_loc, cv::Mat &response) const
 799 {
 800     // find neighbourhood of max_loc (response is circular)
 801     // 1 2 3
 802     // 4   5
 803     // 6 7 8
 804     cv::Point2i p1(max_loc.x - 1, max_loc.y - 1), p2(max_loc.x, max_loc.y - 1), p3(max_loc.x + 1, max_loc.y - 1);
 805     cv::Point2i p4(max_loc.x - 1, max_loc.y), p5(max_loc.x + 1, max_loc.y);
 806     cv::Point2i p6(max_loc.x - 1, max_loc.y + 1), p7(max_loc.x, max_loc.y + 1), p8(max_loc.x + 1, max_loc.y + 1);
 807
 808     // clang-format off
 809     // fit 2d quadratic function f(x, y) = a*x^2 + b*x*y + c*y^2 + d*x + e*y + f
 810     cv::Mat A = (cv::Mat_<float>(9, 6) <<
 811                  p1.x*p1.x, p1.x*p1.y, p1.y*p1.y, p1.x, p1.y, 1.f,
 812                  p2.x*p2.x, p2.x*p2.y, p2.y*p2.y, p2.x, p2.y, 1.f,
 813                  p3.x*p3.x, p3.x*p3.y, p3.y*p3.y, p3.x, p3.y, 1.f,
 814                  p4.x*p4.x, p4.x*p4.y, p4.y*p4.y, p4.x, p4.y, 1.f,
 815                  p5.x*p5.x, p5.x*p5.y, p5.y*p5.y, p5.x, p5.y, 1.f,
 816                  p6.x*p6.x, p6.x*p6.y, p6.y*p6.y, p6.x, p6.y, 1.f,
 817                  p7.x*p7.x, p7.x*p7.y, p7.y*p7.y, p7.x, p7.y, 1.f,
 818                  p8.x*p8.x, p8.x*p8.y, p8.y*p8.y, p8.x, p8.y, 1.f,
 819                  max_loc.x*max_loc.x, max_loc.x*max_loc.y, max_loc.y*max_loc.y, max_loc.x, max_loc.y, 1.f);
 820     cv::Mat fval = (cv::Mat_<float>(9, 1) <<
 821                     get_response_circular(p1, response),
 822                     get_response_circular(p2, response),
 823                     get_response_circular(p3, response),
 824                     get_response_circular(p4, response),
 825                     get_response_circular(p5, response),
 826                     get_response_circular(p6, response),
 827                     get_response_circular(p7, response),
 828                     get_response_circular(p8, response),
 829                     get_response_circular(max_loc, response));
 830     // clang-format on
 831     cv::Mat x;
 832     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 833
 834     float a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1), c = x.at<float>(2), d = x.at<float>(3), e = x.at<float>(4);
 835
 836     cv::Point2f sub_peak(max_loc.x, max_loc.y);
 837     if (4 * a * c - b * b > p_floating_error) {
 838         sub_peak.y = ((2.f * a * e) / b - d) / (b - (4 * a * c) / b);
 839         sub_peak.x = (-2 * c * sub_peak.y - e) / b;
 840         if (fabs(sub_peak.x - max_loc.x) > 1 ||
 841             fabs(sub_peak.y - max_loc.y) > 1)
 842             sub_peak = max_loc;
 843     }
 844
 845     return sub_peak;
 846 }
 847
 848 double KCF_Tracker::sub_grid_scale(uint max_index)
 849 {
 850     cv::Mat A, fval;
 851     const auto &vec = d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max, threadctxs);
 852     uint index = vec.getScaleIdx(max_index);
 853     uint angle_idx = vec.getAngleIdx(max_index);
 854
 855     if (index >= vec.size()) {
 856         // interpolate from all values
 857         // fit 1d quadratic function f(x) = a*x^2 + b*x + c
 858         A.create(p_scales.size(), 3, CV_32FC1);
 859         fval.create(p_scales.size(), 1, CV_32FC1);
 860         for (size_t i = 0; i < p_scales.size(); ++i) {
 861             A.at<float>(i, 0) = float(p_scales[i] * p_scales[i]);
 862             A.at<float>(i, 1) = float(p_scales[i]);
 863             A.at<float>(i, 2) = 1;
 864             fval.at<float>(i) = d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max[i].response, threadctxs(i, angle_idx).max.response);
 865         }
 866     } else {
 867         // only from neighbours
 868         if (index == 0 || index == p_scales.size() - 1)
 869            return p_scales[index];
 870
 871         A = (cv::Mat_<float>(3, 3) <<
 872              p_scales[index - 1] * p_scales[index - 1], p_scales[index - 1], 1,
 873              p_scales[index + 0] * p_scales[index + 0], p_scales[index + 0], 1,
 874              p_scales[index + 1] * p_scales[index + 1], p_scales[index + 1], 1);
 875 #ifdef BIG_BATCH
 876         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 877                 d->threadctxs[0].max(index - 1, angle_idx).response,
 878                 d->threadctxs[0].max(index + 0, angle_idx).response,
 879                 d->threadctxs[0].max(index + 1, angle_idx).response);
 880 #else
 881         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 882                 d->threadctxs(index - 1, angle_idx).max.response,
 883                 d->threadctxs(index + 0, angle_idx).max.response,
 884                 d->threadctxs(index + 1, angle_idx).max.response);
 885 #endif
 886     }
 887
 888     cv::Mat x;
 889     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 890     float a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1);
 891     double scale = p_scales[index];
 892     if (a > 0 || a < 0)
 893         scale = -b / (2 * a);
 894     return scale;
 895 }
 896
 897 double KCF_Tracker::sub_grid_angle(uint max_index)
 898 {
 899     cv::Mat A, fval;
 900     const auto &vec = d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max, threadctxs);
 901     uint scale_idx = vec.getScaleIdx(max_index);
 902     uint index = vec.getAngleIdx(max_index);
 903
 904     if (index >= vec.size()) {
 905         // interpolate from all values
 906         // fit 1d quadratic function f(x) = a*x^2 + b*x + c
 907         A.create(p_angles.size(), 3, CV_32FC1);
 908         fval.create(p_angles.size(), 1, CV_32FC1);
 909         for (size_t i = 0; i < p_angles.size(); ++i) {
 910             A.at<float>(i, 0) = float(p_angles[i] * p_angles[i]);
 911             A.at<float>(i, 1) = float(p_angles[i]);
 912             A.at<float>(i, 2) = 1;
 913             fval.at<float>(i) = d->IF_BIG_BATCH(threadctxs[0].max[i].response, threadctxs(scale_idx, i).max.response);
 914         }
 915     } else {
 916         // only from neighbours
 917         if (index == 0 || index == p_angles.size() - 1)
 918            return p_angles[index];
 919
 920         A = (cv::Mat_<float>(3, 3) <<
 921              p_angles[index - 1] * p_angles[index - 1], p_angles[index - 1], 1,
 922              p_angles[index + 0] * p_angles[index + 0], p_angles[index + 0], 1,
 923              p_angles[index + 1] * p_angles[index + 1], p_angles[index + 1], 1);
 924 #ifdef BIG_BATCH
 925         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 926                 d->threadctxs[0].max(scale_idx, index - 1).response,
 927                 d->threadctxs[0].max(scale_idx, index + 0).response,
 928                 d->threadctxs[0].max(scale_idx, index + 1).response);
 929 #else
 930         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 931                 d->threadctxs(scale_idx, index - 1).max.response,
 932                 d->threadctxs(scale_idx, index + 0).max.response,
 933                 d->threadctxs(scale_idx, index + 1).max.response);
 934 #endif
 935     }
 936
 937     cv::Mat x;
 938     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 939     float a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1);
 940     double angle = p_angles[index];
 941     if (a > 0 || a < 0)
 942         angle = -b / (2 * a);
 943     return angle;
 944 }