CVPR 2019 | 旷视研究院提出TACNet，刷新时空动作检测技术新高度

全球计算机视觉三大顶级会议之一 CVPR 2019 将于当地时间 6 月 16-20 日在美国洛杉矶举办。届时，旷视研究院将带领团队远赴盛会，助力计算机视觉技术的交流与落地。在此之前，旷视每周会介绍一篇被 CVPR 2019 接收的论文， 本文是第 11 篇，旷视研究院（R4D组）出一个过渡感知的上下文网络——TACNet，可以显著提升时空动作检测的性能。

论文名称： TACNet: Transition-Aware Context Network for Spatio-Temporal Action Detection

论文链接： https://arxiv.org/abs/1905.13417

• 导语

• 简介

• 模型

• 框架

• 时序上下文检测器

• 过渡感知分类器

• 实验

• 与当前最佳的对比

• 结论

• 参考文献

• 往期解读

导语

在时空动作检测（spatio-temporal action detection）领域，当前最佳方法效果优秀，但是在一些方面，比如时序事件检测，依然无法令人满意。原因在于，一些模糊不清的、和真实动作很相似的动作被当作目标动作来处理，即使训练良好的网络也概莫能外。

旷视研究员把这些模糊不清的样本称之为“过渡性状态”，并提出一个过渡感知的上下文网络——TACNet，来辨识这些过渡状态。TACNet 包含两个关键组件：时序上下文检测器和过渡感知分类器。前者通过构建一个循环检测器，可以从连续的时间复杂度中提取长期的上下文信息；后者则通过同时分类动作和过渡性状态以进一步区分过渡性状态。

因此，TACNet 可以显著提升时空动作检测的性能。大量实验也在 UCF101-24 和 J-HMDB 数据集上证明 TACNet 有效，它不仅在剪辑的 J-HMDB 数据集上取得有竞争力的结果，还在未剪辑的 UCF101-24 数据集上 frame-mAP 和 video-mAP 两个指标方面大幅超越当前最佳方法。

简介

动作检测任务旨在同时分类视频中当前的动作并对其进行时空定位，近期由于其广泛的应用场景，受到了越来越多研究者的重视，并成长为异常检测、人机交互、城市管理等领域的关键技术。

当前，绝大多数动作检测方法把时空检测分为两个阶段，即空间检测和时序检测。这些方法首先借助深度检测器从帧中做空间动作检测；接着，通过连接帧层面的检测以及运用一些目标函数，执行时序检测以创造时空行为块。

这些方法把视频帧看作是一个个独立图像，从而无法利用视频的时间连续性，因此其检测结果实际上无法令人满意。

为此，一种称之为 ACT 的方法则通过堆栈策略捡起短期的时间连续性，显著提升时空动作检测的性能。但是，ACT 依然无法提取对于动作检测而言异常关键的长期的时序上下文信息。进而，由于动作检测的两个阶段相互分离，ACT 无法彻底纠正由含糊的样本所造成的时间误差，如图 1 红框所示。

▲   图1：过渡性状态图示

本文把含糊的样本定义为“过渡性状态”，它与动作持续时间很接近，但并不属于动作的范畴。根据 ACT 检测器的误差分析，35%-40% 的误差是时间误差，它主要由过渡性状态造成。因此，如果要进一步提升时空动作检测的性能，提取长期的语境信息并区分过渡性状态就变得十分关键。

上述发现开启了本文工作。具体而言，旷视研究员提出一个过渡感知上下文网络——TACNet，它包含两个核心组件，即时序语境检测器和过渡感知分类器，前者的设计是基于标准的 SSD 框架，但是通过嵌入若干个多尺度的双向 Conv-LSTM 单元可以编码长期的语境信息（据知，把 Conv-LSTM 和 SSD 相结合，以打造一个用于动作检测的训练检测器，这是第一次）；后者则通过同时分类动作和动作状态，以区分过渡性状态。

更为重要的是，旷视研究院进一步提出一个共模和差模网络加速 TACNet 的收敛，从而使 TACNet 不仅可以提取长期的时序上下文信息，还能区分过渡性状态。在UCF101-24 和 J-HMDB 两个数据集上，TACNet在帧和视频两项指标上均取得了引人注目的提升。

TACNet 框架

▲   图2：TACNet整体架构

如图 2 所示，TACNet 包含两个模块，双流的时序上下文检测和过渡感知的分类和回归。在时序语境检测器方面，旷视研究员使用双流 SSD 做动作检测，正如 ACT 检测器那样。尽管如此，为提取长期的时序语境信息，旷视研究员还嵌入若干个双向 Conv-LSTM 单元到不同的特征图（不同尺寸）。

在过渡感知分类器方面，为区分过渡性状态，旷视研究员设计两个分类器以同时分类动作和动作状态，并进一步提出一个共模和差模的网络方案，加速 TACNet 整体的收敛。

通过与回归相结合，过渡感知分类器可从空间上检测动作，同时从时间上预测时序边界。需要注意的是，本文基于的则是标准的 SSD，但实际可在不同的检测器基础上进行设计。

时序上下文检测器

长期的时序上下文信息对时空动作检测来说至关重要。然而，标准 SSD 是从不同大小的多个特征图中执行动作检测的，它并不考虑时序语境信息。为提取时序语境，旷视研究员在 SSD 中嵌入 Bi-ConvLSTM 单元，以设计一个检测动作的循环检测器。

作为 LSTM 的一种，ConvLSTM 可以编码长期的信息，并更适宜处理视频这样的数据，因为 ConvLSTM 单元可以用卷积操作替代 LSTM 单元中全连接的相乘操作，从而能随着时间保持帧的空间结构。因此，在本文框架中使用 ConvLSTM 单元提取长期时序信息是可行的。

具体而言，旷视研究员在 SSD 每两个相邻层之间嵌入一个 Bi-ConvLSTM 单元，形成一个时序语境检测器，如图 2 所示。本文考虑了前向与反向两个输入序列，并为此采用一对时序对称 ConvLSTM；接着，旷视研究员借助这一 Bi-ConvLSTM 从每一个视频帧获取两类特征，这些特征被 1 × 1 卷积层连接和转换，以消除多余的通道。

通过这种方法，时序上下文检测器可以利用 SSD 的优势，并提取长期时序语境信息。

过渡感知分类器

过渡性状态中的实例与目标动作具有相似性，因此检测较容易发生混淆。大多数现有方法将其作为背景，并依赖后处理算法剪裁它们。然而，由于这些状态与背景非常不同（比如场景和其他目标），将其看作背景会加大类内差异，降低检测性能。在本文中，旷视研究院提出一个过渡感知的分类器，以同时进行动作分类和过渡状态分类，具体细节如图 3 所示：

▲   图3：过渡感知分类器图示

实验

与当前最佳的对比 

在 frame-mAP 和 video-mAP 两个指标上，本文把 TACNet 与当前最优方法在数据集 J-HMDB 和 UCF101-24 上做了对比，结果如表 3 所示。由表可知，在时序未经修剪的 UCF101-24 数据集上，TACNet 在两个指标上均超越了先前同类方法。

▲   表3：在J-HMDB和UCF101上，TACNet与当前最佳方法的结果对比

结论

本文旨在推进动作检测的性能。具体而言，旷视研究员发现，提取长期的时序上下文分析并区分过渡性状态十分关键。由此，旷视研究院提出 TACNet，它包含一个时序上下文检测器和一个过渡感知分类器。 

由大量的实验结果可知，TACNet 异常奏效，并在有挑战性的、未剪辑的数据集上刷新了当前最佳结果，这主要得益于 TACNet 使用的时序检测和过渡感知方法。 

未来，旷视研究院将从行为者与其周遭的人物（或物体）的关系着手，持续探索，进一步提升时序检测的能力。

传送门

欢迎各位同学关注旷视研究院 Detection 组及知乎专栏：

http://zhuanlan.zhihu.com/c_1065911842173468672

简历可以投递给 Detection 组负责人俞刚：

yugang@megvii.com

参考文献

[1] V. Kalogeiton, P. Weinzaepfel, V. Ferrari, and C. Schmid. Action tubelet detector for spatio-temporal action localization. In ICCV, 2017. 

[2] Z. Li, K. Gavrilyuk, E. Gavves, M. Jain, and C. G. Snoek. Videolstm convolves, attends and flows for action recognition. Computer Vision and Image Understanding, 166:41– 50, 2018.

[3] X. Peng and C. Schmid. Multi-region two-stream r-cnn for action detection. In ECCV, pages 744–759, 2016.

[4] G. Singh, S. Saha, M. Sapienza, P. Torr, and F. Cuzzolin. Online real-time multiple spatiotemporal action localisation and prediction. In CVPR, pages 3637–3646, 2017. 

[5] G. Yu and J. Yuan. Fast action proposals for human action detection and search. In CVPR, pages 1302–1311, 2015. 

[6] K. Soomro, A. R. Zamir, and M. Shah. Ucf101: A dataset of 101 human actions classes from videos in the wild. arXiv preprint arXiv:1212.0402, 2012. 

[7] H. Jhuang, J. Gall, S. Zuffi, C. Schmid, and M. J. Black. Towards understanding action recognition. In ICCV, pages 3192–3199, 2013.

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