近期，上海交通大學(xué)盧策吾團(tuán)隊(duì)在《自然 - 機(jī)器智能》子刊上發(fā)表了關(guān)于高維度視覺(jué)序列理解的研究成果《Complex sequential understanding through the awareness of spatial and temporal concepts》。

與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)將論文代碼與近兩年在視頻理解領(lǐng)域的先進(jìn)成果開(kāi)源為視頻理解工具箱 AlphaVideo。

AlphaVideo 在物體跟蹤任務(wù)（MOT）和行為理解（AVA 單模型）上都達(dá)到最高準(zhǔn)確率，相比 SlowFast （AVA 單模型）有 12.6% 的性能提升。

動(dòng)作理解任務(wù)的時(shí)空信息特征圖。左：輸入序列；右：空間特征更關(guān)注物體形狀，時(shí)間特征更關(guān)注物體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

AlphaVideo 中的行為理解（Alphaction）

時(shí)空概念提取展示

人類視覺(jué)理解機(jī)理

在人類的視覺(jué)認(rèn)知過(guò)程中，時(shí)間和空間概念是解耦的。神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)在人類的記憶形成過(guò)程中，時(shí)間信息與空間上下文信息通過(guò)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的信息通路到達(dá)海馬體，進(jìn)而形成完整的記憶。

新技能：自主學(xué)習(xí)時(shí)空概念

通過(guò)模仿人類的認(rèn)知機(jī)制，盧策吾團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)用于高維度信息的半耦合結(jié)構(gòu)模型（SCS）。

SCS 自主發(fā)掘（awareness）時(shí)間 - 空間概念，并讓他們耦合協(xié)作以理解序列信息。這種能力代表著機(jī)器學(xué)習(xí)模型自主掌握了時(shí)空的概念，這是一種更高層的智能。更進(jìn)一步，時(shí)空信息概念的分離也讓「概念編輯」成為可能。

半耦合結(jié)構(gòu)模型（SCS）

半耦合結(jié)構(gòu)首先解耦時(shí)空信息（模仿人腦中的兩條信息通路），并在分別處理時(shí)間和空間信息之后將二者耦合（模仿海馬體）：

該研究通過(guò)堆疊這種半耦合的元結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建深度模型，其中時(shí)空信息始終以先解耦再融合的模式向后流動(dòng)。

為了讓 h_s 和 h_t 各司其職，研究者將 h_s 和 h_t 設(shè)計(jì)為不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，使用兩個(gè)特殊的監(jiān)督目標(biāo) r_s、r_t 來(lái)進(jìn)一步約束二者關(guān)注各自的工作。

該研究進(jìn)一步提出了一種訓(xùn)練注意力機(jī)制。這種注意力機(jī)制控制模型在優(yōu)化過(guò)程中學(xué)習(xí)哪種信息。例如在視頻信息中，模型可以優(yōu)先將注意力集中在空間信息上，待空間信息有效且穩(wěn)定時(shí)，再逐步將模型訓(xùn)練的注意力轉(zhuǎn)換到時(shí)間信息上。

SCS 的表現(xiàn)如何？

該研究展示了 SCS 在多項(xiàng)任務(wù)中與傳統(tǒng) LSTM 的性能對(duì)比結(jié)果：

SCS 在視頻動(dòng)作分類、自動(dòng)駕駛、天氣預(yù)報(bào)等 4 個(gè)任務(wù)上的性能均超越傳統(tǒng)的序列模型。

概念編輯

有了時(shí)空分離的能力，SCS 就可以初步做到「概念編輯」。比如，通過(guò)編輯空間概念且保留時(shí)間概念，我們可以讓一個(gè)原本用于預(yù)測(cè)狗運(yùn)動(dòng)軌跡的模型來(lái)預(yù)測(cè)貓的軌跡。這樣就能以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)模型的泛化，同時(shí)也拓寬了模型的使用場(chǎng)景，降低了部署難度。

概念編輯 demo

研究者讓計(jì)算機(jī)看 Flappy Bird 的視頻，然后看一張靜態(tài)的 Mario 圖片（外觀形象）。在這個(gè)過(guò)程中，模型并沒(méi)有接觸到任何 Mario 在管道中穿梭的運(yùn)動(dòng)信息。但通過(guò)「概念編輯」，在測(cè)試時(shí) SCS 可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè) Mario 的運(yùn)動(dòng)軌跡。

視頻理解工具箱 AlphaVideo

在視頻理解工具箱 AlphaVideo 中，除了上述 SCS 時(shí)空概念分解，研究者還提供了單階段端對(duì)端訓(xùn)練的多目標(biāo)跟蹤模型 TubeTK 和視頻動(dòng)作檢測(cè)模型 AlphAction。使用一行代碼，即可調(diào)用預(yù)訓(xùn)好的各類模型。

AlphAction

AlphAction 是面向行為理解的開(kāi)源系統(tǒng)，基于 MVIG 提出的交互理解與異步訓(xùn)練策略 在 AVA 數(shù)據(jù)集上達(dá)到最優(yōu)準(zhǔn)確率，速度達(dá)到 10 幀每秒。其中包含的 15 個(gè)開(kāi)源常見(jiàn)行為基本模型的 mAP 達(dá)到約 70%，接近可以商用的水平。

TubeTK

TubeTK 是上海交大 MVIG 組提出的基于 Bounding-Tube 的單階段訓(xùn)練模型（CVPR2020-oral），是首個(gè)單階段端對(duì)端訓(xùn)練的多目標(biāo)跟蹤模型。它在 MOT-16 數(shù)據(jù)集上達(dá)到了 66.9 MOTA 的精度，是目前 online 模型僅在 MOT 訓(xùn)練數(shù)據(jù)下達(dá)到的最高精度 。

TubeTK 可視化結(jié)果

Bounding-Tube 示意圖。使用 bounding-tube 可以輕松跟蹤到 bounding-box 無(wú)法檢測(cè)到的被遮擋目標(biāo)（圖中黃色框）。
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