在學習KCF目標跟蹤算法時，會用到一個數學概念：循環矩陣，其對KCF的速度提升起到了非常關鍵的作用，值得了解下。

1. 傅里葉矩陣(DFT Matrix)

　在了解循環矩陣的定義前，需要先了解下離散傅里葉矩陣：

2. 循環矩陣定義

形狀如下的矩陣(X)稱為循環矩陣，(x)為循環矩陣(X)的生成向量，為矩陣第一行, 其他行都是(x)向右循環位移得到。

[X=C(x) = egin{bmatrix}
x_1 &x_2 &x_3 &x_4\
x_4 &x_1 &x_2 &x_3\
x_3 &x_4 &x_1 &x_2\
x_2 &x_3 &x_4 &x_1\
end{bmatrix}
]

通過(x)生成(X), 可以由排列矩陣和(x)相乘，連續平移(x)得到，示例代碼如下：

import numpy as np
x = np.array(
    [[1, 2, 3, 4]]
)
P = np.array(
    [[0, 0, 0, 1],
     [1, 0, 0, 0],
     [0, 1, 0, 0],
     [0, 0, 1, 0]]
)
X = np.zeros((4, 4))
X[0, :] = x
for i in range(1, 4):
    X[i, :] = np.dot(P, X[i-1, :]).T  # 排列矩陣P每作用一次x，x向右移動一位
print(X)

輸出：
[[1. 2. 3. 4.]
 [4. 1. 2. 3.]
 [3. 4. 1. 2.]
 [2. 3. 4. 1.]]

3. 循環矩陣性質

循環矩陣很多優秀的性質，其中最重要的幾個性質為如下：

1. 任意循環矩陣可以被傅里葉變換矩陣對角化

一般用如下方式表達這一概念：

[X=C(x)=Fcdot diag(widehat{x})cdot F^{H}
]

其中(X)是一個循環矩陣，(x)是(X)的生成向量, (hat x)（讀作x hat）為原向量(x)的傅里葉變換；(F)是傅里葉變換矩陣，(F^H)表示共軛轉置: (F^H=(F^*)^T)。換句話說，(X)相似于對角陣，(X)的特征值是(hat x) 的元素。
另一方面，如果一個矩陣能夠表示成兩個傅里葉矩陣夾一個對角陣的乘積形式，則它是一個循環矩陣。其生成向量是對角元素的傅里葉逆變換：

[Fcdot diag({y})cdot F^{H} = C(mathcal{F}^{-1}(y)) ，（mathcal{F}^{-1}(y)表示y的傅里葉逆變換）
]

2. 循環矩陣乘向量等價于生成向量的逆序和該向量卷積

數學表示如下：

[mathcal{F}(Xy) = mathcal{F}(C(x)y) = mathcal{F}(ar x*y) = mathcal{F}^*(x)odotmathcal{F}(y)
]

這里(ar x)表示(x)的逆序排列，?表示卷積。

注意：卷積本身也包含逆序操作。此外，這里最后一個等號利用了信號與系統中的“時域卷積，頻域相乘”，即時域卷積定理，它表明兩信號在時域的卷積積分對應于在頻域中該兩信號的傅里葉變換的乘積。

3. 循環矩陣的乘積仍是循環矩陣，可以以較低的復雜度計算循環矩陣的乘積

數學表示如下：

[X^HX = Fcdot diag(widehat{x}odotwidehat{x}^*)cdot F^{H}=C(mathcal{F}^{-1}(widehat{x}odotwidehat{x}^*))
]

公式中最終所得的乘積也是循環矩陣，其生成向量是原生成向量對位相乘的傅里葉逆變換。

以K表示的是矩陣的尺寸，可以發現計算速度提升非常明顯， KCF主要就是利用了這條性質：

原始計算量：兩個方陣相乘(O(K^3))

轉化后的計算量：反向傅里葉(O(Klog(K)))+向量點乘（(K)）

在非線形的情況下，當引入了核之后，也可以得到同樣的一個情況。此時需要這個核滿足一定的條件，它是可以具備循環矩陣的一些性質的，例如常用的高斯核、線性核都滿足這個條件，因此可以直接拿來用。

4. KCF中的循環矩陣

關于KCF的理論推導有很多文章描述了，請參考：

https://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/50905283

https://blog.csdn.net/weixin_38128100/article/details/95729653

https://zhuanlan.zhihu.com/p/48249974

https://gsy00517.github.io/computer-vision20200120120823/

4.1核矩陣K是循環矩陣

在上述KCF的理論推導中有一個前提：即下面表達式中的核矩陣K是循環矩陣

[優化函數最優解：alpha=(phi(X)^Tphi(X)+lambda I)^{-1}y=(K+lambda I)^{-1}y
]

這個前提條件是怎么來的呢？滿足什么條件時K是循環矩陣呢？

K為核矩陣，其形式如下：（若(X)為nxm的矩陣，表示有n條數據，每一條數據的維度為m, 那么對應的核矩陣為nxn的矩陣，每一個元素表示兩條數據的內積）

[核矩陣K = egin{bmatrix} k(x_1,x_1) & k(x_1,x_2) & dots & k(x_1,x_n) \
k(x_2,x_1) & k(x_2,x_2) & dots & k(x_2,x_n) \ vdots &vdots & &vdots\
k(x_n,x_1) & k(x_n,x_2) & dots & k(x_n,x_n) end{bmatrix}=egin{bmatrix} phi(x_1)phi(x_1) & phi(x_1)phi(x_2) & dots & phi(x_1)phi(x_n) \
phi(x_2)phi(x_1) & phi(x_2)phi(x_2) & dots & phi(x_2)phi(x_n) \ vdots &vdots & &vdots\
phi(x_n)phi(x_1) & phi(x_n)phi(x_2) & dots & phi(x_n)phi(x_n) end{bmatrix} = phi(X)phi(X)^T
]

K為循環矩陣的條件就是X為循環矩陣，通過循環矩陣的幾條性質可以得到：

循環矩陣的轉置是循環矩陣: 若(X)是循環矩陣，(X^T)也是循環矩陣
循環矩陣乘以循環矩陣，還是循環矩陣:(X)和 (X^T)都是循環矩陣，則(XX^T)也是循環矩陣
相比于(XX^T)，(phi(X)phi(X)^T)多了一層核函數，但對于滿足一定條件的核函數，高斯核，多項式核，對應的矩陣仍然是循環矩陣

我們可以舉個例子驗證下，測試代碼和結果如下：

def GaussianKernel(X, Y, gamma=1.0):
    n = X.shape[0]
    ret = np.zeros((n, n))
    for i in range(n):
        for j in range(n):
            ret[i,j] = np.sum(np.power((X[i, :] - Y[:, j].T), 2))
    ret = np.exp(ret/(-2*gamma*gamma))
    return ret
    
def recycle_matrix():
    X = np.array(
        [[1, 2, 3, 4],
         [4, 1, 2, 3],
         [3, 4, 1, 2],
         [2, 3, 4, 1]]
    )
    print("*********X*********")
    print(X)

    print("*********X^TX*********")
    print(np.dot(X, X.T))

    print("*********K*********")
    K = GaussianKernel(X, X.T)
    print(K)

    # 調用sklearn中的高斯核函數
    # from sklearn.gaussian_process.kernels import RBF
    # kernel = RBF()
    # K = kernel(X, X.T)
    # print(K)
if __name__ == "__main__":
    recycle_matrix()

4.2 樣本X是循環矩陣

上面已經得到：樣本(X)是循環矩陣，則核矩陣(K)是循環矩陣的。那么(X)怎樣才能成為循環矩陣呢？論文中描述如下：

一維樣本構成循環矩陣

論文中，作者先用一維樣本舉例，如下圖所示，循環矩陣的生成向量(base sample)是一個一維的向量(1*m)，這個向量向右循環移動n-1次，生成n-1個向量，所有向量組成一個nxm的循環矩陣

二維樣本構成循環矩陣

論文接下來以二維樣本為例，如下圖所示，循環矩陣的生成向量是一張二維圖片(假設為m*m)，每移動一次就會生成一個mxm的矩陣，所有這些mxm的矩陣最后拼接起來組成一個大的循環矩陣，下面是其移動示例過程：

這里是一個循環圖片的示例，使用base sample，若我們向下移動15個像素，也就是從下面剪切15個像素拼到上面，就會變成左二圖，若移動30個就可以生成左一圖，右側的圖片是上移生成的。這就是在做tracking時循環采樣的樣本，一般會在目標周圍取一個比目標更大的一個框，然后對大框框取的圖像區域進行循環采樣，那么就會生成這樣一些新的樣本來模擬我們的正樣本并用于訓練

參考：https://blog.csdn.net/shenxiaolu1984/article/details/50884830

總結

以上是生活随笔為你收集整理的KCF中的循环矩阵的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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