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
   8 #ifdef FFTW
   9 #include "fft_fftw.h"
  10 #define FFT Fftw
  11 #elif defined(CUFFT)
  12 #include "fft_cufft.h"
  13 #define FFT cuFFT
  14 #else
  15 #include "fft_opencv.h"
  16 #define FFT FftOpencv
  17 #endif
  18
  19 #ifdef OPENMP
  20 #include <omp.h>
  21 #endif // OPENMP
  22
  23 DbgTracer __dbgTracer;
  24
  25 template <typename T>
  26 T clamp(const T& n, const T& lower, const T& upper)
  27 {
  28     return std::max(lower, std::min(n, upper));
  29 }
  30
  31 template <typename T>
  32 void clamp2(T& n, const T& lower, const T& upper)
  33 {
  34     n = std::max(lower, std::min(n, upper));
  35 }
  36
  37 class Kcf_Tracker_Private {
  38     friend KCF_Tracker;
  39     std::vector<ThreadCtx> threadctxs;
  40 };
  41
  42 KCF_Tracker::KCF_Tracker(double padding, double kernel_sigma, double lambda, double interp_factor,
  43                          double output_sigma_factor, int cell_size)
  44     : p_cell_size(cell_size), fft(*new FFT()), p_padding(padding), p_output_sigma_factor(output_sigma_factor), p_kernel_sigma(kernel_sigma),
  45       p_lambda(lambda), p_interp_factor(interp_factor), d(*new Kcf_Tracker_Private)
  46 {
  47 }
  48
  49 KCF_Tracker::KCF_Tracker() : fft(*new FFT()), d(*new Kcf_Tracker_Private) {}
  50
  51 KCF_Tracker::~KCF_Tracker()
  52 {
  53     delete &fft;
  54     delete &d;
  55 }
  56
  57 void KCF_Tracker::train(cv::Mat input_rgb, cv::Mat input_gray, double interp_factor)
  58 {
  59     TRACE("");
  60
  61     // obtain a sub-window for training
  62     // TODO: Move Mats outside from here
  63     MatScaleFeats patch_feats(1, p_num_of_feats, p_roi);
  64     DEBUG_PRINT(patch_feats);
  65     MatScaleFeats temp(1, p_num_of_feats, p_roi);
  66     get_features(input_rgb, input_gray, p_pose.cx, p_pose.cy,
  67                  p_windows_size.width, p_windows_size.height,
  68                  p_current_scale).copyTo(patch_feats.scale(0));
  69     DEBUG_PRINT(patch_feats);
  70     fft.forward_window(patch_feats, p_xf, temp);
  71     DEBUG_PRINTM(p_xf);
  72     p_model_xf = p_model_xf * (1. - interp_factor) + p_xf * interp_factor;
  73     DEBUG_PRINTM(p_model_xf);
  74
  75     ComplexMat alphaf_num, alphaf_den;
  76
  77     if (m_use_linearkernel) {
  78         ComplexMat xfconj = p_xf.conj();
  79         alphaf_num = xfconj.mul(p_yf);
  80         alphaf_den = (p_xf * xfconj);
  81     } else {
  82         // Kernel Ridge Regression, calculate alphas (in Fourier domain)
  83         cv::Size sz(Fft::freq_size(p_roi));
  84         ComplexMat kf(sz.height, sz.width, 1);
  85         (*gaussian_correlation)(kf, p_model_xf, p_model_xf, p_kernel_sigma, true, *this);
  86         DEBUG_PRINTM(kf);
  87         p_model_alphaf_num = p_yf * kf;
  88         p_model_alphaf_den = kf * (kf + p_lambda);
  89     }
  90     p_model_alphaf = p_model_alphaf_num / p_model_alphaf_den;
  91     DEBUG_PRINTM(p_model_alphaf);
  92     //        p_model_alphaf = p_yf / (kf + p_lambda);   //equation for fast training
  93 }
  94
  95 void KCF_Tracker::init(cv::Mat &img, const cv::Rect &bbox, int fit_size_x, int fit_size_y)
  96 {
  97     __dbgTracer.debug = m_debug;
  98     TRACE("");
  99
 100     // check boundary, enforce min size
 101     double x1 = bbox.x, x2 = bbox.x + bbox.width, y1 = bbox.y, y2 = bbox.y + bbox.height;
 102     if (x1 < 0) x1 = 0.;
 103     if (x2 > img.cols - 1) x2 = img.cols - 1;
 104     if (y1 < 0) y1 = 0;
 105     if (y2 > img.rows - 1) y2 = img.rows - 1;
 106
 107     if (x2 - x1 < 2 * p_cell_size) {
 108         double diff = (2 * p_cell_size - x2 + x1) / 2.;
 109         if (x1 - diff >= 0 && x2 + diff < img.cols) {
 110             x1 -= diff;
 111             x2 += diff;
 112         } else if (x1 - 2 * diff >= 0) {
 113             x1 -= 2 * diff;
 114         } else {
 115             x2 += 2 * diff;
 116         }
 117     }
 118     if (y2 - y1 < 2 * p_cell_size) {
 119         double diff = (2 * p_cell_size - y2 + y1) / 2.;
 120         if (y1 - diff >= 0 && y2 + diff < img.rows) {
 121             y1 -= diff;
 122             y2 += diff;
 123         } else if (y1 - 2 * diff >= 0) {
 124             y1 -= 2 * diff;
 125         } else {
 126             y2 += 2 * diff;
 127         }
 128     }
 129
 130     p_pose.w = x2 - x1;
 131     p_pose.h = y2 - y1;
 132     p_pose.cx = x1 + p_pose.w / 2.;
 133     p_pose.cy = y1 + p_pose.h / 2.;
 134
 135     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 136     if (img.channels() == 3) {
 137         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 138         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 139     } else
 140         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 141
 142     // don't need too large image
 143     if (p_pose.w * p_pose.h > 100. * 100. && (fit_size_x == -1 || fit_size_y == -1)) {
 144         std::cout << "resizing image by factor of " << 1 / p_downscale_factor << std::endl;
 145         p_resize_image = true;
 146         p_pose.scale(p_downscale_factor);
 147         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 148         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 149     } else if (!(fit_size_x == -1 && fit_size_y == -1)) {
 150         if (fit_size_x % p_cell_size != 0 || fit_size_y % p_cell_size != 0) {
 151             std::cerr << "Error: Fit size is not multiple of HOG cell size (" << p_cell_size << ")" << std::endl;
 152             std::exit(EXIT_FAILURE);
 153         }
 154         p_fit_factor_x = (double)fit_size_x / round(p_pose.w * (1. + p_padding));
 155         p_fit_factor_y = (double)fit_size_y / round(p_pose.h * (1. + p_padding));
 156         std::cout << "resizing image horizontaly by factor of " << p_fit_factor_x << " and verticaly by factor of "
 157                   << p_fit_factor_y << std::endl;
 158         p_fit_to_pw2 = true;
 159         p_pose.scale_x(p_fit_factor_x);
 160         p_pose.scale_y(p_fit_factor_y);
 161         if (fabs(p_fit_factor_x - 1) > p_floating_error || fabs(p_fit_factor_y - 1) > p_floating_error) {
 162             if (p_fit_factor_x < 1 && p_fit_factor_y < 1) {
 163                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_AREA);
 164                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_AREA);
 165             } else {
 166                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 167                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 168             }
 169         }
 170     }
 171
 172     // compute win size + fit to fhog cell size
 173     p_windows_size.width = round(p_pose.w * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 174     p_windows_size.height = round(p_pose.h * (1. + p_padding) / p_cell_size) * p_cell_size;
 175     p_roi.width = p_windows_size.width / p_cell_size;
 176     p_roi.height = p_windows_size.height / p_cell_size;
 177
 178     p_scales.clear();
 179     for (int i = -int(p_num_scales) / 2; i <= int(p_num_scales) / 2; ++i)
 180         p_scales.push_back(std::pow(p_scale_step, i));
 181
 182 #ifdef CUFFT
 183     if (p_roi.height * (p_roi.width / 2 + 1) > 1024) {
 184         std::cerr << "Window after forward FFT is too big for CUDA kernels. Plese use -f to set "
 185                      "the window dimensions so its size is less or equal to "
 186                   << 1024 * p_cell_size * p_cell_size * 2 + 1
 187                   << " pixels . Currently the size of the window is: " << p_windows_size.width << "x" << p_windows_size.height
 188                   << " which is  " << p_windows_size.width * p_windows_size.height << " pixels. " << std::endl;
 189         std::exit(EXIT_FAILURE);
 190     }
 191
 192     if (m_use_linearkernel) {
 193         std::cerr << "cuFFT supports only Gaussian kernel." << std::endl;
 194         std::exit(EXIT_FAILURE);
 195     }
 196 #else
 197     p_xf.create(p_roi.height, p_roi.height / 2 + 1, p_num_of_feats);
 198 #endif
 199
 200 #if defined(CUFFT) || defined(FFTW)
 201     uint width = p_roi.width / 2 + 1;
 202 #else
 203     uint width = p_roi.width;
 204 #endif
 205     p_model_xf.create(p_roi.height, width, p_num_of_feats);
 206     p_yf.create(p_roi.height, width, 1);
 207     p_xf.create(p_roi.height, width, p_num_of_feats);
 208
 209 #ifndef BIG_BATCH
 210     for (auto scale: p_scales)
 211         d.threadctxs.emplace_back(p_roi, p_num_of_feats, scale);
 212 #else
 213     d.threadctxs.emplace_back(p_roi, p_num_of_feats, p_num_scales);
 214 #endif
 215
 216     gaussian_correlation.reset(new GaussianCorrelation(1, p_roi));
 217
 218     p_current_scale = 1.;
 219
 220     double min_size_ratio = std::max(5. * p_cell_size / p_windows_size.width, 5. * p_cell_size / p_windows_size.height);
 221     double max_size_ratio =
 222         std::min(floor((img.cols + p_windows_size.width / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.width,
 223                  floor((img.rows + p_windows_size.height / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.height);
 224     p_min_max_scale[0] = std::pow(p_scale_step, std::ceil(std::log(min_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 225     p_min_max_scale[1] = std::pow(p_scale_step, std::floor(std::log(max_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 226
 227     std::cout << "init: img size " << img.cols << "x" << img.rows << std::endl;
 228     std::cout << "init: win size " << p_windows_size.width << "x" << p_windows_size.height << std::endl;
 229     std::cout << "init: FFT size " << p_roi.width << "x" << p_roi.height << std::endl;
 230     std::cout << "init: min max scales factors: " << p_min_max_scale[0] << " " << p_min_max_scale[1] << std::endl;
 231
 232     p_output_sigma = std::sqrt(p_pose.w * p_pose.h) * p_output_sigma_factor / p_cell_size;
 233
 234     fft.init(p_roi.width, p_roi.height, p_num_of_feats, p_num_scales);
 235     fft.set_window(MatDynMem(cosine_window_function(p_roi.width, p_roi.height)));
 236
 237     // window weights, i.e. labels
 238     MatScales gsl(1, p_roi);
 239     gaussian_shaped_labels(p_output_sigma, p_roi.width, p_roi.height).copyTo(gsl.plane(0));
 240     fft.forward(gsl, p_yf);
 241     DEBUG_PRINTM(p_yf);
 242
 243     // train initial model
 244     train(input_rgb, input_gray, 1.0);
 245 }
 246
 247 void KCF_Tracker::setTrackerPose(BBox_c &bbox, cv::Mat &img, int fit_size_x, int fit_size_y)
 248 {
 249     init(img, bbox.get_rect(), fit_size_x, fit_size_y);
 250 }
 251
 252 void KCF_Tracker::updateTrackerPosition(BBox_c &bbox)
 253 {
 254     if (p_resize_image) {
 255         BBox_c tmp = bbox;
 256         tmp.scale(p_downscale_factor);
 257         p_pose.cx = tmp.cx;
 258         p_pose.cy = tmp.cy;
 259     } else if (p_fit_to_pw2) {
 260         BBox_c tmp = bbox;
 261         tmp.scale_x(p_fit_factor_x);
 262         tmp.scale_y(p_fit_factor_y);
 263         p_pose.cx = tmp.cx;
 264         p_pose.cy = tmp.cy;
 265     } else {
 266         p_pose.cx = bbox.cx;
 267         p_pose.cy = bbox.cy;
 268     }
 269 }
 270
 271 BBox_c KCF_Tracker::getBBox()
 272 {
 273     BBox_c tmp = p_pose;
 274     tmp.w *= p_current_scale;
 275     tmp.h *= p_current_scale;
 276
 277     if (p_resize_image)
 278         tmp.scale(1 / p_downscale_factor);
 279     if (p_fit_to_pw2) {
 280         tmp.scale_x(1 / p_fit_factor_x);
 281         tmp.scale_y(1 / p_fit_factor_y);
 282     }
 283
 284     return tmp;
 285 }
 286
 287 double KCF_Tracker::getFilterResponse() const
 288 {
 289     return this->max_response;
 290 }
 291
 292 void KCF_Tracker::resizeImgs(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 293 {
 294     if (p_resize_image) {
 295         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 296         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 297     } else if (p_fit_to_pw2 && fabs(p_fit_factor_x - 1) > p_floating_error &&
 298                fabs(p_fit_factor_y - 1) > p_floating_error) {
 299         if (p_fit_factor_x < 1 && p_fit_factor_y < 1) {
 300             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_AREA);
 301             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_AREA);
 302         } else {
 303             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 304             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_fit_factor_x, p_fit_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 305         }
 306     }
 307 }
 308
 309 double KCF_Tracker::findMaxReponse(uint &max_idx, cv::Point2f &new_location) const
 310 {
 311     double max = -1.;
 312 #ifndef BIG_BATCH
 313     for (uint j = 0; j < d.threadctxs.size(); ++j) {
 314         if (d.threadctxs[j].max.response > max) {
 315             max = d.threadctxs[j].max.response;
 316             max_idx = j;
 317         }
 318     }
 319 #else
 320     for (uint j = 0; j < p_scales.size(); ++j) {
 321         if (d.threadctxs[0].max[j].response > max) {
 322             max = d.threadctxs[0].max[j].response;
 323             max_idx = j;
 324         }
 325     }
 326 #endif
 327     cv::Point2i &max_response_pt = IF_BIG_BATCH(d.threadctxs[0].max[max_idx].loc,        d.threadctxs[max_idx].max.loc);
 328     cv::Mat max_response_map     = IF_BIG_BATCH(d.threadctxs[0].response.plane(max_idx), d.threadctxs[max_idx].response.plane(0));
 329
 330     DEBUG_PRINTM(max_response_map);
 331     DEBUG_PRINT(max_response_pt);
 332
 333     // sub pixel quadratic interpolation from neighbours
 334     if (max_response_pt.y > max_response_map.rows / 2) // wrap around to negative half-space of vertical axis
 335         max_response_pt.y = max_response_pt.y - max_response_map.rows;
 336     if (max_response_pt.x > max_response_map.cols / 2) // same for horizontal axis
 337         max_response_pt.x = max_response_pt.x - max_response_map.cols;
 338
 339
 340     if (m_use_subpixel_localization) {
 341         new_location = sub_pixel_peak(max_response_pt, max_response_map);
 342     } else {
 343         new_location = max_response_pt;
 344     }
 345     DEBUG_PRINT(new_location);
 346     return max;
 347 }
 348
 349 void KCF_Tracker::track(cv::Mat &img)
 350 {
 351     __dbgTracer.debug = m_debug;
 352     TRACE("");
 353
 354     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 355     if (img.channels() == 3) {
 356         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 357         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 358     } else
 359         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 360
 361     // don't need too large image
 362     resizeImgs(input_rgb, input_gray);
 363
 364 #ifdef ASYNC
 365     for (auto &it : d.threadctxs)
 366         it.async_res = std::async(std::launch::async, [this, &input_gray, &input_rgb, &it]() -> void {
 367             it.track(*this, input_rgb, input_gray);
 368         });
 369     for (auto const &it : d.threadctxs)
 370         it.async_res.wait();
 371
 372 #else  // !ASYNC
 373     NORMAL_OMP_PARALLEL_FOR
 374     for (uint i = 0; i < d.threadctxs.size(); ++i)
 375         d.threadctxs[i].track(*this, input_rgb, input_gray);
 376 #endif
 377
 378     cv::Point2f new_location;
 379     uint max_idx;
 380     max_response = findMaxReponse(max_idx, new_location);
 381
 382     p_pose.cx += p_current_scale * p_cell_size * double(new_location.x);
 383     p_pose.cy += p_current_scale * p_cell_size * double(new_location.y);
 384     if (p_fit_to_pw2) {
 385         clamp2(p_pose.cx, 0.0, (img.cols * p_fit_factor_x) - 1);
 386         clamp2(p_pose.cy, 0.0, (img.rows * p_fit_factor_y) - 1);
 387     } else {
 388         clamp2(p_pose.cx, 0.0, img.cols - 1.0);
 389         clamp2(p_pose.cy, 0.0, img.rows - 1.0);
 390     }
 391
 392     // sub grid scale interpolation
 393     if (m_use_subgrid_scale) {
 394         p_current_scale *= sub_grid_scale(max_idx);
 395     } else {
 396         p_current_scale *= p_scales[max_idx];
 397     }
 398
 399     clamp2(p_current_scale, p_min_max_scale[0], p_min_max_scale[1]);
 400
 401     // train at newly estimated target position
 402     train(input_rgb, input_gray, p_interp_factor);
 403 }
 404
 405 void ThreadCtx::track(const KCF_Tracker &kcf, cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 406 {
 407     TRACE("");
 408
 409     BIG_BATCH_OMP_PARALLEL_FOR
 410     for (uint i = 0; i < IF_BIG_BATCH(kcf.p_num_scales, 1); ++i)
 411     {
 412         kcf.get_features(input_rgb, input_gray, kcf.p_pose.cx, kcf.p_pose.cy,
 413                          kcf.p_windows_size.width, kcf.p_windows_size.height,
 414                          kcf.p_current_scale * IF_BIG_BATCH(kcf.p_scales[i], scale))
 415                 .copyTo(patch_feats.scale(i));
 416         DEBUG_PRINT(patch_feats.scale(i));
 417     }
 418
 419     kcf.fft.forward_window(patch_feats, zf, temp);
 420     DEBUG_PRINTM(zf);
 421
 422     if (kcf.m_use_linearkernel) {
 423         kzf = zf.mul(kcf.p_model_alphaf).sum_over_channels();
 424     } else {
 425         gaussian_correlation(kzf, zf, kcf.p_model_xf, kcf.p_kernel_sigma, false, kcf);
 426         DEBUG_PRINTM(kzf);
 427         kzf = kzf.mul(kcf.p_model_alphaf);
 428     }
 429     kcf.fft.inverse(kzf, response);
 430
 431     DEBUG_PRINTM(response);
 432
 433     /* target location is at the maximum response. we must take into
 434     account the fact that, if the target doesn't move, the peak
 435     will appear at the top-left corner, not at the center (this is
 436     discussed in the paper). the responses wrap around cyclically. */
 437     double min_val, max_val;
 438     cv::Point2i min_loc, max_loc;
 439 #ifdef BIG_BATCH
 440     for (size_t i = 0; i < kcf.p_scales.size(); ++i) {
 441         cv::minMaxLoc(response.plane(i), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 442         DEBUG_PRINT(max_loc);
 443         double weight = kcf.p_scales[i] < 1. ? kcf.p_scales[i] : 1. / kcf.p_scales[i];
 444         max[i].response = max_val * weight;
 445         max[i].loc = max_loc;
 446     }
 447 #else
 448     cv::minMaxLoc(response.plane(0), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 449
 450     DEBUG_PRINT(max_loc);
 451     DEBUG_PRINT(max_val);
 452
 453     double weight = scale < 1. ? scale : 1. / scale;
 454     max.response = max_val * weight;
 455     max.loc = max_loc;
 456 #endif
 457 }
 458
 459 // ****************************************************************************
 460
 461 cv::Mat KCF_Tracker::get_features(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray, int cx, int cy,
 462                                   int size_x, int size_y, double scale) const
 463 {
 464     int size_x_scaled = floor(size_x * scale);
 465     int size_y_scaled = floor(size_y * scale);
 466
 467     cv::Mat patch_gray = get_subwindow(input_gray, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 468     cv::Mat patch_rgb = get_subwindow(input_rgb, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 469
 470     // resize to default size
 471     if (scale > 1.) {
 472         // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 473         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 474     } else {
 475         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 476     }
 477
 478     // get hog(Histogram of Oriented Gradients) features
 479     std::vector<cv::Mat> hog_feat = FHoG::extract(patch_gray, 2, p_cell_size, 9);
 480
 481     // get color rgb features (simple r,g,b channels)
 482     std::vector<cv::Mat> color_feat;
 483     if ((m_use_color || m_use_cnfeat) && input_rgb.channels() == 3) {
 484         // resize to default size
 485         if (scale > 1.) {
 486             // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 487             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x / p_cell_size, size_y / p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 488         } else {
 489             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x / p_cell_size, size_y / p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 490         }
 491     }
 492
 493     if (m_use_color && input_rgb.channels() == 3) {
 494         // use rgb color space
 495         cv::Mat patch_rgb_norm;
 496         patch_rgb.convertTo(patch_rgb_norm, CV_32F, 1. / 255., -0.5);
 497         cv::Mat ch1(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 498         cv::Mat ch2(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 499         cv::Mat ch3(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 500         std::vector<cv::Mat> rgb = {ch1, ch2, ch3};
 501         cv::split(patch_rgb_norm, rgb);
 502         color_feat.insert(color_feat.end(), rgb.begin(), rgb.end());
 503     }
 504
 505     if (m_use_cnfeat && input_rgb.channels() == 3) {
 506         std::vector<cv::Mat> cn_feat = CNFeat::extract(patch_rgb);
 507         color_feat.insert(color_feat.end(), cn_feat.begin(), cn_feat.end());
 508     }
 509
 510     hog_feat.insert(hog_feat.end(), color_feat.begin(), color_feat.end());
 511
 512     int size[] = {p_num_of_feats, p_roi.height, p_roi.width};
 513     cv::Mat result(3, size, CV_32F);
 514     for (uint i = 0; i < hog_feat.size(); ++i)
 515         hog_feat[i].copyTo(cv::Mat(size[1], size[2], CV_32FC1, result.ptr(i)));
 516
 517     return result;
 518 }
 519
 520 cv::Mat KCF_Tracker::gaussian_shaped_labels(double sigma, int dim1, int dim2)
 521 {
 522     cv::Mat labels(dim2, dim1, CV_32FC1);
 523     int range_y[2] = {-dim2 / 2, dim2 - dim2 / 2};
 524     int range_x[2] = {-dim1 / 2, dim1 - dim1 / 2};
 525
 526     double sigma_s = sigma * sigma;
 527
 528     for (int y = range_y[0], j = 0; y < range_y[1]; ++y, ++j) {
 529         float *row_ptr = labels.ptr<float>(j);
 530         double y_s = y * y;
 531         for (int x = range_x[0], i = 0; x < range_x[1]; ++x, ++i) {
 532             row_ptr[i] = std::exp(-0.5 * (y_s + x * x) / sigma_s); //-1/2*e^((y^2+x^2)/sigma^2)
 533         }
 534     }
 535
 536     // rotate so that 1 is at top-left corner (see KCF paper for explanation)
 537     MatDynMem rot_labels = circshift(labels, range_x[0], range_y[0]);
 538     // sanity check, 1 at top left corner
 539     assert(rot_labels.at<float>(0, 0) >= 1.f - 1e-10f);
 540
 541     return rot_labels;
 542 }
 543
 544 cv::Mat KCF_Tracker::circshift(const cv::Mat &patch, int x_rot, int y_rot)
 545 {
 546     cv::Mat rot_patch(patch.size(), CV_32FC1);
 547     cv::Mat tmp_x_rot(patch.size(), CV_32FC1);
 548
 549     // circular rotate x-axis
 550     if (x_rot < 0) {
 551         // move part that does not rotate over the edge
 552         cv::Range orig_range(-x_rot, patch.cols);
 553         cv::Range rot_range(0, patch.cols - (-x_rot));
 554         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 555
 556         // rotated part
 557         orig_range = cv::Range(0, -x_rot);
 558         rot_range = cv::Range(patch.cols - (-x_rot), patch.cols);
 559         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 560     } else if (x_rot > 0) {
 561         // move part that does not rotate over the edge
 562         cv::Range orig_range(0, patch.cols - x_rot);
 563         cv::Range rot_range(x_rot, patch.cols);
 564         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 565
 566         // rotated part
 567         orig_range = cv::Range(patch.cols - x_rot, patch.cols);
 568         rot_range = cv::Range(0, x_rot);
 569         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 570     } else { // zero rotation
 571         // move part that does not rotate over the edge
 572         cv::Range orig_range(0, patch.cols);
 573         cv::Range rot_range(0, patch.cols);
 574         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 575     }
 576
 577     // circular rotate y-axis
 578     if (y_rot < 0) {
 579         // move part that does not rotate over the edge
 580         cv::Range orig_range(-y_rot, patch.rows);
 581         cv::Range rot_range(0, patch.rows - (-y_rot));
 582         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 583
 584         // rotated part
 585         orig_range = cv::Range(0, -y_rot);
 586         rot_range = cv::Range(patch.rows - (-y_rot), patch.rows);
 587         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 588     } else if (y_rot > 0) {
 589         // move part that does not rotate over the edge
 590         cv::Range orig_range(0, patch.rows - y_rot);
 591         cv::Range rot_range(y_rot, patch.rows);
 592         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 593
 594         // rotated part
 595         orig_range = cv::Range(patch.rows - y_rot, patch.rows);
 596         rot_range = cv::Range(0, y_rot);
 597         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 598     } else { // zero rotation
 599         // move part that does not rotate over the edge
 600         cv::Range orig_range(0, patch.rows);
 601         cv::Range rot_range(0, patch.rows);
 602         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 603     }
 604
 605     return rot_patch;
 606 }
 607
 608 // hann window actually (Power-of-cosine windows)
 609 cv::Mat KCF_Tracker::cosine_window_function(int dim1, int dim2)
 610 {
 611     cv::Mat m1(1, dim1, CV_32FC1), m2(dim2, 1, CV_32FC1);
 612     double N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim1) - 1.);
 613     for (int i = 0; i < dim1; ++i)
 614         m1.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 615     N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim2) - 1.);
 616     for (int i = 0; i < dim2; ++i)
 617         m2.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 618     cv::Mat ret = m2 * m1;
 619     return ret;
 620 }
 621
 622 // Returns sub-window of image input centered at [cx, cy] coordinates),
 623 // with size [width, height]. If any pixels are outside of the image,
 624 // they will replicate the values at the borders.
 625 cv::Mat KCF_Tracker::get_subwindow(const cv::Mat &input, int cx, int cy, int width, int height) const
 626 {
 627     cv::Mat patch;
 628
 629     int x1 = cx - width / 2;
 630     int y1 = cy - height / 2;
 631     int x2 = cx + width / 2;
 632     int y2 = cy + height / 2;
 633
 634     // out of image
 635     if (x1 >= input.cols || y1 >= input.rows || x2 < 0 || y2 < 0) {
 636         patch.create(height, width, input.type());
 637         patch.setTo(double(0.f));
 638         return patch;
 639     }
 640
 641     int top = 0, bottom = 0, left = 0, right = 0;
 642
 643     // fit to image coordinates, set border extensions;
 644     if (x1 < 0) {
 645         left = -x1;
 646         x1 = 0;
 647     }
 648     if (y1 < 0) {
 649         top = -y1;
 650         y1 = 0;
 651     }
 652     if (x2 >= input.cols) {
 653         right = x2 - input.cols + width % 2;
 654         x2 = input.cols;
 655     } else
 656         x2 += width % 2;
 657
 658     if (y2 >= input.rows) {
 659         bottom = y2 - input.rows + height % 2;
 660         y2 = input.rows;
 661     } else
 662         y2 += height % 2;
 663
 664     if (x2 - x1 == 0 || y2 - y1 == 0)
 665         patch = cv::Mat::zeros(height, width, CV_32FC1);
 666     else {
 667         cv::copyMakeBorder(input(cv::Range(y1, y2), cv::Range(x1, x2)), patch, top, bottom, left, right,
 668                            cv::BORDER_REPLICATE);
 669         //      imshow( "copyMakeBorder", patch);
 670         //      cv::waitKey();
 671     }
 672
 673     // sanity check
 674     assert(patch.cols == width && patch.rows == height);
 675
 676     return patch;
 677 }
 678
 679 void KCF_Tracker::GaussianCorrelation::operator()(ComplexMat &result, const ComplexMat &xf, const ComplexMat &yf,
 680                                                   double sigma, bool auto_correlation, const KCF_Tracker &kcf)
 681 {
 682     TRACE("");
 683     xf.sqr_norm(xf_sqr_norm);
 684     if (auto_correlation) {
 685         yf_sqr_norm = xf_sqr_norm;
 686     } else {
 687         yf.sqr_norm(yf_sqr_norm);
 688     }
 689     xyf = auto_correlation ? xf.sqr_mag() : xf * yf.conj(); // xf.muln(yf.conj());
 690     DEBUG_PRINTM(xyf);
 691
 692     // ifft2 and sum over 3rd dimension, we dont care about individual channels
 693     ComplexMat xyf_sum = xyf.sum_over_channels();
 694     DEBUG_PRINTM(xyf_sum);
 695     kcf.fft.inverse(xyf_sum, ifft_res);
 696     DEBUG_PRINTM(ifft_res);
 697 #ifdef CUFFT
 698     // FIXME
 699     cuda_gaussian_correlation(ifft_res.deviceMem(), k.deviceMem(), xf_sqr_norm.deviceMem(),
 700                               auto_correlation ? xf_sqr_norm.deviceMem() : yf_sqr_norm.deviceMem(), sigma,
 701                               xf.n_channels, xf.n_scales, kcf.p_roi.height, kcf.p_roi.width);
 702 #else
 703
 704     float numel_xf_inv = 1.f / (xf.cols * xf.rows * (xf.channels() / xf.n_scales));
 705     for (uint i = 0; i < xf.n_scales; ++i) {
 706         cv::Mat plane = ifft_res.plane(i);
 707         DEBUG_PRINT(ifft_res.plane(i));
 708         cv::exp(-1. / (sigma * sigma) * cv::max((xf_sqr_norm[i] + yf_sqr_norm[0] - 2 * ifft_res.plane(i))
 709                 * numel_xf_inv, 0), plane);
 710         DEBUG_PRINTM(plane);
 711     }
 712 #endif
 713     kcf.fft.forward(ifft_res, result);
 714 }
 715
 716 float get_response_circular(cv::Point2i &pt, cv::Mat &response)
 717 {
 718     int x = pt.x;
 719     int y = pt.y;
 720     assert(response.dims == 2); // ensure .cols and .rows are valid
 721     if (x < 0) x = response.cols + x;
 722     if (y < 0) y = response.rows + y;
 723     if (x >= response.cols) x = x - response.cols;
 724     if (y >= response.rows) y = y - response.rows;
 725
 726     return response.at<float>(y, x);
 727 }
 728
 729 cv::Point2f KCF_Tracker::sub_pixel_peak(cv::Point &max_loc, cv::Mat &response) const
 730 {
 731     // find neighbourhood of max_loc (response is circular)
 732     // 1 2 3
 733     // 4   5
 734     // 6 7 8
 735     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);
 736     cv::Point2i p4(max_loc.x - 1, max_loc.y), p5(max_loc.x + 1, max_loc.y);
 737     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);
 738
 739     // clang-format off
 740     // fit 2d quadratic function f(x, y) = a*x^2 + b*x*y + c*y^2 + d*x + e*y + f
 741     cv::Mat A = (cv::Mat_<float>(9, 6) <<
 742                  p1.x*p1.x, p1.x*p1.y, p1.y*p1.y, p1.x, p1.y, 1.f,
 743                  p2.x*p2.x, p2.x*p2.y, p2.y*p2.y, p2.x, p2.y, 1.f,
 744                  p3.x*p3.x, p3.x*p3.y, p3.y*p3.y, p3.x, p3.y, 1.f,
 745                  p4.x*p4.x, p4.x*p4.y, p4.y*p4.y, p4.x, p4.y, 1.f,
 746                  p5.x*p5.x, p5.x*p5.y, p5.y*p5.y, p5.x, p5.y, 1.f,
 747                  p6.x*p6.x, p6.x*p6.y, p6.y*p6.y, p6.x, p6.y, 1.f,
 748                  p7.x*p7.x, p7.x*p7.y, p7.y*p7.y, p7.x, p7.y, 1.f,
 749                  p8.x*p8.x, p8.x*p8.y, p8.y*p8.y, p8.x, p8.y, 1.f,
 750                  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);
 751     cv::Mat fval = (cv::Mat_<float>(9, 1) <<
 752                     get_response_circular(p1, response),
 753                     get_response_circular(p2, response),
 754                     get_response_circular(p3, response),
 755                     get_response_circular(p4, response),
 756                     get_response_circular(p5, response),
 757                     get_response_circular(p6, response),
 758                     get_response_circular(p7, response),
 759                     get_response_circular(p8, response),
 760                     get_response_circular(max_loc, response));
 761     // clang-format on
 762     cv::Mat x;
 763     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 764
 765     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);
 766
 767     cv::Point2f sub_peak(max_loc.x, max_loc.y);
 768     if (b > 0 || b < 0) {
 769         sub_peak.y = ((2.f * a * e) / b - d) / (b - (4 * a * c) / b);
 770         sub_peak.x = (-2 * c * sub_peak.y - e) / b;
 771     }
 772
 773     return sub_peak;
 774 }
 775
 776 double KCF_Tracker::sub_grid_scale(uint index)
 777 {
 778     cv::Mat A, fval;
 779     if (index >= p_scales.size()) {
 780         // interpolate from all values
 781         // fit 1d quadratic function f(x) = a*x^2 + b*x + c
 782         A.create(p_scales.size(), 3, CV_32FC1);
 783         fval.create(p_scales.size(), 1, CV_32FC1);
 784         for (size_t i = 0; i < p_scales.size(); ++i) {
 785             A.at<float>(i, 0) = float(p_scales[i] * p_scales[i]);
 786             A.at<float>(i, 1) = float(p_scales[i]);
 787             A.at<float>(i, 2) = 1;
 788             fval.at<float>(i) = d.threadctxs.back().IF_BIG_BATCH(max[i].response, max.response);
 789         }
 790     } else {
 791         // only from neighbours
 792         if (index == 0 || index == p_scales.size() - 1)
 793            return p_scales[index];
 794
 795         A = (cv::Mat_<float>(3, 3) <<
 796              p_scales[index - 1] * p_scales[index - 1], p_scales[index - 1], 1,
 797              p_scales[index + 0] * p_scales[index + 0], p_scales[index + 0], 1,
 798              p_scales[index + 1] * p_scales[index + 1], p_scales[index + 1], 1);
 799 #ifdef BIG_BATCH
 800         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 801                 d.threadctxs.back().max[index - 1].response,
 802                 d.threadctxs.back().max[index + 0].response,
 803                 d.threadctxs.back().max[index + 1].response);
 804 #else
 805         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 806                 d.threadctxs[index - 1].max.response,
 807                 d.threadctxs[index + 0].max.response,
 808                 d.threadctxs[index + 1].max.response);
 809 #endif
 810     }
 811
 812     cv::Mat x;
 813     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 814     float a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1);
 815     double scale = p_scales[index];
 816     if (a > 0 || a < 0)
 817         scale = -b / (2 * a);
 818     return scale;
 819 }