Objektdetektering Uppnådd genom Implementering av Prediktiva Metoder med Statiska Objektdetektorer Tränade på Entagningsdetektor Inception V2 Nätverket

In this work, the possibility of realising object tracking by implementing predictive methods with static object detectors is explored. The static object detectors are obtained as models trained on a machine learning algorithm, or in other words, a deep neural network. Specifically, it is the single shot detector inception v2 network that will be used to train such models. Predictive methods will be incorporated to the end of improving the obtained models’ precision, i.e. their performance with respect to accuracy. Namely, Lagrangian mechanics will be employed to derived equations of motion for three different scenarios in which the object is to be tracked. These equations of motion will be implemented as predictive methods by discretising and combining them with four different iterative formulae. In ch. 1, the fundamentals of supervised machine learning, neural networks, convolutional neural networks as well as the workings of the single shot detector algorithm, approaches to hyperparameter optimisation and other relevant theory is established. This includes derivations of the relevant equations of motion and the iterative formulae with which they were implemented. In ch. 2, the experimental set-up that was utilised during data collection, and the manner by which the acquired data was used to produce training, validation and test datasets is described. This is followed by a description of how the approach of random search was used to train 64 models on 300×300 datasets, and 32 models on 512×512 datasets. Consecutively, these models are evaluated based on their performance with respect to camera-to-object distance and object velocity. In ch. 3, the trained models were verified to possess multi-scale detection capabilities, as is characteristic of models trained on the single shot detector network. While the former is found to be true irrespective of the resolution-setting of the dataset that the model has been trained on, it is found that the performance with respect to varying object velocity is significantly more consistent for the lower resolution models as they operate at a higher detection rate. Ch. 3 continues with that the implemented predictive methods are evaluated. This is done by comparing the resulting deviations when they are let to predict the missing data points from a collected detection pattern, with varying sampling percentages. It is found that the best predictive methods are those that make use of the least amount of previous data points. This followed from that the data upon which evaluations were made contained an unreasonable amount of noise, considering that the iterative formulae implemented do not take noise into account. Moreover, the lower resolution models were found to benefit more than those trained on the higher resolution datasets because of the higher detection frequency they can employ. In ch. 4, it is argued that the concept of combining predictive methods with static object detectors to the end of obtaining an object tracker is promising. Moreover, the models obtained on the single shot detector network are concluded to be good candidates for such applications. However, the predictive methods studied in this thesis should be replaced with some method that can account for noise, or be extended to be able to account for it. A profound finding is that the single shot detector inception v2 models trained on a low-resolution dataset were found to outperform those trained on a high-resolution dataset in certain regards due to the higher detection rate possible on lower resolution frames. Namely, in performance with respect to object velocity and in that predictive methods performed better on the low-resolution models.I detta arbete undersöks möjligheten att åstadkomma objektefterföljning genom att implementera prediktiva metoder med statiska objektdetektorer. De statiska objektdetektorerna erhålls som modeller tränade på en maskininlärnings-algoritm, det vill säga djupa neurala nätverk. Specifikt så är det en modifierad version av entagningsdetektor-nätverket, så kallat entagningsdetektor inception v2 nätverket, som används för att träna modellerna. Prediktiva metoder inkorporeras sedan för att förbättra modellernas förmåga att kunna finna ett eftersökt objekt. Nämligen används Lagrangiansk mekanik för härleda rörelseekvationer för vissa scenarion i vilka objektet är tänkt att efterföljas. Rörelseekvationerna implementeras genom att låta diskretisera dem och därefter kombinera dem med fyra olika iterationsformler. I kap. 2 behandlas grundläggande teori för övervakad maskininlärning, neurala nätverk, faltande neurala nätverk men också de grundläggande principer för entagningsdetektor-nätverket, närmanden till hyperparameter-optimering och övrig relevant teori. Detta inkluderar härledningar av rörelseekvationerna och de iterationsformler som de skall kombineras med. I kap. 3 så redogörs för den experimentella uppställning som användes vid datainsamling samt hur denna data användes för att producera olika data set. Därefter följer en skildring av hur random search kunde användas för att träna 64 modeller på data av upplösning 300×300 och 32 modeller på data av upplösning 512×512. Vidare utvärderades modellerna med avseende på deras prestanda för varierande kamera-till-objekt avstånd och objekthastighet. I kap. 4 så verifieras det att modellerna har en förmåga att detektera på flera skalor, vilket är ett karaktäristiskt drag för modeller tränade på entagninsdetektor-nätverk. Medan detta gällde för de tränade modellerna oavsett vilken upplösning av data de blivit tränade på, så fanns detekteringsprestandan med avseende på objekthastighet vara betydligt mer konsekvent för modellerna som tränats på data av lägre upplösning. Detta resulterade av att dessa modeller kan arbeta med en högre detekteringsfrekvens. Kap. 4 fortsätter med att de prediktiva metoderna utvärderas, vilket de kunde göras genom att jämföra den resulterande avvikelsen de respektive metoderna innebar då de läts arbeta på ett samplat detektionsmönster, sparat från då en tränad modell körts. I och med denna utvärdering så testades modellerna för olika samplingsgrader. Det visade sig att de bästa iterationsformlerna var de som byggde på färre tidigare datapunkter. Anledningen för detta är att den insamlade data, som testerna utfördes på, innehöll en avsevärd mängd brus. Med tanke på att de implementerade iterationsformlerna inte tar hänsyn till brus, så fick detta avgörande konsekvenser. Det fanns även att alla prediktiva metoder förbättrade objektdetekteringsförmågan till en högre utsträckning för modellerna som var tränade på data av lägre upplösning, vilket följer från att de kan arbeta med en högre detekteringsfrekvens. I kap. 5, argumenteras det, bland annat, för att konceptet att kombinera prediktiva metoder med statiska objektdetektorer för att åstadkomma objektefterföljning är lovande. Det slutleds även att modeller som erhålls från entagningsdetektor-nätverket är lovande kandidater för detta applikationsområde, till följd av deras höga detekteringsfrekvenser och förmåga att kunna detektera på flera skalor. Metoderna som användes för att förutsäga det efterföljda föremålets position fanns vara odugliga på grund av deras oförmåga att kunna hantera brus. Det slutleddes därmed att dessa antingen bör utökas till att kunna hantera brus eller ersättas av lämpligare metoder. Den mest väsentliga slutsats detta arbete presenterar är att lågupplösta entagninsdetektormodeller utgör bättre kandidater än de tränade på data av högre upplösning till följd av den ökade detekteringsfrekvens de erbjuder