多目标跟踪框架boxmot介绍

引言

boxmot由mikel brostrom开发，用于目标检测，分割和姿态估计模型的SOTA（state of art）跟踪模块，现已加入python第三方库 PYPI，可用pip包管理器进行安装。
boxmot所支持的跟踪器采用外观特征识别方法，如重型ReID（CLIRdID）和轻型ReID（LightMBN, OSNet等），来识别不同图像帧中同一个目标。这些ReID权文件在运行boxmot时自动下载，无需事先下载checkpoint文件。
boxmot目前支持的对象检测模型有：yolov8, yolo-NAS和YOLOX。支持的跟踪器：BoTSORT, DeepOCSORT, OCSORT, HybridSORT, ByteTrack, StrongSORT。之前常用的DeepSort由增强型的StrongSORT取代。
boxmot可以看作一个软件封装器，将多种对象检测模型与不同的目标跟踪器组合，实现多目标跟踪。

boxmot安装

安装以linux系统为例，假定该系统已经安装有python >=3.8,且建立好虚拟环境。

将boxmot安装到yolo_tracking目录：

git clone https://github.com/mikel-brostrom/yolo_tracking.git
cd yolo_tracking
pip install -v -e .

以上命令操作过程，即基本完成所需运行的python语言，pytorch模块运行环境。需要说明，这里还需要安装ultralytics相关模块。不过，在yolo_tracking/examples/track.py中，程序自动检查是否安装ultralytics。若没有，则自动安装mikel-brosrom github目录中保存的ultralytics v8.0.146到虚拟环境。需要注意：boxmot v10.0.43仅与ultralytics v8.0.146兼容，若安装ultralytics最新版本将出现莫名错误。
利用examples/track.py安装ultralytics与boxmot现有版本兼容。这里有个问题，track程序将ultralytics安装到虚拟环境，而不在工作目录yolo_tracking下，这样调试程序时，不能跟踪到ultralytics相关的程序模块。当然可以对python调试器做一些相应的配置，就更沟跟踪到虚拟环境的模块，但是操作很麻烦。
把ultralytics安装到yolo_tracking的目录，操作如下：
先删除虚拟环境下和系统中可能安装的ultralytics模块：

pip uninstall ultralytics

克隆ultralytics v8.0.146

git clone https://github.com/mikel-brostrom/ultralytics.git

此操作在home目录下产生ultralytics目录。我们需要将ultralytics二级目录：~/ultralytics/ultralytics移动到yolo_tracking目录下，完成安装ultralytics到工作目录yolo_tracking，这样在python程序调试时，可以跟踪到ultralytics模块。为了防止混淆，将examples/track.py中安装ultralytics语句注释掉：

#__tr = TestRequirements()
#__tr.check_packages(('ultralytics @ git+https://github.com/mikel-brostrom/ultralytics.git', ))  # install  ultralytics

运行示例

运行yolov8s+strongsort对输入视频进行车辆跟踪示例：

python examples/track.py  \--yolo-model yolov8s    \--reid-mode  osnet_x0_25_market1501.pt   \--source     ~/yolo_tracking/MOT16-13-h264.mp4  \ --save         \--show         \--classes 2     \--tracking-method strongsort

运行 yolo_nas + strongsort 示例：

python examples/track.py  \--yolo-model yolo_nas_s    \--reid-mode  osnet_x0_25_market1501.pt   \--source     ~/yolo_tracking/MOT16-13-h264.mp4  \ --save         \--show         \--classes 2     \--tracking-method strongsort

track.py程序运行解析

examples/track.py中，经繁琐的模型初始化后，每帧图像的检测-跟踪处理开始于循环：

for frame_idx, r in enumerate(results)

即，每帧产生一个results，对每帧results写入MOT跟踪文件，而实际的处理看跟踪results的跳转。这里跳转至
ultralytics.engine.predictor.py 中的 stream_inference()函数，略过某些初始化，看函数中的循环：

for batch in self.dataset

其中重要的处理在：

# Preprocess              
with profilers[0]:im = self.preprocess(im0s)       #1 图像格式处理，提取帧内容到数组。
# Inference
with profilers[1]preds = self.inference(im, *args, **kwargs)   #2 对象检测器，提取帧内目标。# Postprocesswith profilers[2]:                                 # 3  对所提取目标的后处理，即对跟踪器的目标输入，进行某种处理。if isinstance(self.model, AutoBackend):                           self.results = self.postprocess(preds, im, im0s)           # ultralytics内定义的检测器处理方法,  如 yolov8else:self.results = self.model.postprocess(path, preds, im, im0s)   # ultralytics之外的检测器处理， 如 yolo_nas, yoloxwith profilers[3]:self.run_callbacks('on_predict_postprocess_end')         # 4  构造跟踪器 tracker， 对检测目标的跟踪

preprocess, 输入图像处理。
inference, 推理，目标检测器提取图像帧中的目标。
postprocess, 目标检测器输出preds的处理， yolov8用 non_max_suppression()；非ultralytics的目标检测器（yolo_nas, yolox）则貌似没有处理。
postprocess_end，跟踪器处理，输出跟踪结果results。
yolov8以及之前的版本，yolov3, yolov5等采用non_max_suppression(preds, …)来去除不可信的多余目标，且可根据classes来筛选需要保留的目标类别，从而减少目标数量，为后续的跟踪器创造较好的工作环境，减少跟踪器运行时间。因为跟踪器按照目标数量逐一迭代产生跟踪轨迹tracks，迭代为串行运算，目标越多跟踪时间越长。Postprocess执行non_max_supperssion。
对于yolo-nas，由Deci AI公司开发，目前尚未公开，boxmot无法筛选目标类别，所以，postprocess对preds基本没有处理，直接送到跟踪器tracker。
最后，on_predict_postprocess_end执行跟踪器操作，输入preds，输出results。

图1 yolov8 postprocess，经non_max_suppression()，筛选出小车对象(classes=2)。

在这里插入图片描述
图2 yolo_nas postprocess， boxmot目前不能通过筛选classes目标，跟踪输出多个类型目标。

ultralytics.trackers.track.py执行函数 on_predict_postprocess_end, boxmot所支持的跟踪器定义在 boxmot.trackers目录中。
完成 Preprocess, Inference, Postprocess后，得到跟踪输出results，进入可视化过程，在输入视频上绘制跟踪框；标注目标id、类型、置信度等参数等。
由此，完成一帧图像的检测-跟踪-可视化。predictor.py函数stream_inference对一帧图像处理，track.py中的循环体（for frame_idx, r in enumerate(results)）对输入视频逐帧处理。

examples目录下还有两个可执行文件val.py, evolve.py
val.py 根据选定的benchmark(MOT16, MOT17, MOT20),对检测器+跟踪器组合做性能评估，跟踪类型为persons。
以下benchmark = MOT17, yolov8s + strongsort的评估结果如下：
在这里插入图片描述

看来MOT-17指标与mikel brostrom提供的评估指标还有相当差距，原因不明。此外，本人运行得到的MOT-16各项指标与MOT-17倒是相差很小。

evolve.py 对跟踪器进行配置参数优化，就是在val.py过程提供评估指标，采用NSGA-II多目标遗传算法调整跟踪器配置参数，迭代运行，实现配置参数优化。显然，这是耗时较多的计算过程，尚未尝试。

跟踪框可视化

此处记录跟踪框可视化过程，便于对跟踪框所标注的目标信息进行修改显示。对此部分内容不感兴趣的读者可忽略。
从一帧图像的处理着手，见predictor.py 中函数stream_inference(), 其中看注释Visualize, save, write results下面的循环:

for i in range(n):if self.args.verbose or self.args.save or self.args.save_txt or self.args.show:   ###############s += self.write_results(i, self.results, (p, im, im0))   # 此处进入跟踪框可视化

函数write_results部分：

def write_results(self, idx, results, batch):if self.args.save or self.args.show:  # Add bbox to imageplot_args = {'line_width': self.args.line_width,'boxes': self.args.boxes,'conf': self.args.show_conf,'labels': self.args.show_labels}if not self.args.retina_masks:plot_args['im_gpu'] = im[idx]self.plotted_img = result.plot(**plot_args)     ####进入plot

result.plot在 ultralytics.engine.results.py定义，模块引用

from ultralytics.utils.plotting import Annotator

下面是result.plot函数使用类Anootator

annotator = Annotator(                                       #定义实例annotatordeepcopy(self.orig_img if img is None else img),line_width,font_size,font,pil or (pred_probs is not None and show_probs),  # Classify tasks default to pil=Trueexample=names)...
# Plot Detect results
if pred_boxes and show_boxes:for d in reversed(pred_boxes):c, conf, id = int(d.cls), float(d.conf) if conf else None, None if d.id is None else int(d.id.item())name = ('' if id is None else f' {id} ')    label = (f'{name} {conf:.2f}' if conf else name) if labels else Noneannotator.box_label(d.xyxy.squeeze(), label, color=colors(c, True))     # 进入annotator.box_label , 绘制bbox框。

实际的跟踪框bbox绘制在函数 annotator.box_label()，这个可视化与mikel brostrom之前的版本（v3, v4, v5, v6）一致，都用ultralytics.utils.plotting.py。找到这个annotator.box_label，可以更改跟踪框显示方式，因为默认的label参数太多（id, class_name, conf），当图像帧中目标很多时，显示label一团糟，根本看不清。找到修改地方就主动。见图1，图2的简洁label显示。