管中窥“视频”，“理解”一斑 —— 视频理解概览

将门创投 今天

以下文章来源于PaperWeekly ，作者Lingyun Zeng

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本文通过对视频理解/分类（Video Understanding / Classification）的基础和经典论文进行梳理，帮助把握整体发展走向。

  1. 背景  

随着通信技术的发展，目前已进入全民视频&音频时代，各种短视频、中视频应用崛起，占据了大部分生活时间；深度学习视觉技术的研究焦点，也从单纯的图片向视频、多模态领域倾斜。
  2. 视频理解基础  
2.1 3D卷积 
  • 3D 卷积和 2D 卷积的区别：3D 卷积核多了一层深度的维度，用以提取时间序列信息（包含光流变化等） 
  • 2D 卷积核 shape：（channels，k_height，k_width） 
  • 3D 卷积核 shape：（channels，k_depth，k_height，k_width） ，与 2D 卷积核的本质区别在于是否在 depth 维度进行滑动（可以把 2D 卷积看作 3D 卷积的特殊形式） 
2.2 模型评价标准 
视频分类 metric：和图片分类类似，使用 top1，top5 accuracy 评价。
2.3 常用数据集

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2.4 经典模型 
2.4.1 DT及iDT算法（手工提特征，非深度学习方法） 
DT算法 

流程：密集采样特征点，特征点轨迹跟踪，轨迹特征提取。 

1. 密集采样特征点：使用网格划分的方法，在二维图像上进行特征点采样。同时设置阈值，去除缺乏变化区域的采样点（缺乏变化区域的特征点后续难以在时间序列上进行跟踪，e.g. 白色墙壁中心的点）。 
2. 特征点轨迹跟踪：通过计算特征点运动方向，得到轨迹向量。特征点运动方向计算公式：，其中 ， 和 代表光流方向，M 为中值滤波。即运动方向是以特征点领域内光流中值确定的。
3. 轨迹特征提取：对每帧图像中特征点领域进一步进行网络划分，提取 HOG, HOF, MBH 特征，并对特征归一化后进行编码。
4. 使用 SVM 对编码后的视频特征进行分类。
iDT算法 

在 DT 算法上进行改进：光流图像优化，特征归一化方式改进，特征编码方式改进（目前一些深度学习方法 ensamble iDT 后会有提升）。

1. 光流图像优化：由于相机运动，背景也存在很多轨迹信息，会对前景的特征采样造成影响。因此 iDT 专门去除了背景上的特征点。（通过估计相机运动，来消除背景区域的光流）； 

2. 特征归一化方式改进：使用 L1 正则后再开方，提升约0.5%。（DT 算法使用 L2 范式进行归一化）； 

3. 特征编码方式改进：使用 Fisher Vector 方式编码（DT 算法使用 Bag of Features）。

2.4.2 P3D模型
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论文标题：
Learning Spatio-Temporal Representation with Pseudo-3D Residual Networks
论文来源：
ICCV 2017
论文链接：
https://arxiv.org/abs/1711.10305
代码链接：
https://github.com/ZhaofanQiu/pseudo-3d-residual-networks
提出了 3 种 3d 残差卷积块，将 3x3x3 的 3D conv 解耦成 1x3x3 的空间卷积（即“S”）以及3x3x1的时间卷积（即“T”），便于减少计算量和使用预训练模型。 

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2.4.3 R（2+1）D模型 

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论文标题：
A Closer Look at Spatiotemporal Convolutions for Action Recognition
论文来源：
CVPR 2018
论文链接：
https://arxiv.org/abs/1711.11248
代码链接：
https://github.com/facebookresearch/VMZ
证明了在残差网络结构中，3D 卷积优于 2D 卷积（对于动作识别任务而言）；证明了分解 3D conv 为 spatial conv 和 temporal conv 能显著提升准确率。 

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  • R2D：4 维张量 reshape 成 3 维张量处理； 

  • MCx：认为动作建模在浅层更必要； 

  • rMCx：认为动作建模在深层更必要； 

  • R3D：在所有层都使用 3D conv 进行动作建模； 

  • R（2+1）D：3D conv 解耦为 2D conv 和 1D conv。

    好处：(a) 解耦后增加 relu 层，增加了非线性操作，提升网络表达能力 （b）解耦之后更容易优化，loss 更低。

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  3. 视频理解-经典论文梳理  

3.1 ICCV 2015

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论文标题：

Unsupervised Learning of Visual Representations using Videos

所属领域：

无监督学习（利用视频数据，ICCV 2015） 

论文链接：

https://xiaolonw.github.io/papers/unsupervised_video
代码链接：

https://github.com/xiaolonw/caffe-video_triplet

Background

大量视觉任务使用监督学习或者半监督的方法来提取特征，并且大部分基于 image。 

Motivation

1. 目前无监督学习无法赶超监督学习, 瓶颈在哪里？
2. 人类视觉是从动态的感知信息而不是静态图片中获取信息的，CNN 能否也从对动态感知（即视频数据）的学习中得到提升？ 

Method

提出了 siamese network，三个子网络共享权重，和 AlexNet 结构类似，在 pool5 后面接了 4096 和 1024 维的全连接层，即每个视频 patch 最终被映射为 1024 维的向量。 


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Input：pair of patches（size：227x227，从视频帧中提取） 

Output：3 个 1024 维向量 

Loss Function：正则化项 +cos 距离项 

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其中，W：权重 weight，：track 的起始两个 patch，：从其他 video 中随机选取的 patch（用来 triplet），：两个 patch 的 cos 距离，M：两个距离的 gap 超参，设置为 0.5。
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Details

1. 提取感兴趣的 patch（即包含我们想要的 motion 的部分），并跟踪这些patches，以此来创建 train instances。

● 提取 patch：采用 two-step approach：

(1) 获取 SURF 特征点，然后使用 IDT [1] 中单应性估计方法获取每个 SURF 特征点的轨迹。

说明：之所以使用这个方法，是因为 youtube 视频包含很多相机移动的噪声。IDT 这一步专门去除了相机运动信息。 

(2) 获取了 SURF 点的轨迹后，将移动幅度大于 0.5 像素的点归类为 “moving” 。

(3) 帧过滤：过滤掉（a）包含 moving 类的 SURF 点低于 25%（可能这些是噪声点） 和（b）包含 moving 类的 SURF 点高于 75% 的帧（可能都是相机的运动）。 

(4) 用 227x227 的 bbox 做 sliding window，提取包含最多 moving 点的 bbox 作为该帧的 patch。

● tracking： 

使用 KDF tracker [2] 对前面获得的 patch 进行跟踪，track 的第一帧和最后一帧会作为 pair of patches 进行训练。

2. 如何选择 negative 样本 

(1) 先随机选择：对每个 pair of patches，在同一个 batch 中随机选择 K 个 patch 作为 negative patch，得到 K 个 triplet。每个 epoch 都进行 shuffle，确保每 个pair of patches 都能和不同的 negative patch 组合。

(2) 训练大概 10 个 epoch 后，进行 hard negative mining。对每个 pair of patches，将它们和同一个 batch 中其他的 patches 过网络前向计算，根据 loss （下图 loss）的大小进行排序，选取 loss 最大的前 K 个（此处 K=4）patch 作为 negative patch。使用这 K 个 patches 进行后续的训练。

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3. 如何将这个网络应用到监督学习的任务 
(1) 方法一：直接将 triplet network 作为预训练网络，修改输出层适应不同任务。
(2) 方法二：迭代式训练。先用 triplet 做预训练，再将 finetuned network 拿来跑 triplet，最后再对应的任务上做 finetune。 
4. 训练设置 
Dataset: Youtube, 100K videos。提取出 8million 的 patches，后续做 finetune 实验分别使用 1.5M / 5M / 8M 的数据；Batchsize：100 ；初始 LR rate：0.001。
Results

1. 直接使用 VOC 训练，mAP 44.0%；ensemble 3 个模型后，mAP 47.3%（+3.3）。

2. 无监督方法的预训练模型 +VOC finetune， mAP 46.2%；增加无监督训练数据后，mAP 47.0%（+0.8）以及 47.5%（+1.3），证明无监督模型对特征提取有益。 

3. 在 VOC 上 retrieval rate 40%（ImageNet 预训练模型：62%，但是它已经学习过 semantics 了）。

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可视化结果：使用 VOC 2012 val 做 query，然后从训练数据中找 cos 距离最近的 5 张图。 
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3.2 ECCV 2016
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论文标题：

TSN-Temporal Segment Networks: Towards Good Practices for Deep Action Recognition

所属领域：

动作/行为识别（基于视频，ECCV 2016）

论文链接：

abs/1608.00859

代码链接：

https://github.com/ZJCV/TSN

Background

基于图片的动作识别已经取得了良好效果，但基于视频的研究并没有太大突破。作者认为主要瓶颈在于以下三个方面： 

1. 长时间段的视频结构包含了丰富的动态行为信息，但目前的主流研究方法，在实际应用中，受限于计算资源的限制，只能基于短时间段的序列，会丢失一些长时间段中的信息。 大部分在这个方面进行的研究，基于密集的时间间隔采样：会带来巨大的计算开销，在实际应用场景中不适合。 

2. 好的网络模型需要大量的训练数据，目前（论文发表时）只有 UCF101, HMDB51 数据集，数据量和类别种类都不够。 

3. 视频的动作分类模型还没有深层网络（相比于图像分类模型来说），训练深层网络容易造成过拟合。 

Motivation

1. 设计一种高效的，适用于长时间段视频的模型； 

2. 在有限的训练数据下实现卷积网络的学习。 

Methods
设计了一种 two-stream architecture 的模型，主要创新点在于对完整视频段进行分割，再对分割段的预测结果进行整合，从而实现了利用少量帧信息即可获取完整视频信息的目的，在满足资源限制的条件下实现对完整视频段特征的学习。 
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损失函数： 
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将每个 Video 划分为 K 个 segments，然后从每个 segment 里随机挑选帧组成 snippet，对这些 snippet 分类，聚合分类结果作为视频的分类结果。 
Experiment

视频的光流特征使用 OpenCV TVL1 optical flow algorithm 进行提取。

1. 对输入模式和训练策略进行实验，结论

（1）使用 Cross modality 和 partial BN with dropout 的方案可以提升精度

（2）融合光流、wrap 光流、RGB 输入的结果精度最高，92.3%（加 RGB difference 会掉点，如果对计算资源有严格要求的时候可以考虑使用） 。

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2. 聚合函数探索，结论：average 最好。

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3. 在 UCF101 上精度 94.2%，HMDB51 69.4%。

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3.3 ICCV 2019
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论文标题：

SlowFast Networks for Video Recognition

所属领域：

视频识别（FAIR，ICCV 2019）

论文链接：

https://arxiv.org/abs/1812.03982

代码链接：

https://github.com/facebookresearch/SlowFast

Background
目前视频识别的工作可以分为 3 个方向：利用 3D conv 等来整合时间序列上的信息；使用光流特征来进行学习；two-stream 的网络结构。
Motivation
1. 受启发于生物学结论：人眼对于快慢动作信息有两套不同的 path 进行处理，fast path 聚焦快速动作信息，忽略颜色纹理信息，slow path 聚焦颜色纹理，忽略动作。 
2. 常见的 two-stream 结构需要手工提取光流信息，能否设计一种 end-to-end 的网络结构？ 
Methods
设计了一种 end-to-end 的视频分类网络，包含 Slow 和 Fast 两条学习路径，Slow path 的数据是低帧率的，主要学习空间纹理、颜色信息；Fast Path 是高帧率的，负责学习时间维度上的动作信息。最后对两路学习结果进行 fuse。 

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设置 Fast Path 有更高的时间帧率，更小的通道数： 

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Experiment
Fast path 有助于提升精度 , 可以达到 SOTA。

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3.4 CSN, CVPR
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论文标题：

Video Classification with Channel-Separated Convolutional Networks

所属领域：

视频分类（FAIR，CVPR 2019）

论文链接：

https://arxiv.org/abs/1904.02811

代码链接：

https://github.com/facebookresearch/VMZ
Contributions
探究了 3D group conv 的作用，包括“是否能降低计算开销”，“主要影响因素”，“trade-off 方案” 。
Conclusions
1. 3D group conv 可以有效降低计算开销。
2. 3D channel-separated conv 有正则化效果，能够提升测试准确率。
Methods
irCSN 和 ipCSN 
提出两种 3D 组卷积结构（ip 和 ir）： 
（a）resnet 3D conv
（b）ip block（Interaction-preserved channel-separated bottleneck block）
使用一个 1x1x1 卷积和一个 3x3x3 depth wise 卷积替换原来的一个 3x3x3 卷积，由于新增了一个 1x1x1 卷积，因而保留了 channels 之间的连接信息，所以称为 Interaction-preserved。 
（c）ir block（Interaction-reduced channel-separated bottleneck block）
使用一个 3x3x3 depth wise 卷积替换原来的一个 3x3x3 卷积，由于此处已经丢失了部分连接信息，因而称为 Interaction-reduced。 
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Experiments
1. 在 50 和 101 layer 的实验中，可以超过原始 resnet 结构：69.4 -> 70.8，70.6->71.8。

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2. ip-CSN 和 resnet 在 kinetics 上 training error 的对比：ip-CSN 有更高的 train error，但是有更低的 test error，证明 ip 结构可以提供正则化效果，防止过拟合。 
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3. 在 kinetics 上可以达到 sota： 

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简单过了一遍，总体来说分为两大阵营：

  • 以 SlowFast 为首的 3D conv 结构（i3D, P3D, R(2+1)D, SlowFast等）；

  • 以 TSM 为首的 2D conv 结构（TSM,TSN,TIN）等；

基本也是 trade-off 问题了，3D conv 精度更高，2D conv 速度更快。相信也会像目标检测一样，忽然有个逆天结构出来改变赛场模式吧（比如 Transformer？）
Illustrastion by Natasha Remarchuk from Icons8
- The End -
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