Kinematic structures are very common in the real world. They range from simple articulated objects to complex mechanical systems. However, despite their relevance, most model-based 3D tracking methods only consider rigid objects. To overcome this limitation, we propose a flexible framework that allows the extension of existing 6DoF algorithms to kinematic structures. Our approach focuses on methods that employ Newton-like optimization techniques, which are widely used in object tracking. The framework considers both tree-like and closed kinematic structures and allows a flexible configuration of joints and constraints. To project equations from individual rigid bodies to a multi-body system, Jacobians are used. For closed kinematic chains, a novel formulation that features Lagrange multipliers is developed. In a detailed mathematical proof, we show that our constraint formulation leads to an exact kinematic solution and converges in a single iteration. Based on the proposed framework, we extend ICG, which is a state-of-the-art rigid object tracking algorithm, to multi-body tracking. For the evaluation, we create a highly-realistic synthetic dataset that features a large number of sequences and various robots. Based on this dataset, we conduct a wide variety of experiments that demonstrate the excellent performance of the developed framework and our multi-body tracker.


翻译:运动学结构在现实世界中非常常见,从简单的关节物体到复杂的机械系统,其应用范围广泛。然而,尽管具有重要性,大多数基于模型的3D跟踪方法仅考虑刚体。为克服这一限制,我们提出了一种灵活的框架,可将现有的6自由度算法扩展至运动学结构。该方法聚焦于采用牛顿类优化技术的跟踪算法,这类技术广泛应用于目标跟踪中。该框架支持树状和闭合运动学结构,并允许关节与约束的灵活配置。为将单个刚体的方程投影至多体系统,我们使用了雅可比矩阵。针对闭合运动链,我们开发了一种引入拉格朗日乘子的新公式。通过详细的数学证明,我们展示了该约束公式能产生精确的运动学解,并可在单次迭代中收敛。基于所提框架,我们将当前最先进的刚体跟踪算法ICG扩展至多体跟踪。为进行评估,我们创建了一个高度逼真的合成数据集,其中包含大量序列和多种机器人。基于该数据集,我们进行了广泛的实验,证明了所开发框架及多体跟踪器的卓越性能。

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标跟踪是指:给出目标在跟踪视频第一帧中的初始状态(如位置,尺寸),自动估计目标物体在后续帧中的状态。 目标跟踪分为单目标跟踪和多目标跟踪。 人眼可以比较轻松的在一段时间内跟住某个特定目标。但是对机器而言,这一任务并不简单,尤其是跟踪过程中会出现目标发生剧烈形变、被其他目标遮挡或出现相似物体干扰等等各种复杂的情况。过去几十年以来,目标跟踪的研究取得了长足的发展,尤其是各种机器学习算法被引入以来,目标跟踪算法呈现百花齐放的态势。2013年以来,深度学习方法开始在目标跟踪领域展露头脚,并逐渐在性能上超越传统方法,取得巨大的突破。

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