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     : 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), p_cell_size(cell_size), 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_scale_factor_x = (double)fit_size_x / round(p_pose.w * (1. + p_padding));
 155         p_scale_factor_y = (double)fit_size_y / round(p_pose.h * (1. + p_padding));
 156         std::cout << "resizing image horizontaly by factor of " << p_scale_factor_x << " and verticaly by factor of "
 157                   << p_scale_factor_y << std::endl;
 158         p_fit_to_pw2 = true;
 159         p_pose.scale_x(p_scale_factor_x);
 160         p_pose.scale_y(p_scale_factor_y);
 161         if (fabs(p_scale_factor_x - 1) > p_floating_error || fabs(p_scale_factor_y - 1) > p_floating_error) {
 162             if (p_scale_factor_x < 1 && p_scale_factor_y < 1) {
 163                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 164                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 165             } else {
 166                 cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 167                 cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_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     if (m_use_scale)
 180         for (int i = -int(p_num_scales) / 2; i <= int(p_num_scales) / 2; ++i)
 181             p_scales.push_back(std::pow(p_scale_step, i));
 182     else
 183         p_scales.push_back(1.);
 184
 185 #ifdef CUFFT
 186     if (p_roi.height * (p_roi.width / 2 + 1) > 1024) {
 187         std::cerr << "Window after forward FFT is too big for CUDA kernels. Plese use -f to set "
 188                      "the window dimensions so its size is less or equal to "
 189                   << 1024 * p_cell_size * p_cell_size * 2 + 1
 190                   << " pixels . Currently the size of the window is: " << p_windows_size.width << "x" << p_windows_size.height
 191                   << " which is  " << p_windows_size.width * p_windows_size.height << " pixels. " << std::endl;
 192         std::exit(EXIT_FAILURE);
 193     }
 194
 195     if (m_use_linearkernel) {
 196         std::cerr << "cuFFT supports only Gaussian kernel." << std::endl;
 197         std::exit(EXIT_FAILURE);
 198     }
 199 #else
 200     p_xf.create(p_roi.height, p_roi.height / 2 + 1, p_num_of_feats);
 201 #endif
 202
 203 #if defined(CUFFT) || defined(FFTW)
 204     uint width = p_roi.width / 2 + 1;
 205 #else
 206     uint width = p_roi.width;
 207 #endif
 208     p_model_xf.create(p_roi.height, width, p_num_of_feats);
 209     p_yf.create(p_roi.height, width, 1);
 210     p_xf.create(p_roi.height, width, p_num_of_feats);
 211
 212 #ifndef BIG_BATCH
 213     for (auto scale: p_scales)
 214         d.threadctxs.emplace_back(p_roi, p_num_of_feats, scale);
 215 #else
 216     d.threadctxs.emplace_back(p_roi, p_num_of_feats, p_num_scales);
 217 #endif
 218
 219     gaussian_correlation.reset(new GaussianCorrelation(1, p_roi));
 220
 221     p_current_scale = 1.;
 222
 223     double min_size_ratio = std::max(5. * p_cell_size / p_windows_size.width, 5. * p_cell_size / p_windows_size.height);
 224     double max_size_ratio =
 225         std::min(floor((img.cols + p_windows_size.width / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.width,
 226                  floor((img.rows + p_windows_size.height / 3) / p_cell_size) * p_cell_size / p_windows_size.height);
 227     p_min_max_scale[0] = std::pow(p_scale_step, std::ceil(std::log(min_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 228     p_min_max_scale[1] = std::pow(p_scale_step, std::floor(std::log(max_size_ratio) / log(p_scale_step)));
 229
 230     std::cout << "init: img size " << img.cols << "x" << img.rows << std::endl;
 231     std::cout << "init: win size " << p_windows_size.width << "x" << p_windows_size.height << std::endl;
 232     std::cout << "init: FFT size " << p_roi.width << "x" << p_roi.height << std::endl;
 233     std::cout << "init: min max scales factors: " << p_min_max_scale[0] << " " << p_min_max_scale[1] << std::endl;
 234
 235     p_output_sigma = std::sqrt(p_pose.w * p_pose.h) * p_output_sigma_factor / p_cell_size;
 236
 237     fft.init(p_roi.width, p_roi.height, p_num_of_feats, p_num_scales);
 238     fft.set_window(MatDynMem(cosine_window_function(p_roi.width, p_roi.height)));
 239
 240     // window weights, i.e. labels
 241     MatScales gsl(1, p_roi);
 242     gaussian_shaped_labels(p_output_sigma, p_roi.width, p_roi.height).copyTo(gsl.plane(0));
 243     fft.forward(gsl, p_yf);
 244     DEBUG_PRINTM(p_yf);
 245
 246     // train initial model
 247     train(input_rgb, input_gray, 1.0);
 248 }
 249
 250 void KCF_Tracker::setTrackerPose(BBox_c &bbox, cv::Mat &img, int fit_size_x, int fit_size_y)
 251 {
 252     init(img, bbox.get_rect(), fit_size_x, fit_size_y);
 253 }
 254
 255 void KCF_Tracker::updateTrackerPosition(BBox_c &bbox)
 256 {
 257     if (p_resize_image) {
 258         BBox_c tmp = bbox;
 259         tmp.scale(p_downscale_factor);
 260         p_pose.cx = tmp.cx;
 261         p_pose.cy = tmp.cy;
 262     } else if (p_fit_to_pw2) {
 263         BBox_c tmp = bbox;
 264         tmp.scale_x(p_scale_factor_x);
 265         tmp.scale_y(p_scale_factor_y);
 266         p_pose.cx = tmp.cx;
 267         p_pose.cy = tmp.cy;
 268     } else {
 269         p_pose.cx = bbox.cx;
 270         p_pose.cy = bbox.cy;
 271     }
 272 }
 273
 274 BBox_c KCF_Tracker::getBBox()
 275 {
 276     BBox_c tmp = p_pose;
 277     tmp.w *= p_current_scale;
 278     tmp.h *= p_current_scale;
 279
 280     if (p_resize_image) tmp.scale(1 / p_downscale_factor);
 281     if (p_fit_to_pw2) {
 282         tmp.scale_x(1 / p_scale_factor_x);
 283         tmp.scale_y(1 / p_scale_factor_y);
 284     }
 285
 286     return tmp;
 287 }
 288
 289 double KCF_Tracker::getFilterResponse() const
 290 {
 291     return this->max_response;
 292 }
 293
 294 void KCF_Tracker::resizeImgs(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 295 {
 296     if (p_resize_image) {
 297         cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 298         cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_downscale_factor, p_downscale_factor, cv::INTER_AREA);
 299     } else if (p_fit_to_pw2 && fabs(p_scale_factor_x - 1) > p_floating_error &&
 300                fabs(p_scale_factor_y - 1) > p_floating_error) {
 301         if (p_scale_factor_x < 1 && p_scale_factor_y < 1) {
 302             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 303             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_AREA);
 304         } else {
 305             cv::resize(input_gray, input_gray, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 306             cv::resize(input_rgb, input_rgb, cv::Size(0, 0), p_scale_factor_x, p_scale_factor_y, cv::INTER_LINEAR);
 307         }
 308     }
 309 }
 310
 311 double KCF_Tracker::findMaxReponse(uint &max_idx, cv::Point2f &new_location) const
 312 {
 313     double max = -1.;
 314 #ifndef BIG_BATCH
 315     for (uint j = 0; j < d.threadctxs.size(); ++j) {
 316         if (d.threadctxs[j].max.response > max) {
 317             max = d.threadctxs[j].max.response;
 318             max_idx = j;
 319         }
 320     }
 321 #else
 322     // FIXME: Iterate correctly in big batch mode - perhaps have only one element in the list
 323     for (uint j = 0; j < p_scales.size(); ++j) {
 324         if (d.threadctxs[0].max[j].response > max) {
 325             max = d.threadctxs[0].max[j].response;
 326             max_idx = j;
 327         }
 328     }
 329 #endif
 330     cv::Point2i &max_response_pt = IF_BIG_BATCH(d.threadctxs[0].max[max_idx].loc,        d.threadctxs[max_idx].max.loc);
 331     cv::Mat max_response_map     = IF_BIG_BATCH(d.threadctxs[0].response.plane(max_idx), d.threadctxs[max_idx].response.plane(0));
 332
 333     DEBUG_PRINTM(max_response_map);
 334     DEBUG_PRINT(max_response_pt);
 335
 336     // sub pixel quadratic interpolation from neighbours
 337     if (max_response_pt.y > max_response_map.rows / 2) // wrap around to negative half-space of vertical axis
 338         max_response_pt.y = max_response_pt.y - max_response_map.rows;
 339     if (max_response_pt.x > max_response_map.cols / 2) // same for horizontal axis
 340         max_response_pt.x = max_response_pt.x - max_response_map.cols;
 341
 342
 343     if (m_use_subpixel_localization) {
 344         new_location = sub_pixel_peak(max_response_pt, max_response_map);
 345     } else {
 346         new_location = max_response_pt;
 347     }
 348     DEBUG_PRINT(new_location);
 349     return max;
 350 }
 351
 352 void KCF_Tracker::track(cv::Mat &img)
 353 {
 354     __dbgTracer.debug = m_debug;
 355     TRACE("");
 356
 357     cv::Mat input_gray, input_rgb = img.clone();
 358     if (img.channels() == 3) {
 359         cv::cvtColor(img, input_gray, CV_BGR2GRAY);
 360         input_gray.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 361     } else
 362         img.convertTo(input_gray, CV_32FC1);
 363
 364     // don't need too large image
 365     resizeImgs(input_rgb, input_gray);
 366
 367 #ifdef ASYNC
 368     for (auto &it : d.threadctxs)
 369         it.async_res = std::async(std::launch::async, [this, &input_gray, &input_rgb, &it]() -> void {
 370             it.track(*this, input_rgb, input_gray);
 371         });
 372     for (auto const &it : d.threadctxs)
 373         it.async_res.wait();
 374
 375 #else  // !ASYNC
 376     // FIXME: Iterate correctly in big batch mode - perhaps have only one element in the list
 377     NORMAL_OMP_PARALLEL_FOR
 378     for (uint i = 0; i < d.threadctxs.size(); ++i)
 379         d.threadctxs[i].track(*this, input_rgb, input_gray);
 380 #endif
 381
 382     cv::Point2f new_location;
 383     uint max_idx;
 384     max_response = findMaxReponse(max_idx, new_location);
 385
 386     p_pose.cx += p_current_scale * p_cell_size * double(new_location.x);
 387     p_pose.cy += p_current_scale * p_cell_size * double(new_location.y);
 388     if (p_fit_to_pw2) {
 389         clamp2(p_pose.cx, 0.0, (img.cols * p_scale_factor_x) - 1);
 390         clamp2(p_pose.cy, 0.0, (img.rows * p_scale_factor_y) - 1);
 391     } else {
 392         clamp2(p_pose.cx, 0.0, img.cols - 1.0);
 393         clamp2(p_pose.cy, 0.0, img.rows - 1.0);
 394     }
 395
 396     // sub grid scale interpolation
 397     if (m_use_subgrid_scale) {
 398         p_current_scale *= sub_grid_scale(max_idx);
 399     } else {
 400         p_current_scale *= p_scales[max_idx];
 401     }
 402
 403     clamp2(p_current_scale, p_min_max_scale[0], p_min_max_scale[1]);
 404
 405     // train at newly estimated target position
 406     train(input_rgb, input_gray, p_interp_factor);
 407 }
 408
 409 void ThreadCtx::track(const KCF_Tracker &kcf, cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray)
 410 {
 411     TRACE("");
 412
 413     BIG_BATCH_OMP_PARALLEL_FOR
 414     for (uint i = 0; i < IF_BIG_BATCH(kcf.p_num_scales, 1); ++i)
 415     {
 416         kcf.get_features(input_rgb, input_gray, kcf.p_pose.cx, kcf.p_pose.cy,
 417                          kcf.p_windows_size.width, kcf.p_windows_size.height,
 418                          kcf.p_current_scale * IF_BIG_BATCH(kcf.p_scales[i], scale))
 419                 .copyTo(patch_feats.scale(i));
 420         DEBUG_PRINT(patch_feats.scale(i));
 421     }
 422
 423     kcf.fft.forward_window(patch_feats, zf, temp);
 424     DEBUG_PRINTM(zf);
 425
 426     if (kcf.m_use_linearkernel) {
 427         kzf = zf.mul(kcf.p_model_alphaf).sum_over_channels();
 428     } else {
 429         gaussian_correlation(kzf, zf, kcf.p_model_xf, kcf.p_kernel_sigma, false, kcf);
 430         DEBUG_PRINTM(kzf);
 431         kzf = kzf.mul(kcf.p_model_alphaf);
 432     }
 433     kcf.fft.inverse(kzf, response);
 434
 435     DEBUG_PRINTM(response);
 436
 437     /* target location is at the maximum response. we must take into
 438     account the fact that, if the target doesn't move, the peak
 439     will appear at the top-left corner, not at the center (this is
 440     discussed in the paper). the responses wrap around cyclically. */
 441     double min_val, max_val;
 442     cv::Point2i min_loc, max_loc;
 443 #ifdef BIG_BATCH
 444     for (size_t i = 0; i < kcf.p_scales.size(); ++i) {
 445         cv::minMaxLoc(response.plane(i), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 446         DEBUG_PRINT(max_loc);
 447         double weight = kcf.p_scales[i] < 1. ? kcf.p_scales[i] : 1. / kcf.p_scales[i];
 448         max[i].response = max_val * weight;
 449         max[i].loc = max_loc;
 450     }
 451 #else
 452     cv::minMaxLoc(response.plane(0), &min_val, &max_val, &min_loc, &max_loc);
 453
 454     DEBUG_PRINT(max_loc);
 455     DEBUG_PRINT(max_val);
 456
 457     double weight = scale < 1. ? scale : 1. / scale;
 458     max.response = max_val * weight;
 459     max.loc = max_loc;
 460 #endif
 461 }
 462
 463 // ****************************************************************************
 464
 465 cv::Mat KCF_Tracker::get_features(cv::Mat &input_rgb, cv::Mat &input_gray, int cx, int cy,
 466                                   int size_x, int size_y, double scale) const
 467 {
 468     int size_x_scaled = floor(size_x * scale);
 469     int size_y_scaled = floor(size_y * scale);
 470
 471     cv::Mat patch_gray = get_subwindow(input_gray, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 472     cv::Mat patch_rgb = get_subwindow(input_rgb, cx, cy, size_x_scaled, size_y_scaled);
 473
 474     // resize to default size
 475     if (scale > 1.) {
 476         // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 477         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 478     } else {
 479         cv::resize(patch_gray, patch_gray, cv::Size(size_x, size_y), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 480     }
 481
 482     // get hog(Histogram of Oriented Gradients) features
 483     std::vector<cv::Mat> hog_feat = FHoG::extract(patch_gray, 2, p_cell_size, 9);
 484
 485     // get color rgb features (simple r,g,b channels)
 486     std::vector<cv::Mat> color_feat;
 487     if ((m_use_color || m_use_cnfeat) && input_rgb.channels() == 3) {
 488         // resize to default size
 489         if (scale > 1.) {
 490             // if we downsample use  INTER_AREA interpolation
 491             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x / p_cell_size, size_y / p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_AREA);
 492         } else {
 493             cv::resize(patch_rgb, patch_rgb, cv::Size(size_x / p_cell_size, size_y / p_cell_size), 0., 0., cv::INTER_LINEAR);
 494         }
 495     }
 496
 497     if (m_use_color && input_rgb.channels() == 3) {
 498         // use rgb color space
 499         cv::Mat patch_rgb_norm;
 500         patch_rgb.convertTo(patch_rgb_norm, CV_32F, 1. / 255., -0.5);
 501         cv::Mat ch1(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 502         cv::Mat ch2(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 503         cv::Mat ch3(patch_rgb_norm.size(), CV_32FC1);
 504         std::vector<cv::Mat> rgb = {ch1, ch2, ch3};
 505         cv::split(patch_rgb_norm, rgb);
 506         color_feat.insert(color_feat.end(), rgb.begin(), rgb.end());
 507     }
 508
 509     if (m_use_cnfeat && input_rgb.channels() == 3) {
 510         std::vector<cv::Mat> cn_feat = CNFeat::extract(patch_rgb);
 511         color_feat.insert(color_feat.end(), cn_feat.begin(), cn_feat.end());
 512     }
 513
 514     hog_feat.insert(hog_feat.end(), color_feat.begin(), color_feat.end());
 515
 516     int size[] = {p_num_of_feats, p_roi.height, p_roi.width};
 517     cv::Mat result(3, size, CV_32F);
 518     for (uint i = 0; i < hog_feat.size(); ++i)
 519         hog_feat[i].copyTo(cv::Mat(size[1], size[2], CV_32FC1, result.ptr(i)));
 520
 521     return result;
 522 }
 523
 524 cv::Mat KCF_Tracker::gaussian_shaped_labels(double sigma, int dim1, int dim2)
 525 {
 526     cv::Mat labels(dim2, dim1, CV_32FC1);
 527     int range_y[2] = {-dim2 / 2, dim2 - dim2 / 2};
 528     int range_x[2] = {-dim1 / 2, dim1 - dim1 / 2};
 529
 530     double sigma_s = sigma * sigma;
 531
 532     for (int y = range_y[0], j = 0; y < range_y[1]; ++y, ++j) {
 533         float *row_ptr = labels.ptr<float>(j);
 534         double y_s = y * y;
 535         for (int x = range_x[0], i = 0; x < range_x[1]; ++x, ++i) {
 536             row_ptr[i] = std::exp(-0.5 * (y_s + x * x) / sigma_s); //-1/2*e^((y^2+x^2)/sigma^2)
 537         }
 538     }
 539
 540     // rotate so that 1 is at top-left corner (see KCF paper for explanation)
 541     MatDynMem rot_labels = circshift(labels, range_x[0], range_y[0]);
 542     // sanity check, 1 at top left corner
 543     assert(rot_labels.at<float>(0, 0) >= 1.f - 1e-10f);
 544
 545     return rot_labels;
 546 }
 547
 548 cv::Mat KCF_Tracker::circshift(const cv::Mat &patch, int x_rot, int y_rot)
 549 {
 550     cv::Mat rot_patch(patch.size(), CV_32FC1);
 551     cv::Mat tmp_x_rot(patch.size(), CV_32FC1);
 552
 553     // circular rotate x-axis
 554     if (x_rot < 0) {
 555         // move part that does not rotate over the edge
 556         cv::Range orig_range(-x_rot, patch.cols);
 557         cv::Range rot_range(0, patch.cols - (-x_rot));
 558         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 559
 560         // rotated part
 561         orig_range = cv::Range(0, -x_rot);
 562         rot_range = cv::Range(patch.cols - (-x_rot), patch.cols);
 563         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 564     } else if (x_rot > 0) {
 565         // move part that does not rotate over the edge
 566         cv::Range orig_range(0, patch.cols - x_rot);
 567         cv::Range rot_range(x_rot, patch.cols);
 568         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 569
 570         // rotated part
 571         orig_range = cv::Range(patch.cols - x_rot, patch.cols);
 572         rot_range = cv::Range(0, x_rot);
 573         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 574     } else { // zero rotation
 575         // move part that does not rotate over the edge
 576         cv::Range orig_range(0, patch.cols);
 577         cv::Range rot_range(0, patch.cols);
 578         patch(cv::Range::all(), orig_range).copyTo(tmp_x_rot(cv::Range::all(), rot_range));
 579     }
 580
 581     // circular rotate y-axis
 582     if (y_rot < 0) {
 583         // move part that does not rotate over the edge
 584         cv::Range orig_range(-y_rot, patch.rows);
 585         cv::Range rot_range(0, patch.rows - (-y_rot));
 586         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 587
 588         // rotated part
 589         orig_range = cv::Range(0, -y_rot);
 590         rot_range = cv::Range(patch.rows - (-y_rot), patch.rows);
 591         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 592     } else if (y_rot > 0) {
 593         // move part that does not rotate over the edge
 594         cv::Range orig_range(0, patch.rows - y_rot);
 595         cv::Range rot_range(y_rot, patch.rows);
 596         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 597
 598         // rotated part
 599         orig_range = cv::Range(patch.rows - y_rot, patch.rows);
 600         rot_range = cv::Range(0, y_rot);
 601         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 602     } else { // zero rotation
 603         // move part that does not rotate over the edge
 604         cv::Range orig_range(0, patch.rows);
 605         cv::Range rot_range(0, patch.rows);
 606         tmp_x_rot(orig_range, cv::Range::all()).copyTo(rot_patch(rot_range, cv::Range::all()));
 607     }
 608
 609     return rot_patch;
 610 }
 611
 612 // hann window actually (Power-of-cosine windows)
 613 cv::Mat KCF_Tracker::cosine_window_function(int dim1, int dim2)
 614 {
 615     cv::Mat m1(1, dim1, CV_32FC1), m2(dim2, 1, CV_32FC1);
 616     double N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim1) - 1.);
 617     for (int i = 0; i < dim1; ++i)
 618         m1.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 619     N_inv = 1. / (static_cast<double>(dim2) - 1.);
 620     for (int i = 0; i < dim2; ++i)
 621         m2.at<float>(i) = float(0.5 * (1. - std::cos(2. * CV_PI * static_cast<double>(i) * N_inv)));
 622     cv::Mat ret = m2 * m1;
 623     return ret;
 624 }
 625
 626 // Returns sub-window of image input centered at [cx, cy] coordinates),
 627 // with size [width, height]. If any pixels are outside of the image,
 628 // they will replicate the values at the borders.
 629 cv::Mat KCF_Tracker::get_subwindow(const cv::Mat &input, int cx, int cy, int width, int height) const
 630 {
 631     cv::Mat patch;
 632
 633     int x1 = cx - width / 2;
 634     int y1 = cy - height / 2;
 635     int x2 = cx + width / 2;
 636     int y2 = cy + height / 2;
 637
 638     // out of image
 639     if (x1 >= input.cols || y1 >= input.rows || x2 < 0 || y2 < 0) {
 640         patch.create(height, width, input.type());
 641         patch.setTo(double(0.f));
 642         return patch;
 643     }
 644
 645     int top = 0, bottom = 0, left = 0, right = 0;
 646
 647     // fit to image coordinates, set border extensions;
 648     if (x1 < 0) {
 649         left = -x1;
 650         x1 = 0;
 651     }
 652     if (y1 < 0) {
 653         top = -y1;
 654         y1 = 0;
 655     }
 656     if (x2 >= input.cols) {
 657         right = x2 - input.cols + width % 2;
 658         x2 = input.cols;
 659     } else
 660         x2 += width % 2;
 661
 662     if (y2 >= input.rows) {
 663         bottom = y2 - input.rows + height % 2;
 664         y2 = input.rows;
 665     } else
 666         y2 += height % 2;
 667
 668     if (x2 - x1 == 0 || y2 - y1 == 0)
 669         patch = cv::Mat::zeros(height, width, CV_32FC1);
 670     else {
 671         cv::copyMakeBorder(input(cv::Range(y1, y2), cv::Range(x1, x2)), patch, top, bottom, left, right,
 672                            cv::BORDER_REPLICATE);
 673         //      imshow( "copyMakeBorder", patch);
 674         //      cv::waitKey();
 675     }
 676
 677     // sanity check
 678     assert(patch.cols == width && patch.rows == height);
 679
 680     return patch;
 681 }
 682
 683 void KCF_Tracker::GaussianCorrelation::operator()(ComplexMat &result, const ComplexMat &xf, const ComplexMat &yf,
 684                                                   double sigma, bool auto_correlation, const KCF_Tracker &kcf)
 685 {
 686     TRACE("");
 687     xf.sqr_norm(xf_sqr_norm);
 688     if (auto_correlation) {
 689         yf_sqr_norm = xf_sqr_norm;
 690     } else {
 691         yf.sqr_norm(yf_sqr_norm);
 692     }
 693     xyf = auto_correlation ? xf.sqr_mag() : xf * yf.conj(); // xf.muln(yf.conj());
 694     DEBUG_PRINTM(xyf);
 695
 696     // ifft2 and sum over 3rd dimension, we dont care about individual channels
 697     ComplexMat xyf_sum = xyf.sum_over_channels();
 698     DEBUG_PRINTM(xyf_sum);
 699     kcf.fft.inverse(xyf_sum, ifft_res);
 700     DEBUG_PRINTM(ifft_res);
 701 #ifdef CUFFT
 702     // FIXME
 703     cuda_gaussian_correlation(ifft_res.deviceMem(), k.deviceMem(), xf_sqr_norm.deviceMem(),
 704                               auto_correlation ? xf_sqr_norm.deviceMem() : yf_sqr_norm.deviceMem(), sigma,
 705                               xf.n_channels, xf.n_scales, kcf.p_roi.height, kcf.p_roi.width);
 706 #else
 707
 708     float numel_xf_inv = 1.f / (xf.cols * xf.rows * (xf.channels() / xf.n_scales));
 709     for (uint i = 0; i < xf.n_scales; ++i) {
 710         cv::Mat plane = ifft_res.plane(i);
 711         DEBUG_PRINT(ifft_res.plane(i));
 712         cv::exp(-1. / (sigma * sigma) * cv::max((xf_sqr_norm[i] + yf_sqr_norm[0] - 2 * ifft_res.plane(i))
 713                 * numel_xf_inv, 0), plane);
 714         DEBUG_PRINTM(plane);
 715     }
 716 #endif
 717     kcf.fft.forward(ifft_res, result);
 718 }
 719
 720 float get_response_circular(cv::Point2i &pt, cv::Mat &response)
 721 {
 722     int x = pt.x;
 723     int y = pt.y;
 724     assert(response.dims == 2); // ensure .cols and .rows are valid
 725     if (x < 0) x = response.cols + x;
 726     if (y < 0) y = response.rows + y;
 727     if (x >= response.cols) x = x - response.cols;
 728     if (y >= response.rows) y = y - response.rows;
 729
 730     return response.at<float>(y, x);
 731 }
 732
 733 cv::Point2f KCF_Tracker::sub_pixel_peak(cv::Point &max_loc, cv::Mat &response) const
 734 {
 735     // find neighbourhood of max_loc (response is circular)
 736     // 1 2 3
 737     // 4   5
 738     // 6 7 8
 739     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);
 740     cv::Point2i p4(max_loc.x - 1, max_loc.y), p5(max_loc.x + 1, max_loc.y);
 741     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);
 742
 743     // clang-format off
 744     // fit 2d quadratic function f(x, y) = a*x^2 + b*x*y + c*y^2 + d*x + e*y + f
 745     cv::Mat A = (cv::Mat_<float>(9, 6) <<
 746                  p1.x*p1.x, p1.x*p1.y, p1.y*p1.y, p1.x, p1.y, 1.f,
 747                  p2.x*p2.x, p2.x*p2.y, p2.y*p2.y, p2.x, p2.y, 1.f,
 748                  p3.x*p3.x, p3.x*p3.y, p3.y*p3.y, p3.x, p3.y, 1.f,
 749                  p4.x*p4.x, p4.x*p4.y, p4.y*p4.y, p4.x, p4.y, 1.f,
 750                  p5.x*p5.x, p5.x*p5.y, p5.y*p5.y, p5.x, p5.y, 1.f,
 751                  p6.x*p6.x, p6.x*p6.y, p6.y*p6.y, p6.x, p6.y, 1.f,
 752                  p7.x*p7.x, p7.x*p7.y, p7.y*p7.y, p7.x, p7.y, 1.f,
 753                  p8.x*p8.x, p8.x*p8.y, p8.y*p8.y, p8.x, p8.y, 1.f,
 754                  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);
 755     cv::Mat fval = (cv::Mat_<float>(9, 1) <<
 756                     get_response_circular(p1, response),
 757                     get_response_circular(p2, response),
 758                     get_response_circular(p3, response),
 759                     get_response_circular(p4, response),
 760                     get_response_circular(p5, response),
 761                     get_response_circular(p6, response),
 762                     get_response_circular(p7, response),
 763                     get_response_circular(p8, response),
 764                     get_response_circular(max_loc, response));
 765     // clang-format on
 766     cv::Mat x;
 767     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 768
 769     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);
 770
 771     cv::Point2f sub_peak(max_loc.x, max_loc.y);
 772     if (b > 0 || b < 0) {
 773         sub_peak.y = ((2.f * a * e) / b - d) / (b - (4 * a * c) / b);
 774         sub_peak.x = (-2 * c * sub_peak.y - e) / b;
 775     }
 776
 777     return sub_peak;
 778 }
 779
 780 double KCF_Tracker::sub_grid_scale(uint index)
 781 {
 782     cv::Mat A, fval;
 783     if (index >= p_scales.size()) {
 784         // interpolate from all values
 785         // fit 1d quadratic function f(x) = a*x^2 + b*x + c
 786         A.create(p_scales.size(), 3, CV_32FC1);
 787         fval.create(p_scales.size(), 1, CV_32FC1);
 788         for (size_t i = 0; i < p_scales.size(); ++i) {
 789             A.at<float>(i, 0) = float(p_scales[i] * p_scales[i]);
 790             A.at<float>(i, 1) = float(p_scales[i]);
 791             A.at<float>(i, 2) = 1;
 792             fval.at<float>(i) = d.threadctxs.back().IF_BIG_BATCH(max[i].response, max.response);
 793         }
 794     } else {
 795         // only from neighbours
 796         if (index == 0 || index == p_scales.size() - 1)
 797            return p_scales[index];
 798
 799         A = (cv::Mat_<float>(3, 3) <<
 800              p_scales[index - 1] * p_scales[index - 1], p_scales[index - 1], 1,
 801              p_scales[index + 0] * p_scales[index + 0], p_scales[index + 0], 1,
 802              p_scales[index + 1] * p_scales[index + 1], p_scales[index + 1], 1);
 803 #ifdef BIG_BATCH
 804         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 805                 d.threadctxs.back().max[index - 1].response,
 806                 d.threadctxs.back().max[index + 0].response,
 807                 d.threadctxs.back().max[index + 1].response);
 808 #else
 809         fval = (cv::Mat_<float>(3, 1) <<
 810                 d.threadctxs[index - 1].max.response,
 811                 d.threadctxs[index + 0].max.response,
 812                 d.threadctxs[index + 1].max.response);
 813 #endif
 814     }
 815
 816     cv::Mat x;
 817     cv::solve(A, fval, x, cv::DECOMP_SVD);
 818     float a = x.at<float>(0), b = x.at<float>(1);
 819     double scale = p_scales[index];
 820     if (a > 0 || a < 0)
 821         scale = -b / (2 * a);
 822     return scale;
 823 }