王帥琛， 黃倩， 張?jiān)骑w， 李興， 聶云清， 雒國(guó)萃。 2022. 多模態(tài)數(shù)據(jù)的行為識(shí)別綜述。 中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)， 27（11）： 3139-3159.

摘要：行為識(shí)別是當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向中視頻理解領(lǐng)域的重要研究課題。從視頻中準(zhǔn)確提取人體動(dòng)作的特征并識(shí)別動(dòng)作，能為醫(yī)療、安防等領(lǐng)域提供重要的信息，是一個(gè)十分具有前景的方向。本文從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度出發(fā)，全面介紹了行為識(shí)別技術(shù)的研究發(fā)展，對(duì)具有代表性的行為識(shí)別方法或模型進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。行為識(shí)別的數(shù)據(jù)分為RGB模態(tài)數(shù)據(jù)、深度模態(tài)數(shù)據(jù)、骨骼模態(tài)數(shù)據(jù)以及融合模態(tài)數(shù)據(jù)。首先介紹了行為識(shí)別的主要過(guò)程和人類(lèi)行為識(shí)別領(lǐng)域不同數(shù)據(jù)模態(tài)的公開(kāi)數(shù)據(jù)集；然后根據(jù)數(shù)據(jù)模態(tài)分類(lèi)，回顧了RGB模態(tài)、深度模態(tài)和骨骼模態(tài)下基于傳統(tǒng)手工特征和深度學(xué)習(xí)的行為識(shí)別方法，以及多模態(tài)融合分類(lèi)下RGB模態(tài)與深度模態(tài)融合的方法和其他模態(tài)融合的方法。傳統(tǒng)手工特征法包括基于時(shí)空體積和時(shí)空興趣點(diǎn)的方法（RGB模態(tài)）、基于運(yùn)動(dòng)變化和外觀的方法（深度模態(tài)）以及基于骨骼特征的方法（骨骼模態(tài)）等；深度學(xué)習(xí)方法主要涉及卷積網(wǎng)絡(luò)、圖卷積網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)介紹了其改進(jìn)點(diǎn)、特點(diǎn)以及模型的創(chuàng)新點(diǎn)?；诓煌B(tài)的數(shù)據(jù)集分類(lèi)進(jìn)行不同行為識(shí)別技術(shù)的對(duì)比分析。通過(guò)類(lèi)別內(nèi)部和類(lèi)別之間兩個(gè)角度對(duì)比分析后，得出不同模態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)景、手工特征法與深度學(xué)習(xí)法的區(qū)別和融合多模態(tài)的優(yōu)勢(shì)。最后，總結(jié)了行為識(shí)別技術(shù)當(dāng)前面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并基于數(shù)據(jù)模態(tài)的角度提出了未來(lái)可行的研究方向和研究重點(diǎn)。

00 引言

人體行為識(shí)別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)、視頻處理和模式識(shí)別等學(xué)科交叉的研究課題，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。行為識(shí)別是對(duì)包含人體動(dòng)作行為的視頻序列進(jìn)行動(dòng)作特征提取、特征表示和動(dòng)作識(shí)別等操作的過(guò)程。由于視頻采集傳感器的成本降低和快速發(fā)展，使得行為識(shí)別有了廣泛的應(yīng)用前景，例如視頻檢索、人機(jī)交互、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，都涉及行為識(shí)別的相關(guān)技術(shù)。行為識(shí)別屬于視頻理解的范疇，所以特征的提取和表示至關(guān)重要。這兩個(gè)過(guò)程的好壞會(huì)直接影響最終的分類(lèi)結(jié)果。特征可以通過(guò)手工制作和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)獲取，圖 1介紹了兩種方法的基本過(guò)程。手工特征的方法利用圖像和數(shù)學(xué)等知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種表達(dá)動(dòng)作的方式，通過(guò)表達(dá)動(dòng)作的信息區(qū)分不同類(lèi)別的動(dòng)作。算法實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，但是常常局限于某個(gè)數(shù)據(jù)集。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性更好，能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)提取出側(cè)重的特征，并能依靠反向傳播等手段優(yōu)化提取特征的過(guò)程，最終得到一個(gè)能高效提取動(dòng)作特征和正確分類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)模型。

從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度出發(fā)，可將行為識(shí)別方法分為基于RGB數(shù)據(jù)的方法、基于深度數(shù)據(jù)的方法、基于骨骼數(shù)據(jù)的方法和融合以上模態(tài)數(shù)據(jù)的方法，如圖 2所示。每種數(shù)據(jù)的模態(tài)都有自身特性導(dǎo)致的優(yōu)缺點(diǎn)，如RGB模態(tài)數(shù)據(jù)易采集但魯棒性較差。因此提出了融合多模態(tài)的方法，以克服一些單模態(tài)存在的問(wèn)題。本文相比較其他行為識(shí)別綜述的貢獻(xiàn)在于：1）本文的數(shù)據(jù)模態(tài)分類(lèi)、方法分類(lèi)和數(shù)據(jù)集分類(lèi)一一對(duì)應(yīng)，對(duì)初學(xué)者或者長(zhǎng)期研究者都提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的介紹和對(duì)比；2）其他的行為識(shí)別綜述通常注重單一模態(tài)下的論述，而本文更加全面地論述了多種數(shù)據(jù)模態(tài)和數(shù)據(jù)融合的行為識(shí)別；3）近年的行為識(shí)別綜述只包含深度學(xué)習(xí)，缺少早期手工特征的方法，本文分析手工特征的思想優(yōu)點(diǎn)和深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；4）討論了不同數(shù)據(jù)模態(tài)的優(yōu)劣性和動(dòng)作識(shí)別的挑戰(zhàn)以及未來(lái)研究方向。

01 行為識(shí)別數(shù)據(jù)集

在評(píng)價(jià)不同識(shí)別方法的性能時(shí)，數(shù)據(jù)集有非常重要的作用。目前有許多公開(kāi)的行為數(shù)據(jù)集供研究人員使用。主流數(shù)據(jù)集的詳細(xì)信息如表 1所示。

HMDB-51（human motion database）（Kuehne等，2011）中數(shù)字51代表類(lèi)別數(shù)量。它是從各種互聯(lián)網(wǎng)資源和數(shù)字化電影中收集形成，此數(shù)據(jù)集的動(dòng)作主要是日常行為，如圖 3所示。該數(shù)據(jù)集包含6 849個(gè)視頻，分為51個(gè)動(dòng)作類(lèi)別，每種動(dòng)作包含101個(gè)視頻片段。該數(shù)據(jù)集的干擾因素主要是攝像機(jī)視角和運(yùn)動(dòng)的變化、背景雜亂、志愿者位置和外觀的變化。

UCF101（Soomro等，2012）是由美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究中心發(fā)布的數(shù)據(jù)集，是UCF50數(shù)據(jù)集的擴(kuò)展，收集自YouTube，提供了包含101個(gè)動(dòng)作類(lèi)別的13 320個(gè)視頻樣本數(shù)據(jù)。UCF101在動(dòng)作方面提供了最大的多樣性，在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)、對(duì)象的外觀和姿態(tài)、對(duì)象規(guī)模、視點(diǎn)、雜亂的背景以及照明條件等方面有很大的變化。Kinetics（Carreira和Zisserman，2017）是一個(gè)大規(guī)模、高質(zhì)量的YouTube視頻數(shù)據(jù)集，其中包括各種各樣的以人為中心的動(dòng)作。該數(shù)據(jù)集由大約300 000個(gè)視頻片段組成，涵蓋400種動(dòng)作類(lèi)別，每個(gè)動(dòng)作至少有400個(gè)視頻片段。每個(gè)片段持續(xù)大約10 s，并標(biāo)記為一個(gè)動(dòng)作類(lèi)別。所有片段都經(jīng)過(guò)多輪人工標(biāo)注，都是從一個(gè)獨(dú)特的YouTube視頻中獲得。這些動(dòng)作涵蓋了廣泛的動(dòng)作類(lèi)別，包括人與物的交互，如演奏樂(lè)器；以及人與人的交互，如握手和擁抱。發(fā)布者先后在2016年、2017年、2018年相繼發(fā)布了Kinetics-400、Kinetics-600（Carreira等，2018）和Kinetics-700（Carreira等，2019）系列，代表視頻中的動(dòng)作可分為400、600、700個(gè)類(lèi)別。Something-Something數(shù)據(jù)集（Goyal等，2017）是一個(gè)中等規(guī)模的數(shù)據(jù)集，它與一般數(shù)據(jù)集的最大區(qū)別在于，其內(nèi)容定義的是原子動(dòng)作，并且該數(shù)據(jù)集特別注重時(shí)序上的關(guān)系。第1版本和第2版本數(shù)據(jù)集由108 499個(gè)和220 847個(gè)視頻組成，均可分為174個(gè)動(dòng)作類(lèi)別。MSR-Action3D（Li等，2010）是微軟研究院利用Kinect深度相機(jī)捕獲的動(dòng)作數(shù)據(jù)集。它包含20種與人類(lèi)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的活動(dòng)，如慢跑、高爾夫揮桿等。圖 4為其中3個(gè)動(dòng)作的深度圖實(shí)例。這個(gè)數(shù)據(jù)集中的每個(gè)動(dòng)作由10個(gè)人執(zhí)行2~3次，總共包含567個(gè)樣本。因?yàn)閯?dòng)作的高度相似性，該數(shù)據(jù)集具有一定的挑戰(zhàn)性。

MSR-Daily Activity（Wang等，2012）是微軟研究院（MSR）利用Kinect相機(jī)拍攝日?；顒?dòng)采集而成的數(shù)據(jù)集，共有16種動(dòng)作類(lèi)別，320個(gè)活動(dòng)樣本。其中，骨骼跟蹤器提取的3維關(guān)節(jié)位置信息非常嘈雜，大部分活動(dòng)都涉及人與物的交互。因此，動(dòng)作的識(shí)別難度較大。UTD-MHAD（Chen等，2015a）數(shù)據(jù)集是美國(guó)得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（The University of Texas at Dallas，UTD）發(fā)布的多模態(tài)人體行為識(shí)別數(shù)據(jù)集（MHAD），由8個(gè)表演者執(zhí)行27個(gè)類(lèi)別的動(dòng)作組成。每個(gè)表演者重復(fù)動(dòng)作4次，總共包括861個(gè)視頻序列。該數(shù)據(jù)集包含RGB模態(tài)、深度模態(tài)、骨架模態(tài)和慣性傳感器信號(hào)。NTU RGB+D（Shahroudy等，2016a）數(shù)據(jù)集由新加坡南洋理工大學(xué)創(chuàng)建，包含RGB模態(tài)和深度模態(tài)。它是迄今為止最大的動(dòng)作數(shù)據(jù)集，包含56 880個(gè)樣本數(shù)據(jù)和超過(guò)400萬(wàn)幀的視頻。該數(shù)據(jù)集一共有60個(gè)動(dòng)作類(lèi)別，基于3臺(tái)攝像機(jī)，在3個(gè)不同的視角，拍攝表演者的動(dòng)作過(guò)程。這個(gè)數(shù)據(jù)集對(duì)于不同的視頻序列具有可變的序列長(zhǎng)度，并且表現(xiàn)出很高的類(lèi)內(nèi)變化。該數(shù)據(jù)集包含了RGB模態(tài)、深度模態(tài)和骨骼模態(tài)。骨骼模態(tài)的數(shù)據(jù)集包含了25個(gè)關(guān)節(jié)記錄信息，圖 5為人體的25個(gè)關(guān)節(jié)示意圖。NTU RGB+D 120（Liu等，2020a）是NTU RGB+D數(shù)據(jù)集的擴(kuò)展，添加了另外60個(gè)類(lèi)別動(dòng)作和57 600個(gè)視頻樣本，與之前的工作疊加形成120個(gè)動(dòng)作類(lèi)別和114 480個(gè)樣本的大型數(shù)據(jù)集。

02 基于RGB數(shù)據(jù)的行為識(shí)別方法

RGB數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、易獲取，缺點(diǎn)在于對(duì)外觀的變化（如光線變化）缺少魯棒性。當(dāng)識(shí)別目標(biāo)與背景具有相似顏色和紋理時(shí)，僅用RGB數(shù)據(jù)很難處理這個(gè)問(wèn)題，這些局限妨礙了基于RGB數(shù)據(jù)的行為識(shí)別技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用?；赗GB的行為特征的生成方式可分為手工制作和機(jī)器學(xué)習(xí)。

2.1 基于手工特征的方法

手工制作的目的是得到人體行為動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)和時(shí)空變化，包括基于時(shí)空體積的動(dòng)作表示法、基于時(shí)空興趣點(diǎn)的方法和基于骨骼關(guān)節(jié)軌跡的方法?；跁r(shí)空體積的動(dòng)作表示法利用3維的時(shí)空模板進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別，關(guān)鍵在于匹配模板的構(gòu)造和編碼運(yùn)動(dòng)信息。Bobick和Davis（2001）提出了MEI（motion-energy images）和MHI（motion-history images）分別表示動(dòng)作發(fā)生的空間位置和動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間過(guò)程，如圖 6所示，MEI提取空間特征，MHI提取時(shí)間特征。在前期階段，運(yùn)動(dòng)歷史圖和運(yùn)動(dòng)能量圖十分相似，但在后期階段兩者有較大的區(qū)別。Klaser等人（2008）在2D HOG（histogram of oriented gradient）的基礎(chǔ)上，拓展出3D HOG特征來(lái)描述人體行為，提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。上述文獻(xiàn)的創(chuàng)新在于特征的表示，新穎的特征表示思想十分具有參考價(jià)值。但背景的噪聲和遮擋會(huì)使特征提取十分困難，并且忽略了一些局部特征，對(duì)近似動(dòng)作識(shí)別具有局限性。

基于時(shí)空興趣點(diǎn)的方法較時(shí)空體積法對(duì)背景的要求降低，它通過(guò)提取運(yùn)動(dòng)變化明顯的關(guān)鍵區(qū)域來(lái)表示動(dòng)作，重點(diǎn)在于關(guān)鍵興趣點(diǎn)的檢測(cè)方法、描述的特征和分類(lèi)方法。最常見(jiàn)的方法是基于3D-Harris時(shí)空特征點(diǎn)來(lái)檢測(cè)關(guān)鍵區(qū)域。Chakraborty等人（2012）提出了一種改進(jìn)后的3D-Harris方法，將局部特征檢測(cè)技術(shù)從圖像擴(kuò)展到3維時(shí)空域，然后計(jì)算特征描述子，并利用描述行為的視覺(jué)詞袋模型來(lái)構(gòu)建視覺(jué)單詞詞匯表，用于加強(qiáng)對(duì)行為的描述。Nguyen等人（2015）提出了一種基于時(shí)空注意機(jī)制的關(guān)鍵區(qū)域提取方法，將密集采樣與視頻顯著信息驅(qū)動(dòng)的時(shí)空特征池相結(jié)合，構(gòu)造視覺(jué)詞典和動(dòng)作特征。密集采樣能更好地表示動(dòng)作，但是增加了算法的復(fù)雜度，因此平衡采樣密集度和算法復(fù)雜度的關(guān)系是時(shí)空興趣點(diǎn)方法的重點(diǎn)之一。上述方法易受遮擋和相機(jī)視角變化的干擾，所以提出了基于骨骼和關(guān)節(jié)軌跡的動(dòng)作表示方法，用于分析人體的局部運(yùn)動(dòng)信息。該方法從RGB圖像中提取骨骼關(guān)鍵點(diǎn)或者跟蹤人體骨骼運(yùn)動(dòng)的軌跡，根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)和軌跡判斷動(dòng)作的類(lèi)別。該方法的關(guān)鍵在于使用何種算法和模型從RGB圖像中提取關(guān)鍵點(diǎn)或者軌跡。Gaidon等人（2014）基于分裂聚類(lèi)法表示局部運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算軌跡特征并用聚類(lèi)結(jié)果表示不同運(yùn)動(dòng)類(lèi)別。Wang和Schmid（2013）借鑒興趣點(diǎn)密集采樣的思想，通過(guò)采集密集點(diǎn)云和光流法跟蹤特征點(diǎn)，獲取密集軌跡（iDT），然后計(jì)算位移信息進(jìn)行識(shí)別。RGB模態(tài)的骨骼和關(guān)節(jié)軌跡方法仍然存在背景和遮擋的干擾。但是識(shí)別動(dòng)作的準(zhǔn)確性提高，促使之后的科研人員依靠傳感器采集骨骼模態(tài)形成數(shù)據(jù)集，從骨骼模態(tài)的角度研究行為識(shí)別。

2.2 基于深度學(xué)習(xí)的方法

深度學(xué)習(xí)的崛起逐漸影響了行為識(shí)別領(lǐng)域?；谏疃葘W(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)提取的高層次特征，信息量豐富、有區(qū)分性，優(yōu)于傳統(tǒng)手工特征，應(yīng)用于行為識(shí)別領(lǐng)域取得了重大的突破。在2D-CNN的基礎(chǔ)上，Carreira和Zisserman（2017）提出了一種I3D模型，將卷積從2維擴(kuò)展到3維，并提出了雙流3D卷積網(wǎng)絡(luò)用于動(dòng)作識(shí)別，雙流網(wǎng)絡(luò)也成為后人模仿借鑒的經(jīng)典方法。圖 7為I3D中改進(jìn)后的Inception模塊，其中大小為1的3D卷積作用為減少參數(shù)量，尺寸都為3的最大池化和3D卷積提取不同尺度的特征，同時(shí)殘差連接輸入與輸出，保持模型的穩(wěn)定性。同時(shí)Carreira和Zisserman（2017）提出了Kinetics數(shù)據(jù)集，將許多經(jīng)典算法在此數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析各算法的優(yōu)缺點(diǎn)。Zhu等人（2018）提出了一種名為隱式雙流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的CNN體系結(jié)構(gòu)，將原始視頻幀作為輸入并直接預(yù)測(cè)動(dòng)作類(lèi)別，通過(guò)隱式捕獲相鄰幀之間的運(yùn)動(dòng)信息，使用端到端的方法解決了需要計(jì)算光流的問(wèn)題。研究者通過(guò)改進(jìn)卷積網(wǎng)絡(luò)的模塊和深度，行為識(shí)別的準(zhǔn)確率大幅提升。雖然加深網(wǎng)絡(luò)能更有效地提取特征，但網(wǎng)絡(luò)也會(huì)變得臃腫和訓(xùn)練緩慢。為了保證時(shí)空流之間的可分辨性和探索互補(bǔ)信息，Zhang等人（2019）提出了一種新穎的協(xié)同跨流網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)調(diào)查多種不同模式中的聯(lián)合信息，通過(guò)端到端的學(xué)習(xí)方式提取共同空間和時(shí)間流的網(wǎng)絡(luò)特征，探索出不同流特征之間的相關(guān)性，從中提取不同模態(tài)的互補(bǔ)信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方便了特征提取的方法，但不能拘泥于網(wǎng)絡(luò)深度等方面，更應(yīng)該從多個(gè)角度（幀選擇和跨流網(wǎng)絡(luò)的想法）優(yōu)化識(shí)別過(guò)程。為了解決光流的計(jì)算復(fù)雜度問(wèn)題，Kwon等人（2020）用運(yùn)動(dòng)特征的內(nèi)部信息和輕量級(jí)學(xué)習(xí)代替對(duì)光流的繁重計(jì)算，提出了一種名為MotionSqueeze的可訓(xùn)練神經(jīng)模塊，用于有效的運(yùn)動(dòng)特征提取。該模塊即插即用，能插入任何神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間來(lái)學(xué)習(xí)幀間關(guān)系，并將其轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)特征，然后送到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行更好的預(yù)測(cè)。

學(xué)者的創(chuàng)新曾經(jīng)局限在提取特征的技術(shù)，Gowda等人（2020）從幀選擇的角度出發(fā)，保留行為特征在時(shí)間序列上區(qū)別明顯的“好”幀，剔除特征類(lèi)似和無(wú)法分類(lèi)的幀，提出一種名為SMART的智能幀選擇網(wǎng)絡(luò)，如圖 8所示，綜合考慮單個(gè)幀和多個(gè)幀的質(zhì)量，而不是一次僅考慮一個(gè)幀。在降低計(jì)算量的同時(shí)，提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。Qiu等人（2019）注意到視頻是具有復(fù)雜時(shí)間變化的信息密集型媒體，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的卷積濾波器都是局部操作，忽略了視頻幀之間的相關(guān)性，提出了一種新的基于局部和全局?jǐn)U散的時(shí)空表示學(xué)習(xí)框架，并行學(xué)習(xí)局部和全局表示。每個(gè)塊建模這兩種表示方式，并且兩者之間交換信息來(lái)更新局部和全局特征，多個(gè)塊組成此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地保持了信息的局部性和整體性，獲得了強(qiáng)大的特征學(xué)習(xí)方式。這些行為識(shí)別技術(shù)的革新都是在其他研究的基礎(chǔ)上，保留優(yōu)點(diǎn)，減弱負(fù)面影響或者解決存在的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)行為識(shí)別技術(shù)的突破。

03 基于深度數(shù)據(jù)的行為識(shí)別方法

RGB數(shù)據(jù)受干擾性較大，促使了深度數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。深度圖中的紋理和顏色信息少，將圖像采集器到場(chǎng)景中各點(diǎn)的距離（深度）作為像素值，對(duì)光照的魯棒性強(qiáng)。深度傳感器的產(chǎn)生極大地?cái)U(kuò)展了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)感知3D視覺(jué)世界和獲取視覺(jué)信息的能力。深度數(shù)據(jù)的信息與RGB數(shù)據(jù)本質(zhì)上不同，它對(duì)場(chǎng)景的距離信息進(jìn)行編碼，而不是對(duì)顏色強(qiáng)度進(jìn)行編碼。因此，深度數(shù)據(jù)可以更簡(jiǎn)單精確地獲取關(guān)鍵區(qū)域。但深度信息也不是一直具有魯棒性，遮擋物和閃爍噪聲可能會(huì)對(duì)行為識(shí)別造成誤差。

3.1 基于運(yùn)動(dòng)變化和外觀信息的方法

基于深度數(shù)據(jù)的行為識(shí)別方法主要利用人體深度圖中的運(yùn)動(dòng)變化來(lái)描述動(dòng)作。動(dòng)作的特征由深度變化的外觀或運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行描述。Yang等人（2012）通過(guò)深度運(yùn)動(dòng)圖（DMM）來(lái)投影和壓縮時(shí)空深度結(jié)構(gòu)，再?gòu)恼妫瑐?cè)面和俯視圖形成3個(gè)運(yùn)動(dòng)歷史圖。然后，利用HOG特征表示這些運(yùn)動(dòng)歷史圖，并將生成的HOG特征串聯(lián)起來(lái)以描述動(dòng)作。除了計(jì)算運(yùn)動(dòng)變化來(lái)描述動(dòng)作的方法外，另一種流行的方法是通過(guò)外觀信息來(lái)描述動(dòng)作。Yang等人（2012）基于深度序列構(gòu)造一個(gè)超向量特征來(lái)表示動(dòng)作，通過(guò)連接來(lái)自深度視頻的局部相鄰超曲面法線來(lái)擴(kuò)展HON4D，聯(lián)合局部形狀和運(yùn)動(dòng)信息，引入了一種自適應(yīng)時(shí)空金字塔，將深度視頻細(xì)分為一組時(shí)空單元，以獲得更具鑒別力的特征。為了剔除噪聲影響，Xia和Aggarwal（2013）提出了一種新的深度長(zhǎng)方體相似性特征，用來(lái)描述具有自適應(yīng)支撐尺寸的3維深度長(zhǎng)方體，從而獲得更可靠的時(shí)空興趣點(diǎn)。Chen和Guo（2015）通過(guò)分析前、側(cè)和上方向的時(shí)空結(jié)構(gòu)，提取時(shí)空興趣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀和邊界直方圖特征，以及每個(gè)視圖中的密集樣本點(diǎn)和關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)描述動(dòng)作。深度模態(tài)較RGB模態(tài)多了深度這一信息，因此如何充分利用深度相關(guān)信息，如大小、變化等，是基于深度模態(tài)的行為識(shí)別的關(guān)鍵。這一思想不但適用于手工特征法，也適用于深度學(xué)習(xí)法。

3.2 基于深度學(xué)習(xí)的方法

深度模態(tài)下基于深度學(xué)習(xí)的方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是深度特征圖和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合；另一類(lèi)是提取深度信息的點(diǎn)集與點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。為了充分利用深度序列中的空間、時(shí)間和結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行不同時(shí)間尺度的動(dòng)作識(shí)別，Wang等人（2018a）提出了3種簡(jiǎn)單、緊湊而有效的深度序列表示方法，分別稱(chēng)為動(dòng)態(tài)深度圖像（DDI）、動(dòng)態(tài)深度法線圖像（DDNI）和動(dòng)態(tài)深度運(yùn)動(dòng)法線圖像（DDMNI），用于孤立和連續(xù)動(dòng)作識(shí)別。其中，DDI記錄了隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)姿勢(shì)，DDNI和DDMNI記錄了深度圖捕獲的3維結(jié)構(gòu)信息。然后將3種特征圖輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取不同的特征。Trelinski和Kwolek（2019）提出了一種基于深度圖序列的動(dòng)作識(shí)別算法。首先，在單個(gè)深度圖中提取描述人形的特征，然后，對(duì)每個(gè)類(lèi)單獨(dú)訓(xùn)練提取單個(gè)類(lèi)的特征，同時(shí)對(duì)每個(gè)深度圖中代表人形的像素計(jì)算手工的特征。最后，所有動(dòng)作共用的手工特征和特定動(dòng)作的特征連接在一起，形成動(dòng)作特征向量。深度圖和點(diǎn)云可以相互轉(zhuǎn)換，并且點(diǎn)云的表示簡(jiǎn)單，有非常統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，避免組合的不規(guī)則性和復(fù)雜性。因此，Wang等人（2020）提出了3維動(dòng)態(tài)像素（3DV）作為新穎的3維運(yùn)動(dòng)表示。通過(guò)時(shí)間順序池化將深度視頻中的3維運(yùn)動(dòng)信息壓縮成規(guī)則的3DV像素點(diǎn)集，每個(gè)可用的3DV像素本質(zhì)上涉及3維空間和運(yùn)動(dòng)功能，然后將3DV抽象為一個(gè)點(diǎn)集。由于3維點(diǎn)集的不規(guī)則，常規(guī)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不適合處理不規(guī)則的信息形狀，將點(diǎn)集輸入點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)（PointNet++），保持了點(diǎn)集的置換不變形。如圖 9所示，動(dòng)作流提取3D像素表示的人體動(dòng)作特征，外觀流提取人體的外觀特征，結(jié)合兩個(gè)特征的信息進(jìn)行行為識(shí)別。Wang等人（2015）將卷積網(wǎng)絡(luò)與深度圖結(jié)合起來(lái)，通過(guò)卷積網(wǎng)絡(luò)來(lái)學(xué)習(xí)深度圖像序列的動(dòng)作特征。利用分層深度運(yùn)動(dòng)映射（HDMMs）來(lái)提取人體的形狀和運(yùn)動(dòng)信息，然后在HDMMs上訓(xùn)練一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人體動(dòng)作識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，Liu和Xu（2021）設(shè)計(jì)一個(gè)端到端的幾何運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（GeometryMotion-Net），分別利用點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)提取運(yùn)動(dòng)特征和幾何特征，而3DV PointNet不能進(jìn)行端到端的訓(xùn)練。3DV PointNet并沒(méi)有充分考慮時(shí)間信息，而GeometryMotion-Net將每個(gè)點(diǎn)云序列表示為一個(gè)虛擬整體幾何點(diǎn)云和多個(gè)虛擬運(yùn)動(dòng)點(diǎn)云來(lái)明確時(shí)間信息。兩項(xiàng)改進(jìn)措施使得識(shí)別準(zhǔn)確率有了較大提升。

04 基于骨骼數(shù)據(jù)的行為識(shí)別方法

該方法通過(guò)骨骼關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)對(duì)3D人體關(guān)節(jié)位置進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)人體行為的動(dòng)作識(shí)別。由于人體骨骼的運(yùn)動(dòng)可以區(qū)分許多動(dòng)作，利用骨骼數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別是一個(gè)有前景的方向。骨骼數(shù)據(jù)包含的時(shí)空信息豐富，關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，使得骨架數(shù)據(jù)不但能在同一幀中發(fā)現(xiàn)豐富的人體結(jié)構(gòu)信息，幀與幀之間也存在著強(qiáng)相關(guān)性。同時(shí)考慮骨骼和幀序列、時(shí)域和空域之間的共現(xiàn)關(guān)系能準(zhǔn)確地描述動(dòng)作。

4.1 基于骨骼特征提取的方法

對(duì)現(xiàn)有的基于骨骼數(shù)據(jù)的特征提取方法進(jìn)行分析，根據(jù)其所對(duì)應(yīng)的識(shí)別位置可分為基于關(guān)節(jié)和基于身體部位的行為識(shí)別方法。Vemulapalli等人（2014）提出了一種新的骨骼表示法，利用3維空間中的旋轉(zhuǎn)和平移來(lái)模擬身體各個(gè)部位之間的3維幾何關(guān)系。人體骨骼作為李群中的一點(diǎn)，人的行為可以被建模為這個(gè)李群中的曲線，將李群中的動(dòng)作曲線映射到它的李代數(shù)上，形成一個(gè)向量空間。然后結(jié)合線性支持向量機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。Koniusz等人（2016）使用張量表示來(lái)捕捉3維人體關(guān)節(jié)之間的高階關(guān)系，用于動(dòng)作識(shí)別，該方法采用兩種不同的核，稱(chēng)為序列相容核和動(dòng)態(tài)相容核。前者捕捉關(guān)節(jié)的時(shí)空相容性，后者則模擬序列的動(dòng)作動(dòng)力學(xué)。然后在這些核的線性化特征映射上訓(xùn)練支持向量機(jī)進(jìn)行動(dòng)作分類(lèi)。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)的方法

Liu等人（2016）通過(guò)對(duì)骨架序列進(jìn)行樹(shù)結(jié)構(gòu)的遍歷，獲得了空間域的隱藏關(guān)系。其他方法進(jìn)行關(guān)節(jié)遍歷只是把骨架作為一條鏈，忽略了相鄰關(guān)節(jié)之間存在的依賴(lài)關(guān)系，而此遍歷方法不會(huì)增加虛假連接。同時(shí)使用帶信任門(mén)的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）對(duì)輸入進(jìn)行判別，通過(guò)潛在的空間信息來(lái)更新存儲(chǔ)單元。Caetano等人（2019）提出了一種基于運(yùn)動(dòng)信息的新表示，稱(chēng)為SkeleMotion。它通過(guò)計(jì)算骨骼關(guān)節(jié)的大小和方向值來(lái)編碼形成每行的動(dòng)作信息和每列的描述時(shí)間信息，形成調(diào)整后的骨骼圖像。然而，人類(lèi)3維骨骼數(shù)據(jù)是一個(gè)拓?fù)鋱D，而不是基于RNN或CNN的方法處理的序列向量或偽圖像，而圖卷積網(wǎng)絡(luò)（GCN）具有天生處理圖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使得它在基于骨骼的行為識(shí)別技術(shù)取得了重大突破?；趫D卷積的行為識(shí)別技術(shù)關(guān)鍵在于骨骼的表示，即如何將原始數(shù)據(jù)組織成拓?fù)鋱D。Yan等人（2018）首先提出了一種新的基于骨架的動(dòng)作識(shí)別模型，即時(shí)空?qǐng)D卷積網(wǎng)絡(luò)（ST-GCN），該網(wǎng)絡(luò)首先將人的關(guān)節(jié)作為時(shí)空?qǐng)D的頂點(diǎn)，將人體物理關(guān)節(jié)連接和時(shí)間作為圖的邊；然后使用ST-GCN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳遞匯集，獲取高級(jí)的特征圖，并用Softmax分類(lèi)器劃分為對(duì)應(yīng)的類(lèi)別。在此基礎(chǔ)上，Li等人（2019）提出的AS-GCN不僅可以識(shí)別人的動(dòng)作，而且可以利用多任務(wù)學(xué)習(xí)策略輸出對(duì)物體下一個(gè)可能姿勢(shì)的預(yù)測(cè)。

構(gòu)造的拓?fù)鋱D通過(guò)動(dòng)作連接和結(jié)構(gòu)連接的兩個(gè)模塊來(lái)捕捉關(guān)節(jié)之間更豐富的相關(guān)性。Shi等人（2020）提出了一種新的多流注意增強(qiáng)自適應(yīng)圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行基于骨架的動(dòng)作識(shí)別。模型中的圖拓?fù)淇梢曰谳斎霐?shù)據(jù)以端到端的方式統(tǒng)一或單獨(dú)地學(xué)習(xí)。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法增加了圖形構(gòu)造模型的靈活性，使其更具有通用性，以適應(yīng)各種數(shù)據(jù)樣本。同時(shí)關(guān)節(jié)差值和幀間差值的數(shù)據(jù)構(gòu)造多流網(wǎng)絡(luò)，在決策階段融合，實(shí)現(xiàn)識(shí)別率的進(jìn)一步提升。Obinata和Yamamoto （2021）從另一角度注意到幀間的拓?fù)鋱D，不僅僅在幀間同一關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)之間進(jìn)行連接，在幀間多個(gè)相鄰頂點(diǎn)之間添加連接，并提取額外的特征，實(shí)現(xiàn)識(shí)別率的提高。改進(jìn)拓?fù)鋱D后的識(shí)別效果理想，使得后續(xù)的許多研究都著重于這一點(diǎn)，如設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可訓(xùn)練拓?fù)鋱D（Ye等，2020）、各通道獨(dú)享的拓?fù)鋱D（Cheng等，2020a）以及結(jié)合全局和局部的拓?fù)鋱D（Chen等，2021a）。如圖 10所示，空間圖卷積過(guò)程是離重心（3號(hào)下方的最小點(diǎn)）近的3號(hào)近心點(diǎn)和離重心遠(yuǎn)的6號(hào)和7號(hào)遠(yuǎn)心點(diǎn)通過(guò)骨骼連接向5號(hào)根節(jié)點(diǎn)傳遞信息，如此反復(fù)，獲得提取空間特征；時(shí)間卷積是將同一關(guān)節(jié)在時(shí)間維度上進(jìn)行信息匯集，即同一關(guān)節(jié)的部分幀序列進(jìn)行信息匯集，得到時(shí)間特征。骨架序列的時(shí)空?qǐng)D表示是圖卷積網(wǎng)絡(luò)（GCN）的擴(kuò)展，專(zhuān)門(mén)用于執(zhí)行人類(lèi)行為識(shí)別。首先，通過(guò)在人體骨架的相鄰身體關(guān)節(jié)之間以及沿時(shí)間方向插入邊來(lái)構(gòu)造時(shí)空?qǐng)D。然后，應(yīng)用GCN和分類(lèi)器來(lái)推斷圖中的依賴(lài)關(guān)系并進(jìn)行分類(lèi)。

圖卷積作為基于骨骼數(shù)據(jù)的行為識(shí)別的熱點(diǎn)研究之一，其數(shù)據(jù)形式——拓?fù)鋱D十分契合人體骨骼圖，特征和信息的獲取與傳遞在物理結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義層面都符合圖結(jié)構(gòu)，因此取得了較為理想的效果。但圖結(jié)構(gòu)也成為行為識(shí)別的限制，如坐標(biāo)的分布會(huì)影響圖卷積的魯棒性，缺失一些重要的關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)降低識(shí)別的效果。另外，圖卷積將每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)視為圖中的一個(gè)點(diǎn)，其復(fù)雜性和人數(shù)成正比，而現(xiàn)實(shí)中的許多動(dòng)作涉及多人以及相關(guān)物體。成倍增加的計(jì)算消耗量使得圖卷積難以在多人動(dòng)作的任務(wù)上實(shí)現(xiàn)較好的應(yīng)用。

05 基于數(shù)據(jù)融合的行為識(shí)別方法

RGB數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)和骨骼數(shù)據(jù)具有各自的優(yōu)點(diǎn)。RGB數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是外觀信息豐富，深度數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是不易受光照影響，骨骼數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)關(guān)節(jié)能更準(zhǔn)確地描述動(dòng)作。所以，選擇哪種模態(tài)進(jìn)行行為識(shí)別也是研究人員權(quán)衡的方面之一。根據(jù)匯集的文獻(xiàn)資料，本文總結(jié)了各類(lèi)模態(tài)的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，如表 2所示。

由于單模態(tài)始終存在一些問(wèn)題，研究者嘗試使用多種方式進(jìn)行特征融合，克服這些問(wèn)題。

融合方式有3種：特征層融合、決策層融合和混合融合。不同的方式融合結(jié)果具有各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)缺點(diǎn)，得到對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作有更好的描述。

5.1 基于RGB模態(tài)與深度模態(tài)的融合方法

根據(jù)模態(tài)產(chǎn)生的時(shí)間順序，RGB模態(tài)與深度模態(tài)的融合是最先提出也是最為普遍的組合方式。Jalal等人（2017）從連續(xù)的深度圖序列中分割人體深度輪廓，并提取4個(gè)骨骼關(guān)節(jié)特征和一個(gè)體形特征形成時(shí)空多融合特征，利用多融合特征的編碼向量進(jìn)行模型訓(xùn)練。Yu等人（2020）使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別訓(xùn)練多模態(tài)數(shù)據(jù)，并在適當(dāng)位置進(jìn)行RGB和深度特征的實(shí)時(shí)融合，通過(guò)局部混合的合成獲得更具代表性的特征序列，提高了相似行為的識(shí)別性能。同時(shí)引入了一種改進(jìn)的注意機(jī)制，實(shí)時(shí)分配不同的權(quán)值來(lái)分別關(guān)注每一幀。Ren等人（2021）設(shè)計(jì)了一個(gè)分段協(xié)作的卷積網(wǎng)絡(luò)SC-ConvNets）來(lái)學(xué)習(xí)RGB-D模式的互補(bǔ)特征，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)框架如圖 11所示。首先將整個(gè)RGB和深度數(shù)據(jù)序列壓縮成動(dòng)態(tài)圖像分別輸入雙流卷積網(wǎng)絡(luò)中，再計(jì)算距離的平方值獲得融合的特征。與先前基于卷積網(wǎng)絡(luò)的多通道特征學(xué)習(xí)方法不同，這個(gè)分段協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)能夠聯(lián)合學(xué)習(xí)，通過(guò)優(yōu)化單個(gè)損失函數(shù)，縮小了RGB和深度模態(tài)之間的差異， 進(jìn)而提高了識(shí)別性能。

深度模態(tài)沒(méi)有RGB模態(tài)的紋理和顏色信息，RGB模態(tài)比深度模態(tài)在空間上少一個(gè)深度信息的維度，因此兩者的數(shù)據(jù)模態(tài)可以很好地互補(bǔ)對(duì)方缺失的特征信息。大量研究結(jié)果表明了此種融合方法的合理性和優(yōu)越性。因此提取另一個(gè)模態(tài)缺少的信息，避免相同信息的冗余，是模態(tài)融合的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5.2 其他模態(tài)的融合方法

其他模態(tài)的關(guān)系，如骨骼模態(tài)與深度模態(tài)互補(bǔ)關(guān)系，稍弱于RGB和深度模態(tài)的互補(bǔ)關(guān)系。但不同模態(tài)仍有互補(bǔ)信息的存在，所以不同模態(tài)融合也是研究人員的研究方向之一。Elmadany等人（2018）使用規(guī)范相關(guān)分析（CCA）來(lái)最大化從不同傳感器提取的特征的相關(guān)性。此論文研究的特征包括從骨架數(shù)據(jù)中提取的角度數(shù)據(jù)、從深度視頻中提取的深度運(yùn)動(dòng)圖和從RGB視頻提取的光流數(shù)據(jù)，通過(guò)學(xué)習(xí)這些特征共享的子空間，再使用平均池化來(lái)獲取最終的特征描述符。Rahmani等人（2014）提出一種稱(chēng)為深度梯度直方圖的描述子，結(jié)合深度圖像和3維關(guān)節(jié)位置提取的4種局部特征來(lái)處理局部遮擋，分別計(jì)算深度、深度導(dǎo)數(shù)和關(guān)節(jié)位置差的直方圖，將每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量的變化并入全局特征向量中，形成時(shí)空特征，并使用兩個(gè)隨機(jī)決策森林，一個(gè)用于特征修剪，另一個(gè)用于分類(lèi)，提高識(shí)別的精度。特征可以在初級(jí)階段融合，也可以在高級(jí)階段形成語(yǔ)義信息的時(shí)期融合。前者相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充增廣，后者形成新的語(yǔ)義信息。融合也可以發(fā)生在決策階段，聯(lián)合不同模態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果后得到一個(gè)綜合的預(yù)測(cè)結(jié)果。一般而言，越早期的模態(tài)融合需要的計(jì)算量越小，越后期的模態(tài)融合復(fù)雜度越大。研究者常常使用混合折中的方法，保持兩者優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也克服了一些缺點(diǎn)。融合的具體方式及其優(yōu)缺點(diǎn)如表 3所示。對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不同模態(tài)的融合可以在特征提取階段，可以將多流網(wǎng)絡(luò)的輸出匯集到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)特征融合。融合的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)模態(tài)的選擇和融合的時(shí)間。研究者需要思考一種模態(tài)融入另一種模態(tài)后的特征是否克服了原有模態(tài)的缺點(diǎn)，否則融合操作只會(huì)增加計(jì)算量。

06 行為識(shí)別方法對(duì)比

對(duì)不同數(shù)據(jù)模態(tài)下的行為識(shí)別方法進(jìn)行比較，通過(guò)表格和柱狀圖等方式的對(duì)比，以期得出一些行為識(shí)別技術(shù)的結(jié)論。Top-1代表概率最大的結(jié)果是正確答案的準(zhǔn)確率，Top-5代表概率排名前5的結(jié)果是正確答案的準(zhǔn)確率。交叉主題（cross subject）和交叉視角（cross view）是NTU RGB+D 60數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練集和測(cè)試集的劃分。交叉主題將40個(gè)志愿者劃分為訓(xùn)練和測(cè)試兩個(gè)隊(duì)伍。每個(gè)隊(duì)伍包含20個(gè)志愿者，其中1，2，4，5，8，9，13，14，15，16，17，18，19，25，27，28，31，34，35，38為訓(xùn)練集，其余為測(cè)試集。交叉視角將3個(gè)視角的相機(jī)中，相機(jī)2號(hào)和3號(hào)作為訓(xùn)練集，相機(jī)1號(hào)為測(cè)試集。NTU RGB+D 120中的訓(xùn)練集和測(cè)試集劃分方式包括交叉主題（cross subject）和交叉設(shè)置（cross setup）兩種。交叉主題表示訓(xùn)練集包含53個(gè)主題，測(cè)試集包含另外53個(gè)主題。交叉設(shè)置表示訓(xùn)練集樣本來(lái)自偶數(shù)編號(hào)，測(cè)試集樣本來(lái)自奇數(shù)編號(hào)。6.1 RGB模態(tài)的方法對(duì)比

RGB模態(tài)數(shù)據(jù)集選取了經(jīng)典的UCF101數(shù)據(jù)集和HMDB-51數(shù)據(jù)集，以及新穎的Something-Something數(shù)據(jù)集，對(duì)比了經(jīng)典方法和新發(fā)表的效果最佳的方法，如表4和表5所示。

對(duì)于HMDB-51數(shù)據(jù)集，手工特征方法的準(zhǔn)確率最高僅有61.7%，而深度學(xué)習(xí)方法的最低準(zhǔn)確率是55.2%?；谏疃葘W(xué)習(xí)的方法將該數(shù)據(jù)集的最高準(zhǔn)確率提高到85.1%。對(duì)于UCF101數(shù)據(jù)集，手工特征方法的最高準(zhǔn)確率88.3%，基于深度學(xué)習(xí)的方法將準(zhǔn)確率提高到98.7%，已經(jīng)基本符合應(yīng)用的要求。在Something-Something數(shù)據(jù)集上，手工特征法鮮有研究，大都是基于深度學(xué)習(xí)方法的開(kāi)展。原因是該數(shù)據(jù)集規(guī)模較大，手工制作的特征已經(jīng)無(wú)法準(zhǔn)確地描述動(dòng)作。而且動(dòng)作類(lèi)別多，使得Top-1的最高識(shí)別率僅有69%，是RGB模態(tài)的行為識(shí)別方向下一個(gè)需要攻克的數(shù)據(jù)集。根據(jù)大量文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，本文總結(jié)了兩類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表 6所示。

本文將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖，從圖12中能明顯觀察出，基于手工特征的方法（灰色表示的柱狀）基本低于深度學(xué)習(xí)方法的識(shí)別率（灰色以外的其他顏色），說(shuō)明深度學(xué)習(xí)的方法一般具有更好的識(shí)別性能。類(lèi)似的情況也發(fā)生在其他模態(tài)中。

6.2 深度模態(tài)的方法對(duì)比深度模態(tài)數(shù)據(jù)集選取了經(jīng)典的MSR-Action3D數(shù)據(jù)集與當(dāng)前主流的NTU RGB+D深度數(shù)據(jù)集，和RGB模態(tài)的實(shí)驗(yàn)思路相同，比較了經(jīng)典算法和最新卓越方法，結(jié)果如表 7和表 8所示。

當(dāng)前的多數(shù)方法已經(jīng)在MSR-Action3D深度數(shù)據(jù)集上達(dá)到了90%的準(zhǔn)確率，說(shuō)明該數(shù)據(jù)集的大部分價(jià)值已被挖掘，但MSR-Action3D仍然是評(píng)價(jià)一個(gè)算法好壞的經(jīng)典數(shù)據(jù)集之一。近期主流的數(shù)據(jù)集是NTU RGB+D數(shù)據(jù)集中的深度模態(tài)部分，深度數(shù)據(jù)模態(tài)的人體行為數(shù)據(jù)集相較其他兩個(gè)模態(tài)發(fā)布較少，在這方面還有很大的進(jìn)步空間。在NTU RGB+D數(shù)據(jù)集的深度模態(tài)部分，手工特征的方法在這個(gè)大型數(shù)據(jù)集上效果較差。原因與RGB模態(tài)的情況相似，該數(shù)據(jù)集規(guī)模大、樣本多、類(lèi)別多，手工制作的特征能表示部分動(dòng)作信息，但難以覆蓋整個(gè)數(shù)據(jù)集的動(dòng)作范圍。兩個(gè)新發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)的變體：點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)（PointNet++）和Transformer網(wǎng)絡(luò)，在NTU RGB+D深度模態(tài)部分的識(shí)別率達(dá)到了近90%和90.2%的高度。研究者可以從不同的角度改進(jìn)這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)達(dá)到新的性能高度。這也給了研究者另一種想法，通過(guò)移植或者改進(jìn)領(lǐng)域外的新穎網(wǎng)絡(luò)，適配到行為識(shí)別方向中，或許能取得意想不到的效果。

6.3 骨骼模態(tài)的方法對(duì)比

骨骼模態(tài)是近年越發(fā)流行的模態(tài)，本文選取了主流的NTU RGB+D skeleton骨骼數(shù)據(jù)集，對(duì)比了許多算法的差異。在NTU RGB+D 60和120數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)設(shè)置下，手工特征和深度學(xué)習(xí)的方法對(duì)比如表 9和表 10所示。深度學(xué)習(xí)的方法全面超越了手工特征方法。從中可發(fā)現(xiàn)，基于深度學(xué)習(xí)的方法幾乎占據(jù)了全部范圍。其中，早期研究者多使用標(biāo)準(zhǔn)卷積網(wǎng)絡(luò)將骨骼數(shù)據(jù)編碼成像素排列的偽圖像，借鑒圖像分類(lèi)和視頻分類(lèi)的思想提取特征。這種方式取得的效果并不理想，因?yàn)樗盍蚜斯趋纼?nèi)在的連接性。之后，提出了卷積網(wǎng)絡(luò)的變體——圖卷積。由于圖的結(jié)構(gòu)十分符合人體骨骼連接，取得了理想的效果，也促進(jìn)了圖卷積在行為識(shí)別領(lǐng)域中快速發(fā)展。本文發(fā)現(xiàn)，初期研究者往往僅考慮識(shí)別率的高低，忽略了算法和模型的復(fù)雜度。

統(tǒng)計(jì)在骨骼模態(tài)上相關(guān)模型的訓(xùn)練參數(shù)量后如表 11所示。以ST-GCN為基礎(chǔ)，科研人員通過(guò)加深模型層次和改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出AS-GCN、2S-GCN等優(yōu)秀模型。雖然提高了識(shí)別性能，但是模型越來(lái)越龐大，識(shí)別率也達(dá)到了瓶頸。意識(shí)到這一問(wèn)題后，研究人員開(kāi)始設(shè)計(jì)更輕量的網(wǎng)絡(luò)，如MS-G3D、Dynamic GCN、CTR-GCN等。在達(dá)到相同識(shí)別效果的同時(shí)，設(shè)計(jì)了復(fù)雜度更小、訓(xùn)練速度更快的網(wǎng)絡(luò)。從模型優(yōu)化的角度進(jìn)一步發(fā)展了行為識(shí)別技術(shù)。

圖卷積的應(yīng)用將NTU RGB+D 60骨骼數(shù)據(jù)庫(kù)的交叉識(shí)別率從50%快速提升至88%。經(jīng)過(guò)科研人員的不斷努力研究，目前交叉主題和交叉視角的最高識(shí)別率已經(jīng)達(dá)到94.1%和97.1%。在NTU RGB+D 60數(shù)據(jù)集上已經(jīng)基本完成行為識(shí)別的任務(wù)。在NTU RGB+D 120數(shù)據(jù)集，動(dòng)作類(lèi)別數(shù)更多，更加有挑戰(zhàn)性和難度。目前的最高識(shí)別率只有90%左右。所以，NTU RGB+D 120數(shù)據(jù)集是目前最全面和權(quán)威評(píng)價(jià)一個(gè)算法和模型好壞的數(shù)據(jù)集。希望相關(guān)人員能首先考慮以該數(shù)據(jù)集作為基準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)行為識(shí)別的進(jìn)一步發(fā)展。本文發(fā)現(xiàn)，越高的識(shí)別率增長(zhǎng)的幅度越小。這也從側(cè)面反映了圖卷積在行為識(shí)別領(lǐng)域達(dá)到了一定的瓶頸期。從本文數(shù)據(jù)模態(tài)的角度出發(fā)，有以下兩點(diǎn)建議：1）融合其他模態(tài)的數(shù)據(jù)，補(bǔ)充骨骼數(shù)據(jù)的信息，進(jìn)而獲得更好的結(jié)果。2）使用一種新的方式代替拓?fù)鋱D表示骨骼的信息，便于提取更多的動(dòng)作特征。

6.4 多模態(tài)融合的方法對(duì)比

NTU RGB+D包括了RGB、深度和骨骼模態(tài)，選擇該數(shù)據(jù)集作為基準(zhǔn)對(duì)比不同的算法，結(jié)果如表 12所示。

選取其中的兩個(gè)方法Pose-drive Attention和Deep Bilinear作為代表，比較其在不同模態(tài)下的識(shí)別率。從表 13中可以清楚地觀察到，對(duì)于Pose-drive Attention模型，RGB和骨骼模態(tài)融合的識(shí)別率明顯高于RGB或者骨骼單個(gè)模態(tài)的識(shí)別率。對(duì)于Deep Bilinear模型，3個(gè)模態(tài)融合后的識(shí)別率高于兩個(gè)模態(tài)融合的識(shí)別率。因此，融合多個(gè)模態(tài)的方法十分有利于行為識(shí)別的效果提升。

最常用的組合是RGB模態(tài)和深度模態(tài)，原因是由于深度模態(tài)比RGB模態(tài)多了深度信息，而RGB模態(tài)比深度模態(tài)多了顏色紋理信息，兩者能較好地互補(bǔ)信息，從而提取到描述更好的特征，達(dá)到提高識(shí)別率的效果。其次是骨骼和其他模態(tài)的組合，由于骨骼數(shù)據(jù)在早期較難與其他模態(tài)融合，研究者一般都選擇在高維特征階段進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)信息的互補(bǔ)。最后，本文從各類(lèi)模態(tài)內(nèi)部比較和各類(lèi)模態(tài)之間比較發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律和特點(diǎn)。骨骼模態(tài)數(shù)據(jù)和RGB模態(tài)數(shù)據(jù)是人體行為識(shí)別中使用較多的模態(tài)。在各類(lèi)模態(tài)下，深度學(xué)習(xí)的方法一般都優(yōu)于手工特征的方法，這是因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)提取的特征基于數(shù)據(jù)集本身的數(shù)據(jù)信息，相較于手工特征，深度學(xué)習(xí)獲得的特征更加準(zhǔn)確地描述了動(dòng)作。通過(guò)融合不同數(shù)據(jù)模態(tài)的特征或者決策層融合，實(shí)現(xiàn)信息互補(bǔ)，達(dá)到更優(yōu)異的效果。

07 結(jié)語(yǔ)

目前，行為識(shí)別在一些數(shù)據(jù)集上的識(shí)別率已經(jīng)很高，在日常生活中也有一些應(yīng)用。但是行為識(shí)別仍然存在許多挑戰(zhàn)。1）數(shù)據(jù)集的規(guī)模越來(lái)越大，環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，愈發(fā)符合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。物體遮擋、視頻的像素值和幀數(shù)、交互運(yùn)動(dòng)以及圖像的多尺寸等因素，都會(huì)極大地影響識(shí)別過(guò)程。2）盡管目前有許多模態(tài)的數(shù)據(jù)，但并非所有模態(tài)的數(shù)據(jù)都易采集。RGB模態(tài)是能夠利用一般相機(jī)直接獲得，深度模態(tài)需要深度傳感器（如Kinect相機(jī)）獲得，而骨骼模態(tài)是從前兩者模態(tài)中抽象得到的一種描述人體行為的模態(tài)數(shù)據(jù)。3）特殊動(dòng)作的識(shí)別包括相似動(dòng)作的識(shí)別、多人動(dòng)作的識(shí)別以及高速動(dòng)作的識(shí)別。對(duì)于這些挑戰(zhàn)，研究者還需不斷探索，尋找解決問(wèn)題的方案。本文總結(jié)了一些行為識(shí)別領(lǐng)域在未來(lái)可行的研究方向：1）多模態(tài)融合是一個(gè)具有前景的研究方向。無(wú)論是在特征層的特征融合，或者在預(yù)測(cè)階段的決策融合，都已經(jīng)被證明是一個(gè)可行的方案。除了上述所提的主流模態(tài)外，一些模態(tài)（如紅外線、聲音）等信息也能夠融合其中，實(shí)現(xiàn)信息補(bǔ)充，提高識(shí)別性能。2）深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流，符合數(shù)據(jù)集規(guī)模增加的趨勢(shì)。手工制作的特征并非完全舍棄。研究人員依然可以借鑒制作特征的思想，從視頻中提取去除無(wú)關(guān)信息的手工特征后再輸入深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)中，減少了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，也提高了識(shí)別效果。3）設(shè)計(jì)和移植新型網(wǎng)絡(luò)，增加注意力模塊。自從2D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在行為識(shí)別領(lǐng)域，識(shí)別效果大幅提升。然后，3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖卷積網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使識(shí)別效果又提升了一個(gè)層次。所以，設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)或者移植其他領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)是有參考價(jià)值的。同時(shí)，注意力模塊在網(wǎng)絡(luò)中愈發(fā)廣泛應(yīng)用。注意力模塊能夠較好地去除時(shí)間和空間特征中的無(wú)關(guān)信息，將重點(diǎn)放在顯著區(qū)域，進(jìn)而提升識(shí)別準(zhǔn)確率。本文從多模態(tài)的角度對(duì)行為識(shí)別的研究進(jìn)行了綜述，整理了主流的數(shù)據(jù)集，全面分析了各類(lèi)模態(tài)的行為識(shí)別方法，重點(diǎn)分析了特征的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，最后對(duì)比不同算法或網(wǎng)絡(luò)的效果，總結(jié)出一些存在的問(wèn)題和未來(lái)可行的方向。本文的分類(lèi)結(jié)構(gòu)希望能給初學(xué)者提供一個(gè)完整的行為識(shí)別領(lǐng)域的知識(shí)，使相關(guān)研究人員能從中獲得一些創(chuàng)新的思路和啟發(fā)。

編輯：黃飛