src/kcf.cpp

   1 #include "kcf.h"
   2 #include <numeric>
   3 #include <thread>
   4 #include <future>
   5 #include <algorithm>
   6
   7 #ifdef FFTW
   8   #include "fft_fftw.h"
   9   #define FFT Fftw
  10 #elif defined(CUFFT)
  11   #include "fft_cufft.h"
  12   #define FFT cuFFT
  13 #else
  14   #include "fft_opencv.h"
  15   #define FFT FftOpencv
  16 #endif
  17
  18 #ifdef OPENMP
  19 #include <omp.h>
  20 #endif //OPENMP
  21
  22 #define DEBUG_PRINT(obj) if (m_debug) {std::cout << #obj << " @" /*<< __LINE__*/ << std::endl << (obj) << std::endl;}
  23 #define DEBUG_PRINTM(obj) if (m_debug) {std::cout << #obj << " @" /*<< __LINE__ */<< " " << (obj).size() << " CH: " << (obj).channels() << std::endl << (obj) << std::endl;}
  24
  25 KCF_Tracker::KCF_Tracker(double padding, double kernel_sigma, double lambda, double interp_factor, double output_sigma_factor, int cell_size) :
  26     fft(*new FFT()),
  27     p_padding(padding), p_output_sigma_factor(output_sigma_factor), p_kernel_sigma(kernel_sigma),
  28     p_lambda(lambda), p_interp_factor(interp_factor), p_cell_size(cell_size) {}
  29
  30 KCF_Tracker::KCF_Tracker()
  31     : fft(*new FFT()) {}
  32
  33 KCF_Tracker::~KCF_Tracker()
  34 {
  35     delete &fft;
  36 #ifdef CUFFT
  37     for (int i = 0;i < p_num_scales;++i) {
  38         CudaSafeCall(cudaFreeHost(scale_vars[i].xf_sqr_norm));
  39         CudaSafeCall(cudaFreeHost(scale_vars[i].yf_sqr_norm));
  40         CudaSafeCall(cudaFree(scale_vars[i].gauss_corr_res));
  41     }
  42 #else
  43     for (int i = 0;i < p_num_scales;++i) {
  44         free(scale_vars[i].xf_sqr_norm);
  45         free(scale_vars[i].yf_sqr_norm);
  46     }
  47 #endif
  48 }
  49
  50 void KCF_Tracker::init(cv::Mat &img, const cv::Rect & bbox, int fit_size_x, int fit_size_y)
  51 {
  52     //check boundary, enforce min size
  53     double x1 = bbox.x, x2 = bbox.x + bbox.width, y1 = bbox.y, y2 = bbox.y + bbox.height;
  54     if (x1 < 0) x1 = 0.;
  55     if (x2 > img.cols-1) x2 = img.cols - 1;
  56     if (y1 < 0) y1 = 0;
  57     if (y2 > img.rows-1) y2 = img.rows - 1;
  58
  59     if (x2-x1 < 2*p_cell_size) {
  60         double diff = (2*p_cell_size -x2+x1)/2.;
  61         if (x1 - diff >= 0 && x2 + diff < img.cols){
  62             x1 -= diff;
  63             x2 += diff;
  64         } else if (x1 - 2*diff >= 0) {
  65             x1 -= 2*diff;
  66         } else {
  67             x2 += 2*diff;
  68         }
  69     }
  70     if (y2-y1 < 2*p_cell_size) {
  71         double diff = (2*p_cell_size -y2+y1)/2.;
  72         if (y1 - diff >= 0 && y2 + diff < img.rows){
  73             y1 -= diff;
  74             y2 += diff;
  75         } else if (y1 - 2*diff >= 0) {
  76             y1 -= 2*diff;
  77         } else {
  78             y2 += 2*diff;
  79         }
  80     }
  81
  82     p_pose.w = x2-x1;
  83     p_pose.h = y2-y1;
  84     p_pose.cx = x1 + p_pose.w/2.;
  85     p_pose.cy = y1 + p_pose.h /2.;
  86
  87
  88     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
  89     if (img.channels() == 3){
  90         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
  91         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
  92     }else
  93         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
  94
  95     // don't need too large image
  96     if (p_pose.w * p_pose.h > 100.*100. && (fit_size_x == -1 || fit_size_y == -1)) {
  97         std::cout << "resizing image by factor of " << 1/p_downscale_factor << std::endl;
  98         p_resize_image = true;
  99         p_pose.scale(p_downscale_factor);
 100         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0,0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 101         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0,0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 102     } else if (!(fit_size_x == -1 && fit_size_y == -1)) {
 103         if (fit_size_x%p_cell_size != 0 || fit_size_y%p_cell_size != 0) {
 104             std::cerr << "Fit size does not fit to hog cell size. The dimensions have to be divisible by HOG cell size, which is: " << p_cell_size << std::endl;;
 105             std::exit(EXIT_FAILURE);
 106         }
 107         double tmp;
 108         if (( tmp = (p_pose.w * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size ) != fit_size_x)
 109             p_scale_factor_x = fit_size_x/tmp;
 110         if (( tmp = (p_pose.h * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size ) != fit_size_y)
 111             p_scale_factor_y = fit_size_y/tmp;
 112         std::cout << "resizing image horizontaly by factor of " << p_scale_factor_x
 113                   << " and verticaly by factor of " << p_scale_factor_y << std::endl;
 114         p_fit_to_pw2 = true;
 115         p_pose.scale_x(p_scale_factor_x);
 116         p_pose.scale_y(p_scale_factor_y);
 117         if (p_scale_factor_x != 1 && p_scale_factor_y != 1) {
 118             if (p_scale_factor_x < 1 && p_scale_factor_y < 1) {
 119                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 120                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 121             } else {
 122                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 123                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 124             }
 125         }
 126     }
 127
 128     //compute win size + fit to fhog cell size
 129     p_windows_size[0] = round(p_pose.w * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 130     p_windows_size[1] = round(p_pose.h * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 131
 132     p_scales.clear();
 133     if (m_use_scale)
 134         for (int i = -p_num_scales/2; i <= p_num_scales/2; ++i)
 135             p_scales.push_back(std::pow(p_scale_step, i));
 136     else
 137         p_scales.push_back(1.);
 138
 139     for (int i = 0;i<p_num_scales;++i) {
 140         scale_vars.push_back(Scale_vars());
 141     }
 142
 143     p_num_of_feats = 31;
 144     if(m_use_color) p_num_of_feats += 3;
 145     if(m_use_cnfeat) p_num_of_feats += 10;
 146     p_roi_width = p_windows_size[0]/p_cell_size;
 147     p_roi_height = p_windows_size[1]/p_cell_size;
 148
 149 #ifdef BIG_BATCH
 150     int alloc_size = p_num_scales;
 151 #else
 152     int alloc_size = 1;
 153 #endif
 154
 155 #ifdef CUFFT
 156     if (p_windows_size[1]/p_cell_size*(p_windows_size[0]/p_cell_size/2+1) > 1024) {
 157         std::cerr << "Window after forward FFT is too big for CUDA kernels. Plese use -f to set "
 158         "the window dimensions so its size is less or equal to " << 1024*p_cell_size*p_cell_size*2+1 <<
 159         " pixels . Currently the size of the window is: " <<  p_windows_size[0] << "x" <<  p_windows_size[1] <<
 160         " which is  " <<  p_windows_size[0]*p_windows_size[1] << " pixels. " << std::endl;
 161         std::exit(EXIT_FAILURE);
 162     }
 163
 164     if (m_use_linearkernel){
 165         std::cerr << "cuFFT supports only Gaussian kernel." << std::endl;
 166         std::exit(EXIT_FAILURE);
 167     }
 168     cudaSetDeviceFlags(cudaDeviceMapHost);
 169
 170     for (int i = 0;i<p_num_scales;++i) {
 171         CudaSafeCall(cudaHostAlloc((void**)&scale_vars[i].xf_sqr_norm, alloc_size*sizeof(float), cudaHostAllocMapped));
 172         CudaSafeCall(cudaHostGetDevicePointer((void**)&scale_vars[i].xf_sqr_norm_d, (void*)scale_vars[i].xf_sqr_norm, 0));
 173
 174         CudaSafeCall(cudaHostAlloc((void**)&scale_vars[i].yf_sqr_norm, sizeof(float), cudaHostAllocMapped));
 175         CudaSafeCall(cudaHostGetDevicePointer((void**)&scale_vars[i].yf_sqr_norm_d, (void*)scale_vars[i].yf_sqr_norm, 0));
 176
 177         CudaSafeCall(cudaMalloc((void**)&scale_vars[i].gauss_corr_res, (p_windows_size[0]/p_cell_size)*(p_windows_size[1]/p_cell_size)*alloc_size*sizeof(float)));
 178     }
 179 #else
 180     for (int i = 0;i<p_num_scales;++i) {
 181         scale_vars[i].xf_sqr_norm = (float*) malloc(alloc_size*sizeof(float));
 182         scale_vars[i].yf_sqr_norm = (float*) malloc(sizeof(float));
 183
 184         scale_vars[i].patch_feats.reserve(p_num_of_feats);
 185
 186         scale_vars[i].zf = ComplexMat(p_windows_size[1]/p_cell_size, p_windows_size[0]/p_cell_size, p_num_of_feats);
 187     }
 188 #endif
 189
 190     p_current_scale = 1.;
 191
 192     double min_size_ratio = std::max(5.*p_cell_size/p_windows_size[0], 5.*p_cell_size/p_windows_size[1]);
 193     double max_size_ratio = std::min(floor((img.cols + p_windows_size[0]/3)/p_cell_size)*p_cell_size/p_windows_size[0], floor((img.rows + p_windows_size[1]/3)/p_cell_size)*p_cell_size/p_windows_size[1]);
 194     p_min_max_scale[0] = std::pow(p_scale_step, std::ceil(std::log(min_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 195     p_min_max_scale[1] = std::pow(p_scale_step, std::floor(std::log(max_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 196
 197     std::cout << "init: img size " << img.cols << " " << img.rows << std::endl;
 198     std::cout << "init: win size. " << p_windows_size[0] << " " << p_windows_size[1] << std::endl;
 199     std::cout << "init: min max scales factors: " << p_min_max_scale[0] << " " << p_min_max_scale[1] << std::endl;
 200
 201     p_output_sigma = std::sqrt(p_pose.w*p_pose.h) * p_output_sigma_factor / static_cast<double>(p_cell_size);
 202
 203     //window weights, i.e. labels
 204     fft.init(p_windows_size[0]/p_cell_size, p_windows_size[1]/p_cell_size, p_num_of_feats, p_num_scales, m_use_big_batch);
 205     p_yf = fft.forward(gaussian_shaped_labels(p_output_sigma, p_windows_size[0]/p_cell_size, p_windows_size[1]/p_cell_size));
 206     fft.set_window(cosine_window_function(p_windows_size[0]/p_cell_size, p_windows_size[1]/p_cell_size));
 207
 208     //obtain a sub-window for training initial model
 209     get_features(input_rgb, input_gray, p_pose.cx, p_pose.cy, p_windows_size[0], p_windows_size[1], scale_vars[0]);
 210     p_model_xf = fft.forward_window(scale_vars[0].patch_feats);
 211     DEBUG_PRINTM(p_model_xf);
 212     scale_vars[0].flag = Track_flags::AUTO_CORRELATION;
 213
 214     if (m_use_linearkernel) {
 215         ComplexMat xfconj = p_model_xf.conj();
 216         p_model_alphaf_num = xfconj.mul(p_yf);
 217         p_model_alphaf_den = (p_model_xf * xfconj);
 218     } else {
 219         //Kernel Ridge Regression, calculate alphas (in Fourier domain)
 220         gaussian_correlation(scale_vars[0], p_model_xf, p_model_xf, p_kernel_sigma, true);
 221         DEBUG_PRINTM(scale_vars[0].kf);
 222         p_model_alphaf_num = p_yf * scale_vars[0].kf;
 223         DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf_num);
 224         p_model_alphaf_den = scale_vars[0].kf * (scale_vars[0].kf + p_lambda);
 225         DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf_den);
 226     }
 227     p_model_alphaf = p_model_alphaf_num / p_model_alphaf_den;
 228     DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf);
 229 //        p_model_alphaf = p_yf / (kf + p_lambda);   //equation for fast training
 230 }
 231
 232 void KCF_Tracker::setTrackerPose(BBox_c &bbox, cv::Mat & img, int fit_size_x, int fit_size_y)
 233 {
 234     init(img, bbox.get_rect(), fit_size_x, fit_size_y);
 235 }
 236
 237 void KCF_Tracker::updateTrackerPosition(BBox_c &bbox)
 238 {
 239     if (p_resize_image) {
 240         BBox_c tmp = bbox;
 241         tmp.scale(p_downscale_factor);
 242         p_pose.cx = tmp.cx;
 243         p_pose.cy = tmp.cy;
 244     } else if (p_fit_to_pw2) {
 245         BBox_c tmp = bbox;
 246         tmp.scale_x(p_scale_factor_x);
 247         tmp.scale_y(p_scale_factor_y);
 248         p_pose.cx = tmp.cx;
 249         p_pose.cy = tmp.cy;
 250     } else {
 251         p_pose.cx = bbox.cx;
 252         p_pose.cy = bbox.cy;
 253     }
 254 }
 255
 256 BBox_c KCF_Tracker::getBBox()
 257 {
 258     BBox_c tmp = p_pose;
 259     tmp.w *= p_current_scale;
 260     tmp.h *= p_current_scale;
 261
 262     if (p_resize_image)
 263         tmp.scale(1/p_downscale_factor);
 264     if (p_fit_to_pw2) {
 265         tmp.scale_x(1/p_scale_factor_x);
 266         tmp.scale_y(1/p_scale_factor_y);
 267     }
 268
 269     return tmp;
 270 }
 271
 272 void KCF_Tracker::track(cv::Mat &img)
 273 {
 274     if (m_debug)
 275         std::cout << "NEW FRAME" << '\n';
 276     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 277     if (img.channels() == 3){
 278         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 279         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 280     }else
 281         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 282
 283     // don't need too large image
 284     if (p_resize_image) {
 285         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 286         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 287     } else if (p_fit_to_pw2 && p_scale_factor_x != 1 && p_scale_factor_y != 1) {
 288         if (p_scale_factor_x < 1 && p_scale_factor_y < 1) {
 289             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 290             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 291         } else {
 292             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 293             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 294         }
 295     }
 296
 297     double max_response = -1.;
 298     int scale_index = 0;
 299     cv::Point2i *max_response_pt = nullptr;
 300     cv::Mat *max_response_map = nullptr;
 301
 302     for (size_t i = 0; i < p_scales.size(); ++i) {
 303         scale_track(this->scale_vars[i], input_rgb, input_gray, this->p_scales[i]);
 304
 305         if (this->scale_vars[i].max_response > max_response) {
 306             max_response = this->scale_vars[i].max_response;
 307             max_response_pt = & this->scale_vars[i].max_loc;
 308             max_response_map = & this->scale_vars[i].response;
 309             scale_index = i;
 310         }
 311     }
 312
 313     DEBUG_PRINTM(*max_response_map);
 314     DEBUG_PRINT(*max_response_pt);
 315
 316     //sub pixel quadratic interpolation from neighbours
 317     if (max_response_pt->y > max_response_map->rows / 2) //wrap around to negative half-space of vertical axis
 318         max_response_pt->y = max_response_pt->y - max_response_map->rows;
 319     if (max_response_pt->x > max_response_map->cols / 2) //same for horizontal axis
 320         max_response_pt->x = max_response_pt->x - max_response_map->cols;
 321
 322     cv::Point2f new_location(max_response_pt->x, max_response_pt->y);
 323     DEBUG_PRINT(new_location);
 324
 325     if (m_use_subpixel_localization)
 326         new_location = sub_pixel_peak(*max_response_pt, *max_response_map);
 327     DEBUG_PRINT(new_location);
 328
 329     p_pose.cx += p_current_scale*p_cell_size*new_location.x;
 330     p_pose.cy += p_current_scale*p_cell_size*new_location.y;
 331     if (p_fit_to_pw2) {
 332         if (p_pose.cx < 0) p_pose.cx = 0;
 333         if (p_pose.cx > (img.cols*p_scale_factor_x)-1) p_pose.cx = (img.cols*p_scale_factor_x)-1;
 334         if (p_pose.cy < 0) p_pose.cy = 0;
 335         if (p_pose.cy > (img.rows*p_scale_factor_y)-1) p_pose.cy = (img.rows*p_scale_factor_y)-1;
 336     } else {
 337         if (p_pose.cx < 0) p_pose.cx = 0;
 338         if (p_pose.cx > img.cols-1) p_pose.cx = img.cols-1;
 339         if (p_pose.cy < 0) p_pose.cy = 0;
 340         if (p_pose.cy > img.rows-1) p_pose.cy = img.rows-1;
 341     }
 342
 343     //sub grid scale interpolation
 344     double new_scale = p_scales[scale_index];
 345     if (m_use_subgrid_scale)
 346         new_scale = sub_grid_scale(scale_index);
 347
 348     p_current_scale *= new_scale;
 349
 350     if (p_current_scale < p_min_max_scale[0])
 351         p_current_scale = p_min_max_scale[0];
 352     if (p_current_scale > p_min_max_scale[1])
 353         p_current_scale = p_min_max_scale[1];
 354     //obtain a subwindow for training at newly estimated target position
 355     get_features(input_rgb, input_gray, p_pose.cx, p_pose.cy, p_windows_size[0], p_windows_size[1], scale_vars[0], p_current_scale);
 356     ComplexMat xf = fft.forward_window(scale_vars[0].patch_feats);
 357
 358     //subsequent frames, interpolate model
 359     p_model_xf = p_model_xf * (1. - p_interp_factor) + xf * p_interp_factor;
 360
 361     ComplexMat alphaf_num, alphaf_den;
 362     scale_vars[0].flag = Track_flags::AUTO_CORRELATION;
 363
 364     if (m_use_linearkernel) {
 365         ComplexMat xfconj = xf.conj();
 366         alphaf_num = xfconj.mul(p_yf);
 367         alphaf_den = (xf * xfconj);
 368     } else {
 369         //Kernel Ridge Regression, calculate alphas (in Fourier domain)
 370         gaussian_correlation(scale_vars[0], xf, xf, p_kernel_sigma, true);
 371 //        ComplexMat alphaf = p_yf / (kf + p_lambda); //equation for fast training
 372 //        p_model_alphaf = p_model_alphaf * (1. - p_interp_factor) + alphaf * p_interp_factor;
 373         alphaf_num = p_yf * scale_vars[0].kf;
 374         alphaf_den = scale_vars[0].kf * (scale_vars[0].kf + p_lambda);
 375     }
 376
 377     p_model_alphaf_num = p_model_alphaf_num * (1. - p_interp_factor) + alphaf_num * p_interp_factor;
 378     p_model_alphaf_den = p_model_alphaf_den * (1. - p_interp_factor) + alphaf_den * p_interp_factor;
 379     p_model_alphaf = p_model_alphaf_num / p_model_alphaf_den;
 380 }
 381
 382 // ****************************************************************************
 383
 384 void KCF_Tracker::scale_track(Scale_vars & vars, cv::Mat & input_rgb, cv::Mat & input_gray, double scale)
 385 {
 386     get_features(input_rgb, input_gray, this->p_pose.cx, this->p_pose.cy, this->p_windows_size[0], this->p_windows_size[1],
 387                                 vars, this->p_current_scale * scale);
 388
 389     fft.forward_window(vars);
 390     DEBUG_PRINTM(vars.zf);
 391
 392     if (m_use_linearkernel) {
 393                 vars.kzf = (vars.zf.mul2(p_model_alphaf)).sum_over_channels();
 394                 vars.flag = Track_flags::RESPONSE;
 395                 fft.inverse(vars);
 396     } else {
 397         vars.flag = Track_flags::CROSS_CORRELATION;
 398         gaussian_correlation(vars, vars.zf, this->p_model_xf, this->p_kernel_sigma);
 399         DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf);
 400         DEBUG_PRINTM(vars.kzf);
 401         DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf * vars.kzf);
 402         vars.flag = Track_flags::RESPONSE;
 403         vars.kzf = p_model_alphaf * vars.kzf;
 404         fft.inverse(vars);
 405     }
 406
 407     DEBUG_PRINTM(vars.response);
 408
 409     /* target location is at the maximum response. we must take into
 410     account the fact that, if the target doesn't move, the peak
 411     will appear at the top-left corner, not at the center (this is
 412     discussed in the paper). the responses wrap around cyclically. */
 413     double min_val;
 414     cv::Point2i min_loc;
 415     cv::minMaxLoc(vars.response, &min_val, &vars.max_val, &min_loc, &vars.max_loc);
 416
 417     DEBUG_PRINT(vars.max_loc);
 418
 419     double weight = scale < 1. ? scale : 1./scale;
 420     vars.max_response = vars.max_val*weight;
 421 }
 422
 423 void KCF_Tracker::get_features(cv::Mat & input_rgb, cv::Mat & input_gray, int cx, int cy, int size_x, int size_y, Scale_vars &vars, double scale)
 424 {
 425     int size_x_scaled = floor(size_x*scale);
 426     int size_y_scaled = floor(size_y*scale);
 427
 428     cv::Mat patch_gray = get_subwindow(input_gray, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 429     cv::Mat patch_rgb = get_subwindow(input_rgb, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 430
 431     //resize to default size
 432     if (scale > 1.){
 433         //if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 434         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 435     }else {
 436         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 437     }
 438
 439     // get hog(Histogram of Oriented Gradients) features
 440     FHoG::extract(patch_gray, vars, 2, p_cell_size, 9);
 441
 442     //get color rgb features (simple r,g,b channels)
 443     std::vector<cv::Mat> color_feat;
 444     if ((m_use_color || m_use_cnfeat) && input_rgb.channels() == 3) {
 445         //resize to default size
 446         if (scale > 1.){
 447             //if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 448             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x/p_cell_size, size_y/p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 449         }else {
 450             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x/p_cell_size, size_y/p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 451         }
 452     }
 453
 454     if (m_use_color && input_rgb.channels() == 3) {
 455         //use rgb color space
 456         cv::Mat patch_rgb_norm;
 457         patch_rgb.convertTo(patch_rgb_norm, CV_32F, 1. / 255., -0.5);
 458         cv::Mat ch1(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 459         cv::Mat ch2(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 460         cv::Mat ch3(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 461         std::vector<cv::Mat> rgb = {ch1, ch2, ch3};
 462         cv::split(patch_rgb_norm, rgb);
 463         color_feat.insert(color_feat.end(), rgb.begin(), rgb.end());
 464     }
 465
 466     if (m_use_cnfeat && input_rgb.channels() == 3) {
 467         std::vector<cv::Mat> cn_feat = CNFeat::extract(patch_rgb);
 468         color_feat.insert(color_feat.end(), cn_feat.begin(), cn_feat.end());
 469     }
 470
 471     vars.patch_feats.insert(vars.patch_feats.end(), color_feat.begin(), color_feat.end());
 472     return;
 473 }
 474
 475 cv::Mat KCF_Tracker::gaussian_shaped_labels(double sigma, int dim1, int dim2)
 476 {
 477     cv::Mat labels(dim2, dim1, CV_32FC1);
 478     int range_y[2] = {-dim2 / 2, dim2 - dim2 / 2};
 479     int range_x[2] = {-dim1 / 2, dim1 - dim1 / 2};
 480
 481     double sigma_s = sigma*sigma;
 482
 483     for (int y = range_y[0], j = 0; y < range_y[1]; ++y, ++j){
 484         float * row_ptr = labels.ptr<float>(j);
 485         double y_s = y*y;
 486         for (int x = range_x[0], i = 0; x < range_x[1]; ++x, ++i){
 487             row_ptr[i] = std::exp(-0.5 * (y_s + x*x) / sigma_s);//-1/2*e^((y^2+x^2)/sigma^2)
 488         }
 489     }
 490
 491     //rotate so that 1 is at top-left corner (see KCF paper for explanation)
 492     cv::Mat rot_labels = circshift(labels, range_x[0], range_y[0]);
 493     //sanity check, 1 at top left corner
 494     assert(rot_labels.at<float>(0,0) >= 1.f - 1e-10f);
 495
 496     return rot_labels;
 497 }
 498
 499 cv::Mat KCF_Tracker::circshift(const cv::Mat &patch, int x_rot, int y_rot)
 500 {
 501     cv::Mat rot_patch(patch.size(), CV_32FC1);
 502     cv::Mat tmp_x_rot(patch.size(), CV_32FC1);
 503
 504     //circular rotate x-axis
 505     if (x_rot < 0) {
 506         //move part that does not rotate over the edge
 507         cv::Range orig_range(-x_rot, patch.cols);
 508         cv::Range rot_range(0, patch.cols - (-x_rot));
 509         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 510
 511         //rotated part
 512         orig_range = cv::Range(0, -x_rot);
 513         rot_range = cv::Range(patch.cols - (-x_rot), patch.cols);
 514         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 515     }else if (x_rot > 0){
 516         //move part that does not rotate over the edge
 517         cv::Range orig_range(0, patch.cols - x_rot);
 518         cv::Range rot_range(x_rot, patch.cols);
 519         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 520
 521         //rotated part
 522         orig_range = cv::Range(patch.cols - x_rot, patch.cols);
 523         rot_range = cv::Range(0, x_rot);
 524         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 525     }else {    //zero rotation
 526         //move part that does not rotate over the edge
 527         cv::Range orig_range(0, patch.cols);
 528         cv::Range rot_range(0, patch.cols);
 529         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 530     }
 531
 532     //circular rotate y-axis
 533     if (y_rot < 0) {
 534         //move part that does not rotate over the edge
 535         cv::Range orig_range(-y_rot, patch.rows);
 536         cv::Range rot_range(0, patch.rows - (-y_rot));
 537         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 538
 539         //rotated part
 540         orig_range = cv::Range(0, -y_rot);
 541         rot_range = cv::Range(patch.rows - (-y_rot), patch.rows);
 542         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 543     }else if (y_rot > 0){
 544         //move part that does not rotate over the edge
 545         cv::Range orig_range(0, patch.rows - y_rot);
 546         cv::Range rot_range(y_rot, patch.rows);
 547         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 548
 549         //rotated part
 550         orig_range = cv::Range(patch.rows - y_rot, patch.rows);
 551         rot_range = cv::Range(0, y_rot);
 552         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 553     }else { //zero rotation
 554         //move part that does not rotate over the edge
 555         cv::Range orig_range(0, patch.rows);
 556         cv::Range rot_range(0, patch.rows);
 557         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 558     }
 559
 560     return rot_patch;
 561 }
 562
 563 //hann window actually (Power-of-cosine windows)
 564 cv::Mat KCF_Tracker::cosine_window_function(int dim1, int dim2)
 565 {
 566     cv::Mat m1(1, dim1, CV_32FC1), m2(dim2, 1, CV_32FC1);
 567     double N_inv = 1./(static_cast<double>(dim1)-1.);
 568     for (int i = 0; i < dim1; ++i)
 569         m1.at<float>(i) = 0.5*(1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv));
 570     N_inv = 1./(static_cast<double>(dim2)-1.);
 571     for (int i = 0; i < dim2; ++i)
 572         m2.at<float>(i) = 0.5*(1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv));
 573     cv::Mat ret = m2*m1;
 574     return ret;
 575 }
 576
 577 // Returns sub-window of image input centered at [cx, cy] coordinates),
 578 // with size [width, height]. If any pixels are outside of the image,
 579 // they will replicate the values at the borders.
 580 cv::Mat KCF_Tracker::get_subwindow(const cv::Mat & input, int cx, int cy, int width, int height)
 581 {
 582     cv::Mat patch;
 583
 584     int x1 = cx - width/2;
 585     int y1 = cy - height/2;
 586     int x2 = cx + width/2;
 587     int y2 = cy + height/2;
 588
 589     //out of image
 590     if (x1 >= input.cols || y1 >= input.rows || x2 < 0 || y2 < 0) {
 591         patch.create(height, width, input.type());
 592         patch.setTo(0.f);
 593         return patch;
 594     }
 595
 596     int top = 0, bottom = 0, left = 0, right = 0;
 597
 598     //fit to image coordinates, set border extensions;
 599     if (x1 < 0) {
 600         left = -x1;
 601         x1 = 0;
 602     }
 603     if (y1 < 0) {
 604         top = -y1;
 605         y1 = 0;
 606     }
 607     if (x2 >= input.cols) {
 608         right = x2 - input.cols + width % 2;
 609         x2 = input.cols;
 610     } else
 611         x2 += width % 2;
 612
 613     if (y2 >= input.rows) {
 614         bottom = y2 - input.rows + height % 2;
 615         y2 = input.rows;
 616     } else
 617         y2 += height % 2;
 618
 619     if (x2 - x1 == 0 || y2 - y1 == 0)
 620         patch = cv::Mat::zeros(height, width, CV_32FC1);
 621     else
 622         {
 623             cv::copyMakeBorder(input(cv::Range(y1, y2), cv::Range(x1, x2)), patch, top, bottom, left, right, cv::BORDER_REPLICATE);
 624 //      imshow( "copyMakeBorder", patch);
 625 //      cv::waitKey();
 626         }
 627
 628     //sanity check
 629     assert(patch.cols == width && patch.rows == height);
 630
 631     return patch;
 632 }
 633
 634 void KCF_Tracker::gaussian_correlation(struct Scale_vars & vars, const ComplexMat & xf, const ComplexMat & yf, double sigma, bool auto_correlation)
 635 {
 636 #ifdef CUFFT
 637     xf.sqr_norm(vars.xf_sqr_norm_d);
 638     if (!auto_correlation)
 639         yf.sqr_norm(vars.yf_sqr_norm_d);
 640 #else
 641     xf.sqr_norm(vars.xf_sqr_norm);
 642     if (auto_correlation){
 643       vars.yf_sqr_norm[0] = vars.xf_sqr_norm[0];
 644     } else {
 645        yf.sqr_norm(vars.yf_sqr_norm);
 646     }
 647 #endif
 648     vars.xyf = auto_correlation ? xf.sqr_mag() : xf.mul2(yf.conj());
 649     DEBUG_PRINTM(vars.xyf);
 650 #ifdef CUFFT
 651     if(auto_correlation)
 652         cuda_gaussian_correlation(fft.inverse_raw(xyf), vars.gauss_corr_res, vars.xf_sqr_norm_d, vars.xf_sqr_norm_d, sigma, xf.n_channels, xf.n_scales, p_roi_height, p_roi_width);
 653     else
 654         cuda_gaussian_correlation(fft.inverse_raw(xyf), vars.gauss_corr_res, vars.xf_sqr_norm_d, vars.yf_sqr_norm_d, sigma, xf.n_channels, xf.n_scales, p_roi_height, p_roi_width);
 655
 656     return fft.forward_raw(vars.gauss_corr_res, xf.n_scales==p_num_scales);
 657 #else
 658     //ifft2 and sum over 3rd dimension, we dont care about individual channels
 659     fft.inverse(vars);
 660     DEBUG_PRINTM(vars.ifft2_res);
 661     cv::Mat xy_sum;
 662     if (xf.channels() != p_num_scales*p_num_of_feats)
 663         xy_sum.create(vars.ifft2_res.size(), CV_32FC1);
 664     else
 665         xy_sum.create(vars.ifft2_res.size(), CV_32FC(p_scales.size()));
 666     xy_sum.setTo(0);
 667     for (int y = 0; y < vars.ifft2_res.rows; ++y) {
 668         float * row_ptr = vars.ifft2_res.ptr<float>(y);
 669         float * row_ptr_sum = xy_sum.ptr<float>(y);
 670         for (int x = 0; x < vars.ifft2_res.cols; ++x) {
 671             for (int sum_ch = 0; sum_ch < xy_sum.channels(); ++sum_ch) {
 672                 row_ptr_sum[(x*xy_sum.channels())+sum_ch] += std::accumulate(row_ptr + x*vars.ifft2_res.channels() + sum_ch*(vars.ifft2_res.channels()/xy_sum.channels()),
 673                                                                                                                                                         (row_ptr + x*vars.ifft2_res.channels() + (sum_ch+1)*(vars.ifft2_res.channels()/xy_sum.channels())), 0.f);
 674             }
 675         }
 676     }
 677     DEBUG_PRINTM(xy_sum);
 678
 679     std::vector<cv::Mat> scales;
 680     cv::split(xy_sum,scales);
 681     vars.in_all = cv::Mat(scales[0].rows * xf.n_scales, scales[0].cols, CV_32F);
 682
 683     float numel_xf_inv = 1.f/(xf.cols * xf.rows * (xf.channels()/xf.n_scales));
 684     for (int i = 0; i < xf.n_scales; ++i){
 685         cv::Mat in_roi(vars.in_all, cv::Rect(0, i*scales[0].rows, scales[0].cols, scales[0].rows));
 686         cv::exp(- 1.f / (sigma * sigma) * cv::max((vars.xf_sqr_norm[i] + vars.yf_sqr_norm[0] - 2 * scales[i]) * numel_xf_inv, 0), in_roi);
 687         DEBUG_PRINTM(in_roi);
 688     }
 689
 690     DEBUG_PRINTM(vars.in_all );
 691     fft.forward(vars);
 692     return;
 693 #endif
 694 }
 695
 696 float get_response_circular(cv::Point2i & pt, cv::Mat & response)
 697 {
 698     int x = pt.x;
 699     int y = pt.y;
 700     if (x < 0)
 701         x = response.cols + x;
 702     if (y < 0)
 703         y = response.rows + y;
 704     if (x >= response.cols)
 705         x = x - response.cols;
 706     if (y >= response.rows)
 707         y = y - response.rows;
 708
 709     return response.at<float>(y,x);
 710 }
 711
 712 cv::Point2f KCF_Tracker::sub_pixel_peak(cv::Point & max_loc, cv::Mat & response)
 713 {
 714     //find neighbourhood of max_loc (response is circular)
 715     // 1 2 3
 716     // 4   5
 717     // 6 7 8
 718     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);
 719     cv::Point2i p4(max_loc.x-1, max_loc.y), p5(max_loc.x+1, max_loc.y);
 720     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);
 721
 722     // clang-format off
 723     // fit 2d quadratic function f(x, y) = a*x^2 + b*x*y + c*y^2 + d*x + e*y + f
 724     cv::Mat A = (cv::Mat_<float>(9, 6) <<
 725                  p1.x*p1.x, p1.x*p1.y, p1.y*p1.y, p1.x, p1.y, 1.f,
 726                  p2.x*p2.x, p2.x*p2.y, p2.y*p2.y, p2.x, p2.y, 1.f,
 727                  p3.x*p3.x, p3.x*p3.y, p3.y*p3.y, p3.x, p3.y, 1.f,
 728                  p4.x*p4.x, p4.x*p4.y, p4.y*p4.y, p4.x, p4.y, 1.f,
 729                  p5.x*p5.x, p5.x*p5.y, p5.y*p5.y, p5.x, p5.y, 1.f,
 730                  p6.x*p6.x, p6.x*p6.y, p6.y*p6.y, p6.x, p6.y, 1.f,
 731                  p7.x*p7.x, p7.x*p7.y, p7.y*p7.y, p7.x, p7.y, 1.f,
 732                  p8.x*p8.x, p8.x*p8.y, p8.y*p8.y, p8.x, p8.y, 1.f,
 733                  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);
 734     cv::Mat fval = (cv::Mat_<float>(9, 1) <<
 735                     get_response_circular(p1, response),
 736                     get_response_circular(p2, response),
 737                     get_response_circular(p3, response),
 738                     get_response_circular(p4, response),
 739                     get_response_circular(p5, response),
 740                     get_response_circular(p6, response),
 741                     get_response_circular(p7, response),
 742                     get_response_circular(p8, response),
 743                     get_response_circular(max_loc, response));
 744     // clang-format on
 745     cv::Mat x;
 746     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 747
 748     double a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1), c = x.at<float>(2),
 749            d = x.at<float>(3), e = x.at<float>(4);
 750
 751     cv::Point2f sub_peak(max_loc.x, max_loc.y);
 752     if (b > 0 || b < 0) {
 753         sub_peak.y = ((2.f * a * e) / b - d) / (b - (4 * a * c) / b);
 754         sub_peak.x = (-2 * c * sub_peak.y - e) / b;
 755     }
 756
 757     return sub_peak;
 758 }
 759
 760 double KCF_Tracker::sub_grid_scale(int index)
 761 {
 762     cv::Mat A, fval;
 763     if (index < 0 || index > (int)p_scales.size()-1) {
 764         // interpolate from all values
 765         // fit 1d quadratic function f(x) = a*x^2 + b*x + c
 766         A.create(p_scales.size(), 3, CV_32FC1);
 767         fval.create(p_scales.size(), 1, CV_32FC1);
 768         for (size_t i = 0; i < p_scales.size(); ++i) {
 769             A.at<float>(i, 0) = p_scales[i] * p_scales[i];
 770             A.at<float>(i, 1) = p_scales[i];
 771             A.at<float>(i, 2) = 1;
 772             fval.at<float>(i) = scale_vars[i].max_response;
 773         }
 774     } else {
 775         //only from neighbours
 776         if (index == 0 || index == (int)p_scales.size()-1)
 777             return p_scales[index];
 778
 779         A = (cv::Mat_<float>(3, 3) <<
 780              p_scales[index-1] * p_scales[index-1], p_scales[index-1], 1,
 781              p_scales[index] * p_scales[index], p_scales[index], 1,
 782              p_scales[index+1] * p_scales[index+1], p_scales[index+1], 1);
 783         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) << scale_vars[index-1].max_response, scale_vars[index].max_response, scale_vars[index+1].max_response);
 784     }
 785
 786     cv::Mat x;
 787     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 788     double a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1);
 789     double scale = p_scales[index];
 790     if (a > 0 || a < 0)
 791         scale = -b / (2 * a);
 792     return scale;
 793 }